基于PROE的齿轮油泵三维建模设计

目 录1 绪论11.1 机械专业传统的教学方式存在的问题11.2 将三维技术应用到机械类专业课的教学中12 设计概述23 设计过程33.1 齿轮油泵零件建模设计33.1.1 齿轮油泵骨架的设计43.1.2 齿轮油泵主体的设计53.1.3 齿轮油泵左盖的设计73.1.4 创建齿轮泵右侧盖的设计83.1.5 齿轮轴的设计83.1.6 其它零件的创建123.2 齿轮油泵装配设计133.2.1 虚拟装配设计133.2.2 生成爆炸图164 机构仿真及工作原理动画174.1 齿轮油泵机构仿真设计174.2 齿轮油泵工作原理动画仿真195 总结22致谢23参考文献241 绪论计算机辅助教学是教学发展的一个焦点，Pro/E等三维建模软件的发展以及虚拟制造技术的出现为机械类专业课教学提供了一种极好的现代化教学的工作平台1。1.1 机械专业传统的教学方式存在的问题（1） 在机械类课程的教学中，经常需要实物模型帮助学生理解教学内容，如果没有模型，仅仅依靠讲解，是很难讲清楚一个立体结构的。学生缺少对实物的感官认识也就更难理解没有模型的讲解，而传统的教学方式是利用教学实物模型，但实物模型携带不方便，而且容易损坏，不便于保管。（2） 教学中存在的另一个问题是传统的教学实物模型一成不变，更新换代的速度慢，而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要。时代在发展，教学内容在不断更新，当然教学模型也要跟上教学内容的更新，要想根据教学需要更改实物模型是很困难的。更换新实物模型成本又很高，而旧模型基本没有再利用的价值，造成很大的浪费。（3） 传统的教学模型作运动演示和运动分析也存在很多缺陷，一是学校很难保证有一套完整的机械专业的教学模型，而且成本也较大；二是有些空间的机构内部的运动很难观察到；三是装配模型时容易损坏零件，运动容易出故障；四是运动特性的分析也很困难。（4） 对于机械设计的教学，传统的教学方法是先展开平面简图的构思，形成稍微完整的方案之后，开始绘制三维简图，完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易的模型。在造型设计的过程中，需要用样品实物模型来表达设计者的构思，但对每一种方案都制作实物样品，要付出大量的劳动，还存在着精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题。1.2 将三维技术应用到机械类专业课的教学中Pro/E系统是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC)的产品。本软件采用单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械CADCAECAM 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CADCAECAM 领域的新标准。将现代化的Pro/E三维技术应用到在机械专业课的教学中，可以解决以上传统教学存在的很多不足2。（1） 建立零件的三维模型，虚拟的模型便于现代化教学，在教学中如果应用Pro/E的三维技术建立零件的三维模型，可以避免传统教学模型的缺点，它同样具有实物教学模型的直观、容易理解的优点，又克服了传统教具的不足，避免了携带困难的问题，还便于制作多谋体课件。（2） 把教学中常用的零件、部件和标准件建立起自己的模型库，利用Pro/E提供的强大的基于特征的参数化实体造型功能，把教学中常用的零件、部件和标准件，利用微机的存储信息量大的特点建立起自己的模型库，以充分利用已有的设计成果和前人的经验。我们建立的教学模型库有如下特点：1） 零件模型库的覆盖面广、标准新；2） 当教学需要某一零件模型时，可直接从零件模型库中调出，不必手工绘制；3） 零件模型从模型库中调入后可任意移动、旋转，在装配时确定准确的位置；4） 零件模型库的操作使用简捷、方便、灵活、易学易懂；5） 还可以用互联网实现零件模型库的资源共享，充分运用网络资源为教学服务。（3） 可将各种三维零部件和机械传动在Pro/E内进行虚拟装配、三维动画演示和运动特性分析。总之，把Pro/E的三维技术引入机械专业课的教学，彻底改变了传统的教学理念，大大改善了辅助教学环境，提高了教学效果3。通过实践证明，我们只要认真研究和大胆尝试辅助教学这一现代化教学手段，不断地去学习、掌握这种技术，很好地将Pro/E的三维技术应用到我们的机械专业教学中去，提高工作效率，充分利用微机多媒体辅助教学的优越性，调动学生的积极性，就一定能有效地帮助我们达到降低教学成本，提高教学质量的目的。2 设计概述本设计主要围绕齿轮油泵设计这个实例展开。液压油泵作为一种重要的液压元件，其规格和型号比较繁多，传统的开发过程繁琐、 效率低下、 绘图量大，Pro/E作为一款高效快捷的CAD/CAM软件，克服了以上的不足之处，大大提高设计人员的开发速度，本文将着重就Pro/E的实体建模、虚拟装配、机构仿真等功能进行齿轮油泵的设计。齿轮油泵包含多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法。设计的具体要求为：（1） 齿轮油泵零件建模设计；（2） 齿轮油泵装配设计；（3） 齿轮油泵机构仿真设计；（4） 齿轮油泵工作原理动画设计。3 设计过程3.1 齿轮油泵零件建模设计齿轮油泵包含20多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法4，齿轮油泵的最后设计结果如图1所示，组件分解图如图2所示。图1 齿轮油泵三维图图2 齿轮油泵爆炸图3.1.1 齿轮油泵骨架的设计齿轮油泵骨架的设计主要是一系列基准曲线的绘制，其随后的建模设计建立在骨架设计的基础上，齿轮油泵的骨架设计结果如图3所示。图3 齿轮油泵骨架设计结果（1） 新建零件文档；1） 单击“新建”按钮打开“新建”对话框。在“类型”选项组中选取“零件”选项，在“子类型”中选取“实体”选项，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_pump”；2） 取消“使用缺省模板”复选项，单击“确定”按钮。系统打开“新文件选项”对话框，选取其中的“mmns_part_solid”选项，再单击“确定”按钮进入三维实体建模环境5。（2） 草绘基准曲线；图4 齿轮油泵骨架草绘1） 单击“草绘工具”按钮打开“草绘”对话框； 2） 选取基准平面FRONT作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”，进入草绘界面；3） 在草图内绘制曲线如图4所示。（3） 创建基准平面；1） 单击“基准平面工具”按钮打开“基准平面”对话框；2） 选取FRONT基准平面作为参照，设置平移距离35；3） 单击“确定”，完成DTM1基准平面。（4） 草绘曲线。1） 单击“草绘”打开“草绘”对话框；2） 选取DTM1作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”；3） 绘制如图5所示曲线。图5 齿轮油泵骨架草绘二保存设计结果，作为骨架设计，关闭窗口。3.1.2 齿轮油泵主体的设计（1） 新建零件文档；单击“新建”按钮打开新建对话框。在“类型”中选“零件”，在“子类型”中选“实体”，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_part_m”。（2） 创建外部继承特征；1） 单击“插入”主菜单中选取“共享数据”/“合并/继承”选项，系统打开设计图标版6；2） 单击“打开”按钮，使用浏览的方式打开上一小节设计的齿轮油泵骨架文件“Gear_pump”.同时系统打开“外部合并”对话框，在该对话框的“约束类型”下选取“缺省”选项，在系统默认位置装配齿轮油泵骨架文件；3） 单击“外部合并”中的“确定”，单击“设计板”上的“确定”。（3） 创建拉伸实体特征；1） 单击“拉伸”打开设计板，在设计板中单击“放置”打开参照面板，单击其中“定义”打开“草绘”对话框，选择FRONT为草绘平面，接受其它默认设置单击“草绘”进入草绘模式；2） 在草绘平面内使用“抓取边”工具绘制拉伸剖面图，然后单击“确定”退出草绘，调整方向输入拉伸深度“25.2”，最后创建的拉伸实体如图。再次单击“拉伸”按钮，选取上一零件端面作为草绘平面，进入草绘模式；3） 绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入拉伸深度“25.2”，最后创建的实体特征如图所示；4） 再次单击“拉伸”，选取上一零件右侧面为草绘平面，进入草绘模式；5） 绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入深度“9.5”，最后创建的拉伸实体如图6所示。 图6 齿轮油泵主体拉伸结果 图7 齿轮油泵主体创建孔结果 （4） 创建孔特征；1） 单击“孔”打开孔设计板。单击拉伸体端面为主参照。单击“放置”打开参照面板，选取“同轴”放置类型，然后激活“次参照”，选取拉伸体轴线；2） 完成后的“放置”，设置“形状”列表，最后完成的孔特征如图所示；3） 再次用孔特征创建孔，如图7所示。（5） 创建螺纹修饰特征，如图8； （6） 创建倒圆角特征，如图9；（7） 补上一个拉伸切削特征，最后完成的零件图，如图10。 图8 齿轮油泵主体螺纹修饰结果 图9 齿轮油泵主体倒圆角结果 图10 齿轮油泵主体设计结果 图11左盖设计结果3.1.3 齿轮油泵左盖的设计齿轮油泵左盖的设计同样以齿轮油泵骨架作为母体零件，综合运用拉伸、孔和镜像复制等建模方法。齿轮油泵的最后设计结果，如图11所示。（1） 新建零件文件，输入零件名称“Gear_pump_leftcover”；（2） 创建外部继承特征，如图12； （3） 创建拉伸实体特征，如图13； 图12 左盖外部继承 图13 左盖实体拉伸结果（4） 创建拉伸切削特征，如图14； （5） 创建阶梯孔，如图15； 图14 左盖拉伸切削结果 图15 左盖阶梯孔结果（6） 创建倒圆角特征，如图16。 图16 左盖倒圆角结果 图17 右盖设计结果3.1.4 创建齿轮泵右侧盖的设计齿轮泵右盖的设计和齿轮油泵左盖的设计相似，都是以齿轮油泵的骨架作为母本二进行设计的。设计步骤参照左盖设计，齿轮油泵右盖的设计结果如图17所示。3.1.5 齿轮轴的设计齿轮轴的设计以全参数化标准直齿圆柱齿轮通用件作为母体，对齿轮通用件参数进行修改并添加必要的特征。齿轮轴的最终设计结果，如图18所示。 图18 齿轮轴设计结果 图19 “PROE标准零件库2.1”对话框为简化设计，这里的全参数化齿轮采用台湾大学林清安教授开发的“PROE标准零件库2.1”.（1） 打开“PROE标准零件库2.1”，如图19所示；（2） 从“零件类型”中选择“齿轮”，零件规格选择“20T”，如图20所示；图20“正齿轮”对话框修改右边列表中“可修改”项目，修改齿轮的模数M=3,齿数Z=9,齿宽B=25.2.单击“打开文件”按钮，输入零件名称“gear_shaft_1”,打开的齿轮零件如图21。图21 参数齿轮调用（3） 创建实体拉伸特征 选取上一实体端面为草绘平面，绘制草图，拉伸深度为“10”，拉伸结果如图23； 图22 齿轮轴拉伸草绘 图23 齿轮轴拉伸结果（4） 创建旋转实体特征，旋转结果如图25； 图24 齿轮轴旋转草绘 图25 齿轮轴旋转结果（5） 创建旋转切削特征，以切出槽，切槽结果如图27； 图26 齿轮轴切槽草绘 图27 齿轮轴切槽结果（6） 重复旋转切削，切出另一端的槽； （7） 创建键槽，结果如图29； 图28 齿轮轴键槽草绘 图29 齿轮轴键槽结果（8） 创建倒角特征，结果如图30； 图30 齿轮轴倒角结果 图31 齿轮轴设计结果（9） 创建螺纹修饰特征 选择“插入”、“修饰”、“螺纹” ；选取作图平面为参照面，右图面为螺纹起始面，输入深度为10，直径为12.6。（10） 隐藏基准，完成齿轮轴的创建，如图31。3.1.6 其它零件的创建至此齿轮油泵的主要零件以创建完成，下面还有很多装配用的小零件，其建模过程不再详细介绍。只列出其最终结果，如图32。包括：螺钉、外部齿轮、平键、圆垫片、螺母、压盖、圆柱销。 a）螺钉 b）外部齿轮 c）平键 d）圆垫片 e）螺母 f）压盖 g）圆柱销图32 其它零件至此齿轮油泵所有零件三维建模都以完成，下一步就是装配。3.2 齿轮油泵装配设计3.2.1 虚拟装配设计齿轮油泵的装配综合运用到无连接接口约束和连接接口约束。在进行齿轮油泵的装配前，设计者首先要对齿轮油泵进行整体的分析，要弄清楚那些元件具有运动自由度，那些元件完全约束。对于具有运动自由度的元件就要根据具体要求选择合适的连接接口，反之使用无连接接口的约束进行装配即可。（1） 创建组件文档，输入组件名称“Gear_pump_model”；（2） 在默认位置装配齿轮油泵主体；单击“添加元件”按钮，打开下设计板，选择缺省，以在默认位置装配泵的主体。（3） 向组件中装配销；使用“插入”“对齐”“对齐”三种约束装配销钉，使其高出端面“8”。（4） 重复装配销钉；选中前面装配好的销钉零件，然后在“编辑”中选取“重复”打开“重复元件”对话框。按住“ctrl”键，选中“插入”和“对齐”两种约束方式。单击添加，共装配4根销钉。（5） 向组件中装配齿轮油泵左盖；使用“匹配”“插入”“插入”三种约束。（6） 向组件中装配齿轮轴一；1） 单击右工具箱中的“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵文件Gear_shaft_1；2） 在系统打开的设计板上的“用户定义”中选取“销钉”连接类型；3） 完成“放置”列表，装配结果如图33。图33 装配齿轮轴一（7） 向组件中装配齿轮轴二；1） 单击右工具箱中“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Geat_shaft_2；2） 在系统打开的装配设计板上的“用户定义”下拉菜单中选取“销钉”连接类型；3） 在设计板上单击“移动”按钮，打开“移动”列表。在该列表的“运动类型”选项中选取“旋转”选项，然后选中“运动参照”副选项；4） 根据系统提示选shaft_1的轴线作为旋转运动参照，然后在工作区中旋转齿轮轴二，使两齿轮正确啮合，最后的啮合结果如图34。图34 装配齿轮轴二（8） 向组件中装配齿轮油泵右盖；1） 单击“向组件中添加元件”按钮，使用浏览方式打开齿轮油泵零件文件Gear_pump_rightcover；2） 在系统打开的装配设计板上单击“放置”按钮，然后在“放置”列表的“约束类型”下拉菜单中选取“对齐”约束类型，然后分别选取轴A8和A15作为约束参照。新建“对齐”约束选取轴A9和A16作为约束参照； 3） 新建“匹配”约束类型，选取油泵主体端面和右盖端面，输入偏距“0”； 4） 最后完成的“放置”列表如下图，最后装配结果如图35。图35 装配右盖（9） 在装配的元件之间进行布尔运算；1） 在“编辑”主菜单中选取“元件操作”选项打开“元件”菜单，选取“切除”选项；2） 根据系统提示选取右盖为被切除元件，单击“确定”，接着选取和其有相交关系的两个销作为切除参照元件；3） 最后单击“再生”，再生后转配结果如图，被切除的右盖零件会相应变化。（10） 装配螺栓；1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开“blot.prt”；2） 使用“对齐”约束，选取螺栓轴线和螺栓孔轴线；3） 使用“匹配”约束，选取螺栓头下端面和螺栓孔上端面。（11） 重复装配螺栓；（12） 向组件中装配压紧螺母；1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Pack；2） 使用“插入”和“匹配”两中约束选取相应参照。（13） 在元件之间进行布尔运算 同步骤9一样，切除压紧螺母；（14） 装配键；1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件key；2） 使用“匹配”“匹配”“匹配”三种约束方式选取相应参照。（15） 装配齿轮；1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件gear；2） 使用“对齐”“匹配”“匹配”三种约束方式选取相应参照。（16） 装配垫片；（17） 装配螺母；（18） 影藏曲线特征。1） 在模型树上选中“pack”元件，单击右键，选取“打开”打开该元件；2) 单击“层”按钮，系统显示“层树”窗口。选取“PRT_ALL_CURVES”,单击右键选取保存；3) 在空白处单击右键，选取“保存状态”；4) 接着保存对“pack”元件的修改结果，最后的组件显示结果如图36。图36 齿轮泵设计结果3.2.2 生成爆炸图（1） 从菜单栏中选择“视图”“分解”“编辑位置”命令，打开分解位置对话框；（2） 在“分解位置”对话框中，设置“运动类型”等选项组用来调整爆炸图中个元件的位置，得到满意位置后，点击“确定”按钮。编辑爆炸图完成后，得到分解视图下的齿轮油泵装配爆炸图，效果如图37。图37 齿轮泵爆炸图4 机构仿真及工作原理动画4.1 齿轮油泵机构仿真设计（1） 准备工作 设置模型显示外观，结果如图38；图38 模型显示结果（2） 进入“机构”模块；在“应用程序”主菜单中选取“机构”选项，进入机构仿真界面6。（3） 定义齿轮副连接；1） 单击“定义齿轮副连接”按钮，打开“齿轮副定义”对话框； 图39 “齿轮定义”对话框 图40 “齿轮定义”对话框2）定义齿轮1选项卡，选 “gear_shft_1”为运动轴，节圆直径“27”，如图39；3）定义齿轮2选项卡，选 “gear_shft_2”为运动轴，节圆直径“27”，如图40；4）打开“属性”选项卡，在“齿轮比”选项组中选取“节圆直径”选项。（3） 创建驱动；1） 单击“定义伺服电机”按钮，系统弹出“伺服电机定义”对话框；2） 在“从动图元”选项组中选取“连接轴”选项，然后选取“gear_shaft_1”的轴线作为连接轴；3） 在“伺服电机定义”对话框中打开“轮廓”选项卡，在“规范”中选“速度”选项在“模”中选“常数”，并将“A”值设为“40”，完成后的对话框如图41； 图41 “电机定义”对话框 图42 定义结果4） 完成所以设置后在“伺服电机定义”对话框中单击“确定，机构设计的最终结果如图42所示。（4） 创建连接；1） 在“编辑”主菜单中选取“连接”选项，弹出“连接组件”对话框，如图43；2） 单击“运行”按钮，打开“确认”对话框，单击“是”按钮，完成连接的创建工作，如图44。 图43 “连接组件”对话框 图44 “确认”对话框（5） 创建运动分析；1） 单击“运动分析”按钮，系统打开如图“分析定义”对话框；2） 在“类型”下拉列表框中选择“运动学”选项，并把运动“终止时间”栏的值修改为“60”，接着单击“运行”按钮，观察齿轮油泵的运动情况；3） 完成上述操作后，单击“确定”按钮关闭“分析定义”对话框，完成运动分析创建。（6） 回放结果并制作多媒体播放文件。1） 单击“回放以前的运动分析”按钮，系统弹出如图所示“回放”对话框如图45，单击其中“回放”按钮，打开如图所示“动画”对话框如图46； 图45 “回放”对话框 图46 “动画”对话框2） 在动画对话框中可以单击“播放”按钮观察仿真结果；单击“停止”按钮结束运动仿真；单击“捕获”按钮打开“捕获”对话框如图所示。单击其中的“浏览”按钮，弹出“保存副本”对话框，在次选择文件的保存路径，选择保存格式并填写文件名称。完成后单击“捕获”对话框中的“确定”按钮，开始媒体播放文件的制作。4.2 齿轮油泵工作原理动画仿真外啮合齿轮泵的工作原理：在泵的壳体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧有端盖盖住。壳体、端盖、齿轮的各个齿间槽组成啦许多密封工作腔。当齿轮旋转时，右侧吸油腔由于相互啮合的齿轮逐渐脱开，密封工作腔容积逐渐增大，形成部分真空，邮箱中的油液被吸进来，将齿间槽充满，并随着齿轮旋转，把油液带到左侧压油腔去。在压油区一侧，由于齿轮主逐渐进入啮合，密封工作腔容积逐渐减少，油液便被挤进去。吸油区和压油区是由相互啮合的齿轮以及泵体分割开的。在齿轮油泵机构仿真设计中，注重运动学的仿真和数据分析，对齿轮的内部工作原理展示不充分。下边设计为在组件中装入“箭头”零件，表示油液流动方向。（1） 在组建“gear_pump_model.asm”中组装“箭头”零件，结果如图47所示； 图47 装配结果 图48 装配体前视图（2） 进入“机构”模式，按先前步骤定义齿轮副和齿轮轴1的伺服电动机“ServoMotor1”；（3） 定义箭头向左运动的伺服电动机“ServoMotor2”，在“轮廓”选项卡中定义速度为10，方向如图49所示；图49 电动机方向（4） 定义箭头向左运动的伺服电动机“ServoMotor2”，考虑到动画效果，在“轮廓”选项卡中定义速度改为电动机1的10倍：100，方向如图50所示；（5） 创建连接；1） 在“编辑”主菜单中选取“连接”选项，弹出“连接组件”对话框；2） 单击“运行”按钮，打开“确认”对话框，单击“是”按钮，完成连接的创建工作。（6） 创建运动分析；图50 电动机方向1） 单击“运动分析”按钮，系统打开如图“分析定义”对话框；2） 在“类型”下拉列表框中选择“位置”选项，并把运动“终止时间”栏的值修改为“64”，定义“电动机”如图51所示，接着单击“运行”按钮，观察齿轮油泵的运动情况；3） 完成上述操作后，单击“确定”按钮关闭“分析定义”对话框，完成运动分析创建。图51 “分析定义”对话框（7） 回放结果并制作多媒体播放文件。用Pro/E制作的简易工作原理动画可结合工作原理的FLASH动画，帮助理解齿轮泵工作原理。5 总结本文详细介绍了齿轮油泵的三维设计，从零件建模、零件装配设计到机构仿真。其中齿轮轴的设计采用了参数化设计，参数化设计是Pro/E的一个重要特点。重点描述了齿轮泵工作原理的动画设计，通过直观的三维动画，方便学生理解记忆，且充分调动学生的积极性，达到了降低教学成本，提高教学质量的目的。使用Pro/E仿真设计在展示油泵工作原理时，并不能展示油液的流动情况19，所以还要结合其它软件设计工作原理动画。致谢本次毕业设计是在指导老师的悉心指导下完成的。指导老师具有严谨的治学态度和较高的理论水平，在治学及做人方面使我受益匪浅。衷心感谢老师对我的关心指导和帮助。同时对于大学几年来关心过、指导过、给予我以帮助的老师一并表示感谢。非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的环境条件。通过这次毕业设计，不但使我能够将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。我对指导老师表示崇高的敬意和诚挚的感谢！参考文献1 谢晓华.浅谈ProENGINEER的三维技术在机械专业教学中的应用 J.湖南科技学院学报,2005(05)：2872882 刘明光 ，蒋立军. 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