proe在機械設計當中應用

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1、. . . . PRO/ENGINEER技術在產品設計當中的應用 摘 要 經過漫長的發(fā)展歲月，產品設計手段在不斷地提高，不斷進步，不斷成熟。從最早的手工繪圖，到現在的廣泛的使用計算機輔助設計來進行產品的設計，并且以后還會有更先進的設計手段出現。本文介紹與應用了PRO/ENGINEER造型設計中的參數化設計方式，涉與到了孔特征、倒圓角、螺旋掃描、陣列特征等的設計方法。然后通過PRO/ENGINEER的組件的應用程序里的機構功能實現動態(tài)仿真，實現了產品的設計，模擬裝配，模擬運行等過程，充

2、分體現了PRO/ENGINEER在機械產品設計當中的應用價值與應用前景，并且結合了相關的資料討論了一下三維設計的發(fā)展趨勢。 關鍵詞：Pro/e參數化設計，汽車模型，動態(tài)仿真，裝配 ABSTRACT After a long time, the development of product design method in the constant improvement and progress, and constantly mature. From the earliest manual drawing, t

3、o now widely used computer aided design for product design, and will have more advanced design means appear. This paper introduces and applied a PRO/e modelling design of parametric design way, involving the hole characteristics, pour rounded, helical scanning, the design method of array characteris

4、tics. Then through the PRO/e components in the application of institutions function realization dynamic simulation, realized the product design, the simulation assembly, analog operation process, fully embodies the PRO/e in the mechanical product design application value of, and combine and applicat

5、ion prospects of the related material discussed the development trend of the 3d design. Keywords: Pro/e parametric design, car model, dynamic simulation, assembly 13 / 16 目　錄 第1章pro/e軟件的簡介3 1.1 PTC公司與 pro/e軟件的簡介5 1.2 Pro/e軟件與傳統(tǒng)二維計算機輔助軟件的比較6 第2章 pro/e的功能9 2.1基于特征與參數化的設計9 2.2 pro/e與動態(tài)仿真12

6、 2.2.1 產品組裝與機構仿真的一般方法12 2.2.2 產品組裝與機構仿真的一般步驟12 2.3 pro/e與ANSYS的有限元分析14 2.4 pro/e軟件在逆向工程中的應用19 2.5 pro/e的CAM/CAE模塊在設計中的應用21 第3章 pro/e在產品設計中的應用實例23 3.1 PRO/E在減速箱設計中的應用23 3.2 PRO/E在汽車汽車覆蓋件中設計中的應用25 3.2.1零件結構分析26 3.2.2產品數字化26 3.2.3 數據預處理27 3.2.4 模型重建27 3.3 PRO/E叉車模型建模與動態(tài)仿真應用實例28 3.3.1叉車模型

7、零部件的三維造型29 3.3.2干涉檢查和運動仿真31 第4章三維計算機輔助設計軟件的發(fā)展前景32 結論34 致35 第1章pro/e軟件的簡介 1.1 PTC公司與 pro/e軟件的簡介 Pro/Engineer是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產品。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現今最成功的CAD/CAM軟件之一。 Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數化功能定

8、義、實體零件與組裝造型，三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產生與不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。Pro/Engineer是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數改變，其也相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便。 Pro/E

9、ngineer可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持Postscript格式的彩色打印機。Pro/Engineer還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析與后置處理等，這都是通過標準數據交換格式來實現，用戶更可配上 Pro/Engineer軟件的其它模塊或自行利用 C語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設計能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS標準)，且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀(HP，HPGL)和黑白與彩色打印機的二維和三維圖形輸出。 1.2 Pro/e軟件

10、與傳統(tǒng)二維計算機輔助軟件的比較 傳統(tǒng)的計算機輔助設計系統(tǒng)主要是提供方便的設計工具和手段來輔助設計, 缺乏分析問題和解決問題的能力, 適用于解決算法型或確定型的任務問題。近幾年來, 為了克服傳統(tǒng)計算機輔助設計的不足, 人們將人工智能和專家系統(tǒng)技術應用于計算機輔助設計系統(tǒng), 進行了智能計算機輔助設計系統(tǒng)的研究。眾所周知, 機械產品設計不但涉與到一系列的計算公式、許多的設計標準和規(guī)以與制圖技術, 而且還要用到許多非數值的經驗性知識, 如開始的概念設計和產品的初步設計則要求設計專家憑借知識和經驗來思考、推理和判斷；而設計過程最一個從“設計- 評價- 再設計直到產生最優(yōu)設計結果”的反復過程, 這就更需

11、要設計專家具有一定的知識性經驗, 也就驅使著專家系統(tǒng)和計算機輔助設計進行結合。很顯然, 概念設計是整個設計過程中最重要的一個階段, 這一階段是設計創(chuàng)造性最為集中的部分, 這一部分與問題的表達和理解的正確與否, 所提方案的優(yōu)劣以與評價和決策的適當與否等有關, 它決定了最終設計的特色、水平和效益。傳統(tǒng)的二維CAD系統(tǒng)起源于計算機圖形學，其智能定位于圖樣繪制，沒有從本身的需求來考慮，大多數停留在電子圖版的水平。設計者用二維CAD系統(tǒng)來記錄設計結果，設計活動只活動在設計者的頭腦之中，當設計者應用二維CAD系統(tǒng)的時候，設計差不多已經結束。其局限性表現如下： (1) 只是一個繪圖工具而并非設計工具，不能

12、幫助設計者定義設計關系和設計約束，更不能儲存和保持設計關系。 (2) 沒有可變型的產品模型。 (3) 不支持設計的全過程，只能完成繪圖等對提高企業(yè)競爭力不很重要的工作。 (4) 缺乏智力性，只記錄幾何數據，缺乏語義信息，不能有效表達設計意圖。 (5) 對產品缺乏完善的分析系統(tǒng)和檢索機制。 由于概念設計的重要性, 一些學者提出了基于決策的概念設計過程模型, 并且用超文本做了技術實現。與過去的設計方法學模型相比, 決策模型并不規(guī)定設計過程應該怎樣,設計師自始至終控制著設計的流程, 具有更大的靈活性； 與形式化模型相比, 決策模型并不被動地模擬設計過程, 而是抽取關鍵的語義和聯系, 用以描

13、述和支持設計過程, 與傳統(tǒng)的計算機輔助設計方法相比, 它不僅記錄設計的結果, 更強調記錄和表達設計的過程。總之, 智能化是機械計算機輔助設計中極具有前途的研究領域。Pro/Engineer能較好地完成挖掘機零部件的三維造型，三維造型時常用以下方法: ①對形狀比較規(guī)則的簡單零件，利用三維軟件自帶的標準幾何體（方形、圓柱、圓管、圓錐和球、溝槽）庫，直接生成零件實體，如方板、光軸、軸套等。 ②繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖，經拉伸、旋轉生成三維實體。 ③沿路徑配置的二維幾何圖形經掃描，蒙皮生成曲面形實體。 ④從草圖入手建模 設計者根據設計的要求用手勾畫出理想的結構形狀，然后賦予每一條曲線

14、以尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設計者的意圖去更新交換，生成參數化特征的實體建模。從草圖入手建模很容易實現參數化、標準化、系列化設計，是挖掘機最理想的建模方式。 ⑤利用三維實體間的布爾運算（交、并、補），將多個簡單零件組合成一體，生成新的實體等等，且生成的實體模型均采用參數化特征造型。 第2章 pro/e的功能 2.2 pro/e與動態(tài)仿真 產品裝配與機構仿真是pro/e的一項重要功能。當設計師進行產品組裝與機構仿真時，能將設計師的設計意圖直觀的進行表達，可以以動態(tài)的方式將產品進行模擬的運行，也能從中檢驗機構是否存在不合理的像干涉、自由度不滿足等缺陷?？傊擁椆δ軐υO計師提供重要

15、幫助。 2.2.1 產品組裝與機構仿真的一般方法 在pro/e的裝配模塊中，對產品組裝與機構仿真提供了兩種不同的裝配方法。 1．產品裝配的兩種方法 （1） 約束裝配 當進行普通產品裝配中，不考慮機構運動，或某些元件是固定不動的，那么在裝配時可采用約束條件進行裝配。 （2） 連接裝配 當進行機構運動仿真時，其機構組裝必須考慮到哪些元件是運動的，哪些元件是固定不動的，對運動的元件要采用連接條件進行裝配。 其中約束裝配僅僅時按系統(tǒng)提供的方式，將機構各元件按一定的連接方式進行組裝。這樣得到的只是一個相對直觀的產品外觀的展示。而要想實現機構的動態(tài)仿真，各元件的連接方式就必須采

16、用“連接裝配”。因為系統(tǒng)中所提供的連接方式具有不同的自由度，在裝配過程中就要按照自己的裝配關系意圖，再采用相應的連接方式。這樣“應用程序”中的“機構”分析模塊中才能定義各種伺服電機的參數，得到預期的動態(tài)仿真過程。 2.2.2 產品組裝與機構仿真的一般步驟 為了實現相應機構在動態(tài)分析前的連接方式，下面介紹組裝與分析 圖 2-5裝配中的連接方式 的一般步驟。根據各元件所要模擬的運動的不同，在圖2-5中的11種連接方式中，選擇要約束相應自由度的連接方式。然后按照下面的步驟進行： （1）使用約束條件將固定不動的零件或組件裝配起來 （2） 使用連接條件將運動的零件

17、裝配起來 （3） 進入機構模塊。當以約束和連接條件將元件組裝在一起之后，即可通過下拉式菜單“應用程序/機構”進入設計模塊。 （4） 手工拖動元件運動。進入機構模塊后，選擇拖動圖標，手動拖拽元件，使元件按語定運動方式運動，以測定元件裝配是否正確，機構運動方式是否合乎理想。如果元件裝配正確，機構運動合乎理想，則進行下一步，否則回到組裝環(huán)境重新組裝。 （5） 設置齒輪副、凸輪從動機構。如果機構中含有齒輪副或凸輪從動機構，則在機構組裝并測試正確后，進行齒輪副或凸輪從動機構的設置，建立機構元件連接條件之間的關系，以便驅動。 （6） 添加伺服電機。當連接完成設定后，即可設置伺服電機，以作為機構的動

18、力來源。 （7） 其他設定。如果運動復雜，還需要添加其他設置，如彈簧、力、轉矩等。 （8） 分析與仿真。當機構設置完成后，進行各種分析。如位置、運動學、動態(tài)等，并可根據分析獲得結果報告。 最終在動態(tài)仿真中的運動參數可以用一下圖示為一例進行表達： 圖2-6 某動態(tài)仿真中選定三點的運動分析 在動態(tài)仿真中能夠進行簡單的運動與受力分析，但是復雜的分析這里就不能顯現出相應的作用與優(yōu)勢。這樣就提出了下文的有限元分析。 2.4 pro/e軟件在逆向工程中的應用 “逆向工程”（Reverse Engineering,RE）,也稱反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密測量和質量檢驗，它是設計下游

19、向設計上游的反 饋信息的回路。 圖2-9逆向工程過程 目前，大多數有關“逆向工程”技術的研究和應用都集中在幾何形狀，即重建產品實物的CAS模型和最終產品的制造方面，稱為“實物逆向工程”。這是因為一方面，作為研究對象，產品實物是面向消費市場最廣、最多的的一類設計成果，也是最容易獲得的研究對象；另一方面，在產品開發(fā)和制造過程中，雖已廣泛使用了計算機幾何造型技術，但是仍與許多產品，由于種種原因，最初并不是由計算機輔助設計（Computer Aided Design,CAD）模型描述的，設計和制造者面對的是實物樣件。為了適應先進制造技術的發(fā)展，需要經過一定途徑將實物樣件轉化為CAD模型，一起

20、利用計算機輔助制造（Computer Aided Manufacture,CAM）、產品數據管理（Product Data Management，PDM）與計算機集成制造系統(tǒng)（computer integrate manufacture system，CIMS）等先進技術對其進行處理或管理。同時，隨著現代測試技術的發(fā)展，快速精確的獲取食物的幾何信息已變成事實。目前，CAM\CAD系統(tǒng)中的一個研究與應用熱點，并發(fā)展成為一個相對獨立的領域。在這一意義下，“實物逆向工程”（簡稱實物逆向工程）可定義為；逆向工程時和將實物轉變?yōu)镃AD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。 Pr

21、o\SCAN-TOOLS時一個專用的逆向設計模塊，能通過數據點構造網格曲線（Style Cure），在給定誤差圍，檢查出“壞”點，選定數據點作為參考點對曲線進行擬合、光滑處理。以網格曲線為基礎構造網格曲面（Style Suface）、近似曲面（Approximate Surface）和骨架曲面（Skeleton Surface），也可以生成一種基礎曲面（Underlying Surface），以測量點為參考點進行擬合。具有找色和反射線等曲面分析工具。和Pro\SURFACE模塊配合使用，曲面生成后能轉換為一薄壁實體，然后在實體上進行特征構造。由于Pro\Engineer軟件的參數化特征功能，曲

22、面、實體均以特征形式表現在造型樹記錄上，其修改和再定義也容易實現，為產品的創(chuàng)新設計帶來方便。 2.5 pro/e的CAM/CAE模塊在設計中的應用 PRO/E的CAM/CAE功能模塊有：Pro/FEMPOST有限元分析、Pro/MECHANICACUSTOMLOADS載荷處理、Pro/MECHANICAMOTION裝配體運動分析、Pro/MECHANICASTRUCTURE靈敏度優(yōu)化分析、Pro/MECHANICATHERMAL熱分析、Pro/MECHANICATIREMODEL路面分析、Pro/MECHANICAVIBRATION振動模、Pro/MECHANICAMESH有限元網格劃分態(tài)

23、分析。 其CAM 功能，提供了最佳的交給那個路徑公職和創(chuàng)建智能化加工路徑的功能，語序數控編程人員控制整體的加工路徑知道最細節(jié)的部分。該軟件還支持而普通加工和多軸加工，帶有多種圖形文件接口。 Pro/INTERFACE提供了PRO/E與其他設計自動化系統(tǒng)之間的各種標準數據交換格式，轉換器支持由其他系統(tǒng)輸入IGES、SET 、VDA、CGM、和DXF，PRO/E也輸出信息到這些一樣的標準中，同時也提供SLA文件等格式。 PRO/LEGACY可以使工程師在PRO/E環(huán)境中對2D和3D數據文件進行維護，它的流暢的用戶界面經過了優(yōu)化處理，因此工程師可以在PRO/E環(huán)境中對模型的表面、現況等進行修改

24、綜合而不必重新生成。 PRO/MANUFACTURING從加工模塊中生產加工工藝計劃、刀具編程和時間價格比的估計。PRO/MANUFACTURING將工藝步驟與設計模塊鏈起來，這樣，當設計改變時，加工信息可自動生成。此模塊支持的加工過程包括鉆孔加工車削加工和直到五軸的銑削加工。 PRO/MOLDESIGN用于模具部件和模具裝配的設計，其包括澆注系統(tǒng)、澆道、澆槽等特征。并且允許用戶做注模模擬PRO/MOLDESIGN為用戶節(jié)省了大量的時間，并使用戶的零件設計和模具設計并行進行。 第3章 pro/e在產品設計中的應用實例 3.1 PRO/E在汽車汽車覆蓋件中設計中

25、的應用 據有關部門統(tǒng)計，到2008年，我國汽車總需求量約為1100萬輛，基本車型將達220種，另有更新車型和改裝車型430種。對于車型的更新，最主要的工作就是獲得原有車型的幾何模型（其型覆蓋件的設計是整個新車型開發(fā)的關鍵），基于逆向技術（三坐標數據掃描）、CAD/CAM技術（曲面構建、模型重建）是目前獲取幾何模型應用最廣的方法。 根據逆向工程中研究對象的不同，逆向工程分為影像逆向、軟件逆向、實物逆向等。就實物逆向而言，又包括形狀（幾何）逆向、功能逆向、材料逆向、工藝逆向，汽車覆蓋件的逆向工程屬于實物逆向。逆向工程研究容主要有兩個方面，即產品數字化和曲面重構技術，它的兩個主要發(fā)展領域是自由曲

26、面的逆向工程和表面簡單但具有復雜拓撲關系的逆向工程。 圖（3-4）a為某款汽車的車門零件，圖（3-4）b分別為車門的外形和形表面形狀，需獲得該零件的幾何模型。本部分結合逆向技術和CAD/CAM技術，應用三坐標測量機獲得零件的點數據，然后在Pro/ENGINEER軟件中完成其模型重建。 圖3-4某款汽車車門零件外形 3.2.1零件結構分析 在測量前，應該對零件形狀結構進行必要的分析，針對零件的形狀結構特點，有目的性地對零件進行測量。這樣可以用較少的測量點（零件的特征點）即可反映出零件的形狀，從而做到“事半功倍”。 圖（3-5）a所示的汽車覆蓋件的外形為一個掃描曲面和一個自由曲面

27、，掃描曲面需要確定掃描曲線和截面曲線，這里掃描曲線為一直線，因此，只需測量零件的截面形狀；對于塊Ⅱ所示的自由曲面，則可用放樣曲面或混成曲面等方式來生成。該零件形有多處起伏和沖孔，其形狀較為規(guī)則，只需測量各處的形狀尺寸和定位尺寸即可，但需注意各組成部分間具有較高的位置度要求。 3.2.2產品數字化 數據采集是指通過特定的測量設備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標數據，數據采集是逆向工程的關鍵技術之一。目前，數據采集使用的方法很多，常用的有接觸式測量法、非接觸測量法和工業(yè)計算機斷層掃描成像法等，G-90C三坐標測量機屬于接觸式測量法。 該汽車覆蓋件外形表面由兩個曲面經過曲面延伸、曲面過渡

28、、曲面裁剪等混合而成，為了減少測量數據，便于建立零件模型，將兩個曲面進行分塊測量，每個曲面使用不同的方法完成曲面重構。圖（4-7）a所示為零件外形塊Ⅰ截面所測得的測量點數據，圖（4-7）b所示為零件外形塊Ⅱ曲面所測得的測量點數據。 ab 圖3-5 零件外形測量的特征點 3.2.3 數據預處理 通過測量設備所得到的點數據一般較多（尤其是應用激光測量設備所測得的數據有時多達幾兆甚至幾十兆），因此，在對這么多的點數據進行曲面重構前，應對數據進行必要的預處理。數據預處理一般包括數據平滑、數據清理、補齊遺失點、數據分割、數據對齊、零件對稱基準面的構建等。 這里，需要對圖（3-5）b所

29、示的測量數據分成兩部分，即用來重構掃描曲面的測量點數據和用來重構自由曲面的測量點數據，每一部分擬合出一塊曲面，然后通過曲面編輯方法（如曲面求交、曲面過渡等）將兩塊曲面合并構成一個完整的曲面。 3.2.4 模型重建 模型重建是指由測量點還原成實體，目前較為成熟的模型重建技術是通過構建曲面來實現模型重建，因此，構建曲面是模型重建的關鍵。曲面重構有基于點-樣條的曲面重構和基于測量點的曲面重構，這里采用基于點-樣條的曲面重構。基于點-樣條的曲面重構即為由測量所得的點擬合出曲線，再由這些曲線生成曲面，圖（3-6）a所示即為通過創(chuàng)建曲面、曲面編輯后所得的完整曲面。圖（3-6）b、c所示為根據零件形所測

30、得的數據，應用Pro/ENGINEER軟件所得的零件實體模型。 完成零件的實體造型后，可應用Pro/ENGINEER軟件有關模具設計和數控加工的功能，便可快速完成模具設計和零件NC加工。 進行數據測量時的注意事項: （1）當對曲面進行分塊測量時，為了保證數據測量的完整性，各塊之間需有一定的重疊量，以利于模型重建時數據的融合。 （2）由于受到三坐標測量儀和零件的限制，外形數據和形數據的測量無法一次完成。因此，在測量外形數據和形數據時，需建立一個統(tǒng)一的坐標系，以保證數據的對齊。 （3）在進行數據測量時，應根據零件的結構特點，定制和規(guī)劃坐標測量時的掃描路徑，掃描路徑設置的優(yōu)劣，對零件模型的

31、重建具有較大的影響。 (a) (b) (c) 圖3-6零件外形測量的特征點 在汽車覆蓋件模具設計制造中，應用基于CAD/CAM的逆向技術，可大大縮短模具設計制造的周期，這也適應汽車行業(yè)對產品進行快速更新的需要。 致 值此論文完成之際，心中充滿了一片感激之情，在整個論文完成的過程中得到了我的指導老師占領老師的精心指導，在此要向他致以最崇敬的感。老師總是在百忙之中抽出時間來為我們解答論文設計過程中的疑惑，老師不愧是廣大師生的表率，他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；她循循善誘的教

32、導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。再次向老師獻上誠摯的意。 感我的室友和同學們，在論文完成的過程中在生活上和學習上給予我很大的幫助和支持，是他們不斷給我自信，如今才能順利完稿。感08材料班的全體成員，在這個大家庭中使我學會了寬容，忍讓，團結與互助。大家在學習上互相交流，生活上相互幫助，再次衷心的向大家說一聲。? 最后我要誠摯地感我的家人，是他們無微不至的關懷、一貫的體諒與支持，使我能在工作和學習上不斷前進，他們是我努力工作和積極生活的精神支柱。? 向所有關心我的親人、同學和朋友們表示深深的意！再次感學校給我們提供了這樣一個理論與實踐相結合的機會，使我們不但鞏固了知識更鍛煉了能力，也學到

33、了很多東西。 參 考 文 獻 [1] 力. 機械制圖（第二版）.:高等教育，2004.7 [2]建中、何曉玲，機械設計基礎課程設計. :高等教育，2009.3 [3] 建中.機械設計基礎 .:高等教育，2007.8 [4] 晁北，solidworks2007中文版機械設計與典型例. :電子工業(yè)，2007.7 [5] 巖. PRO/ENGINEER Wildfire 3.0曲面建模實例精解. :機械工業(yè)，2007.1 [6] 小撈. PRO/ENGINEER Wildfire 2.0中文版教程. :人民郵電，2007.12 [7] 周四新，和青芳. PRO/ENGINEE

34、R Wildfire3.0 高級設計. :電子工業(yè)，2007.5 [8] 樊旭平. PRO/ENGINEER標準教程. ：清華大學，2009.6 [9] 雷，黃愷，高奇. PRO/E產品裝配與機構仿真.：化學工業(yè),2009.5 [10] 金濤. 逆向工程技術. ：機械工業(yè)， 2003.8 [11] 東北大學《機械零經設計手冊》編寫組.機械零件設計手冊（第三版）上. ：冶金工業(yè)，1994.4 [13] 黎明，黃愷，恩至，仕賢.機械零件設計手冊.國防工業(yè)，1988.3 [14] 徐灝.機械設計手冊. 機械工業(yè),2000.6 [15] 東北大學《機械零經設計手冊》編寫組.機械零件設計手冊（第三版）下. ：冶金工業(yè)，1994