基于proe的機械通用件特征建模及參數化設計(已修改)

　

【正文】 誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文）是我個人在導師指導下, 由我本人獨立完成。有關觀點、方法、數據和文獻等的引用已在文中指出,并與參考文獻相對應。我承諾，論文中的所有內容均真實、可信。如在文中涉及到抄襲或剽竊行為，本人愿承擔由此而造成的一切后果及責任。畢業論文（設計）作者簽名： 簽名日期： 年 月 日摘要本文首先探討了CAD特征建模和約束理論，分析了特征的層次性以及不同特征之間的映射。介紹了幾種機械通用件的數學描述，針對機械通用件使用頻繁，但結構復雜、造型困難的特點，通過PRO/E設計實例的介紹，實現了軸、齒輪、蝸輪、蝸桿、軸承等機械通用件的參數化設計，尤其是實現了基于精確的齒輪輪廓漸開線函數的齒輪和蝸輪的三維建模。采用這種造型與設計方法，減去了數字化建模過程中煩瑣且重復性的工作，實現了設計自動化和高效化，其優化設計思想對其他行業同樣有參考和借鑒價值。關鍵詞：Pro/E；約束理論；參數化設計；機械通用件AbstractThis paper firstly discusses the CAD Characteristic Modeling and the Theory of Constraints, and analyses the hierarchy of characteristics and the mapping between different characteristics. It introduces the mechanical description of several machinery general parts. Aiming at their frequent uses, however, plex structures, and modeling difficulties, it realizes the parametric design of shaft, gear, worm gear, worm, bearing and other machinery general parts by introducing the design examples of Pro/E. Especially， it realizes threedimensional modeling of gear and worm gear based on accurate involute function of gear profile. This use of modeling and design method reduces the troublesome and repetitive work in digital modeling process, and it also achieves the design automation and high efficiency. The optimized design idea also has reference value to other industries.Keywords: Pro/E；Theory of Constraints；Parametric Design；Machinery General Parts 目錄第一章 緒論 1第二章 Pro/E 2 Pro/E的簡介 2 Pro/E的特點和優勢 2 參數化 2 基于特征建模 2 單一數據庫 2 全相關性 3第三章 CAD建模中的特征與約束理論 4第四章 參數化零件設計 6 參數化設計 6 機械通用件的參數化設計 6 參數化設計在CAD中的應用 7第五章 軸的參數化設計 8 軸的結構特征 8 軸的參數化造型基本思路 8 基本步驟 8 創建新的零件文件 9 創建軸的實體特征 9 創建軸的參數化程序 10第六章 齒輪的參數化設計 14 齒輪的結構特征 14 齒輪的參數化造型基本思路 14 基本步驟 16 創建新的零件文件 16 輸入齒輪設計參數及計算關系式 16 繪制齒廓曲線 17 創建輪齒特征及其它特征 19 實現智能參數化設計 20第七章 蝸桿與蝸輪的參數化設計 23 蝸桿與蝸輪的結構特征 23 蝸桿蝸輪傳動幾何尺寸 24 蝸桿參數化造型基本思路 25 基本步驟 25 創建新的零件文件 26 參數輸入 26 生成螺旋體 26 導程參數化 28 實現多頭蝸桿 29 處理左右旋 30 創建蝸桿軸實體 32 蝸桿變參 32 蝸輪參數化造型基本思路 34 基本步驟 35 創建新的零件文件 35 參數輸入 35 創建蝸輪輪坯 38 創建單個輪齒 38 形成所有輪齒 39 處理左右旋 40 蝸輪變參 41第八章 軸承的參數化設計 43 軸承的結構特征 43 軸承的參數化造型基本思路 43 基本步驟 44 創建軸承內環零件 44 創建軸承外環零件 46 創建滾珠 48 創建軸承組件 49 各種參數的軸承 52結語 53致謝 54參考文獻 55附錄A 56附錄B 59第一章 緒論在現代產品的無紙開發方式中，通常要建立產品的數字化模型，采用各種虛擬技術進行產品分析、虛擬裝配、虛擬制造，直至完成產品的實際制造。離開了產品的數字化模型，一切分析將無從談起。在產品的數字模型建立過程中，經常要用到一些機械通用件（如軸、齒輪、蝸輪蝸桿、軸承等），同類通用件的結構類似，只是個別屬性有差異。快速、準確地建立機械通用件的數字模型，能夠加速產品開發、縮短產品設計制造周期、提高產品質量、降低成本、增強企業市場競爭能力。本文主要探討CAD建模中的特征和約束理論，分析特征的層次性以及不同特征之間的映射，參數化設計的原理與方法，利用PRO/E實現了軸類零件、漸開線直齒圓柱齒輪、蝸輪、蝸桿、軸承等機械通用件的精確三維建模和參數化設計。采用這種方法可快速、準確地建立通用件的數字模型，它改變了設計的概念，并將設計的便捷性推進了一大步。第二章 Pro/E Pro/E的簡介 Pro/E是美國PTC公司旗下的產品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，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界的認可和推廣，是現今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/Engineer作為目前國際市場上最有影響的高級三維CAD/CAM工程軟件之一，在業界享有極高的聲譽并具有很高的市場占有率。Pro/E的最大特點和最強優勢可歸納為全參數化、全相關、基于特征的實體建模。該軟件所提供的極其豐富的、符合工程師設計思維方式的造型方法，以及強大的變參功能，使工程設計人員的設計理念得以直觀化，設計構思得以可視化、形象化。 Pro/E的特點和優勢Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 　　 參數化相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。 　　 基于特征建模 　　Pro/E是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 　　 單一數據庫　　Pro/E是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。 全相關性Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發后期的一些功能提前發揮其作用。將Pro/E的上述功能與機械工程實際相結合，可構成十分便捷、功能強大的設計及分析工作平臺，解決大量原本看來可能比較棘手和繁瑣的工程問題。本文正是從這一角度出發，選擇最為常用的機械零件與傳動裝置作為示例，利用Pro/E的參數化功能，實現復雜零件的精確造型，優化設計。第三章 CAD建模中的特征與約束理論圖 31 特征的層次性及不同特征之間的映射關系Pro/E是一個參數化、基于特征的實體造型系統。關于特征的概念，許多專家學者從不同角度進行了定義。Pratt和Wilison定義特征是一個零件上有意義的區域，并基于形狀不同將特征分為六大類：通道（Passage）、凹陷（Depression）、凸起（Protrusion）、過渡（Transition）、域（Area Feature）、變形（Deformation）；Shah定義特征為產品信息傳遞的載體，能幫助設計、制造和其它工程任務之間的通信與交流，共分形狀特征、技術特征、精度特征、裝配特征等。由此可見，特征集不但與產品類型相關，還與觀察角度和應用領域相關。對于給定的產品類型或應用領域，可以建立足夠的特征集為產品設計服務。這樣的特征集合稱為特征空間。要創建集成的基于特征的產品設計系統，必須充分實現特征的擴充以及特征空間與功能空間、約束空間的映射（Mapping）。CAD建模中的特征可劃分為底層特征、高層組合特征及邊界表示法單元/體素特征三個層次。底層特征是一些點、線、面等簡單的幾何要素，高層組合特征是指由底層特征組合而成的截面形狀特征或特征體素（單元），或可直接用于特征造型的參數化曲線、曲面，邊界表示法單元/體素特征是具有特定工程意義的CAD，系統的特征，它是高層特征按照特定的特征形成的規則（拉伸規則、形變規則、組合規則與復合規則等）設計而成，或高層特征向邊界表示法單元/體素特征空間的簡單映射。圖31為特征的層次性及不同特征之間的映射關系。機械零件產品通常按一定特征設計制造，特征之間具有確定的幾何約束關系（包含結構約束和尺寸約束兩種類型）。忽略幾何約束，得到的產品模型是沒有意義或是不準確的。結構約束是指特征元素之間的拓撲結構關系（ 如平行、垂直、對稱、相切等），描述了特征元素的空間相對位置和連接方式。尺寸約束是特征元素間的距離、角度等。圖3圖33是常見的特征元素之間的約束。 圖 32 截面特征曲線之間的約束圖 33 二次曲面之間的約束圖 34 齒輪三維模型圖34是基于二維參數化草圖經拉伸、旋轉生成的齒輪三維模型，建模時首先繪制特征曲線（ 底層特征），然后對這些特征曲線進行調整使其滿足幾何約束，組成二維截面形狀特征（ 高層組合特征），最后按照特定特征形成規則（ 拉伸、旋轉規則）生成邊界表示法單元/體素特征，完成齒輪特征建模。第四章 參數化零件設計 參數化設計所謂參數化設計，就是在工程設計中，用可變參數而不是固定尺寸表達零件形狀或部件裝配關系，通過設置參數就可以表達零件形狀或部件裝配關系，通過改變參數就可以完成零件的形狀或裝配關系的修改，這樣，工程設計人員可任意建立形體尺寸和功能之間的關系。任何一個參數改變，其相關的特征也會自動修正，以保持設計者的意圖。當特征之間存在參考關系時，特征之間即產生所謂的父/子（parent/child）關系。同時，模型參數不僅表達模型的形狀，而且具有實際的物理意義，通過引用系統參數或設置用戶定義參數，可以方便地得出模型的體積、面積、質心、重量等。采用參數化設計，還可以加入關系式增加特征之間的參數關系。關系式是數學方程，用于驅動模型，并提高捕捉設計意圖層次的關聯尺寸或其它參數，通過關系式可以減少模型的獨立驅動尺寸，這樣在修改模型時可以減少逐一修改尺寸的工作，并可減少錯誤的發生。參數化設計是Revit Building的一個重要思想，它分為兩個部分：參數化圖元和參數化修改引擎。Revit Building中的圖元都是以構件的形式出現，這些構件之間的不同，是通過參數的調整反映出來的，參數保存了圖元作為數字化建筑構件的所有信息。參數化修改引擎提供的參數更改技術使用戶對建筑設計或文檔部分作的任何改動都可以自動的在其它相關聯的部分反映出來，采用智能建筑構件、視圖和注釋符號，使每一個構件都通過一個變更傳播引擎互相關聯。構件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數變化會引起相關構件的參數產生關聯的變化，任一視圖下所發生的變更都能參數化的、