proe在机械设计当中应用

. . . . PRO/ENGINEER技术在产品设计当中的应用摘 要经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。从最早的手工绘图，到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，并且以后还会有更先进的设计手段出现。本文介绍与应用了PRO/ENGINEER造型设计中的参数化设计方式，涉与到了孔特征、倒圆角、螺旋扫描、阵列特征等的设计方法。然后通过PRO/ENGINEER的组件的应用程序里的机构功能实现动态仿真，实现了产品的设计，模拟装配，模拟运行等过程，充分体现了PRO/ENGINEER在机械产品设计当中的应用价值与应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势。关键词：Pro/e参数化设计，汽车模型，动态仿真，装配ABSTRACTAfter a long time, the development of product design method in the constant improvement and progress, and constantly mature. From the earliest manual drawing, to 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 characteristics. 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 application prospects of the related material discussed the development trend of the 3d design.Keywords: Pro/e parametric design, car model, dynamic simulation, assembly13 / 16目录第1章pro/e软件的简介31.1 PTC公司与 pro/e软件的简介51.2 Pro/e软件与传统二维计算机辅助软件的比较6第2章 pro/e的功能92.1基于特征与参数化的设计92.2 pro/e与动态仿真122.2.1 产品组装与机构仿真的一般方法122.2.2 产品组装与机构仿真的一般步骤122.3 pro/e与ANSYS的有限元分析142.4 pro/e软件在逆向工程中的应用192.5 pro/e的CAM/CAE模块在设计中的应用21第3章 pro/e在产品设计中的应用实例233.1 PRO/E在减速箱设计中的应用233.2 PRO/E在汽车汽车覆盖件中设计中的应用253.2.1零件结构分析263.2.2产品数字化263.2.3 数据预处理273.2.4 模型重建273.3 PRO/E叉车模型建模与动态仿真应用实例283.3.1叉车模型零部件的三维造型293.3.2干涉检查和运动仿真31第4章三维计算机辅助设计软件的发展前景32结论34致35第1章pro/e软件的简介1.1 PTC公司与 pro/e软件的简介Pro/Engineer是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件与组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生与不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便。Pro/Engineer可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析与后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白与彩色打印机的二维和三维图形输出。1.2 Pro/e软件与传统二维计算机辅助软件的比较传统的计算机辅助设计系统主要是提供方便的设计工具和手段来辅助设计, 缺乏分析问题和解决问题的能力, 适用于解决算法型或确定型的任务问题。近几年来, 为了克服传统计算机辅助设计的不足, 人们将人工智能和专家系统技术应用于计算机辅助设计系统, 进行了智能计算机辅助设计系统的研究。众所周知, 机械产品设计不但涉与到一系列的计算公式、许多的设计标准和规以与制图技术, 而且还要用到许多非数值的经验性知识, 如开始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断；而设计过程最一个从“设计- 评价- 再设计直到产生最优设计结果”的反复过程, 这就更需要设计专家具有一定的知识性经验, 也就驱使着专家系统和计算机辅助设计进行结合。很显然, 概念设计是整个设计过程中最重要的一个阶段, 这一阶段是设计创造性最为集中的部分, 这一部分与问题的表达和理解的正确与否, 所提方案的优劣以与评价和决策的适当与否等有关, 它决定了最终设计的特色、水平和效益。传统的二维CAD系统起源于计算机图形学，其智能定位于图样绘制，没有从本身的需求来考虑，大多数停留在电子图版的水平。设计者用二维CAD系统来记录设计结果，设计活动只活动在设计者的头脑之中，当设计者应用二维CAD系统的时候，设计差不多已经结束。其局限性表现如下：(1) 只是一个绘图工具而并非设计工具，不能帮助设计者定义设计关系和设计约束，更不能储存和保持设计关系。(2) 没有可变型的产品模型。(3) 不支持设计的全过程，只能完成绘图等对提高企业竞争力不很重要的工作。(4) 缺乏智力性，只记录几何数据，缺乏语义信息，不能有效表达设计意图。(5) 对产品缺乏完善的分析系统和检索机制。由于概念设计的重要性, 一些学者提出了基于决策的概念设计过程模型, 并且用超文本做了技术实现。与过去的设计方法学模型相比, 决策模型并不规定设计过程应该怎样,设计师自始至终控制着设计的流程, 具有更大的灵活性； 与形式化模型相比, 决策模型并不被动地模拟设计过程, 而是抽取关键的语义和联系, 用以描述和支持设计过程, 与传统的计算机辅助设计方法相比, 它不仅记录设计的结果, 更强调记录和表达设计的过程。总之, 智能化是机械计算机辅助设计中极具有前途的研究领域。Pro/Engineer能较好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法:对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。从草图入手建模 设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的实体建模。从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方式。利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征造型。第2章 pro/e的功能2.2 pro/e与动态仿真产品装配与机构仿真是pro/e的一项重要功能。当设计师进行产品组装与机构仿真时，能将设计师的设计意图直观的进行表达，可以以动态的方式将产品进行模拟的运行，也能从中检验机构是否存在不合理的像干涉、自由度不满足等缺陷。总之该项功能对设计师提供重要帮助。2.2.1 产品组装与机构仿真的一般方法在pro/e的装配模块中，对产品组装与机构仿真提供了两种不同的装配方法。1产品装配的两种方法（1） 约束装配 当进行普通产品装配中，不考虑机构运动，或某些元件是固定不动的，那么在装配时可采用约束条件进行装配。（2） 连接装配当进行机构运动仿真时，其机构组装必须考虑到哪些元件是运动的，哪些元件是固定不动的，对运动的元件要采用连接条件进行装配。 其中约束装配仅仅时按系统提供的方式，将机构各元件按一定的连接方式进行组装。这样得到的只是一个相对直观的产品外观的展示。而要想实现机构的动态仿真，各元件的连接方式就必须采用“连接装配”。因为系统中所提供的连接方式具有不同的自由度，在装配过程中就要按照自己的装配关系意图，再采用相应的连接方式。这样“应用程序”中的“机构”分析模块中才能定义各种伺服电机的参数，得到预期的动态仿真过程。2.2.2 产品组装与机构仿真的一般步骤 为了实现相应机构在动态分析前的连接方式，下面介绍组装与分析图 2-5装配中的连接方式的一般步骤。根据各元件所要模拟的运动的不同，在图2-5中的11种连接方式中，选择要约束相应自由度的连接方式。然后按照下面的步骤进行：（1）使用约束条件将固定不动的零件或组件装配起来 （2） 使用连接条件将运动的零件装配起来（3） 进入机构模块。当以约束和连接条件将元件组装在一起之后，即可通过下拉式菜单“应用程序/机构”进入设计模块。（4） 手工拖动元件运动。进入机构模块后，选择拖动图标，手动拖拽元件，使元件按语定运动方式运动，以测定元件装配是否正确，机构运动方式是否合乎理想。如果元件装配正确，机构运动合乎理想，则进行下一步，否则回到组装环境重新组装。（5） 设置齿轮副、凸轮从动机构。如果机构中含有齿轮副或凸轮从动机构，则在机构组装并测试正确后，进行齿轮副或凸轮从动机构的设置，建立机构元件连接条件之间的关系，以便驱动。（6） 添加伺服电机。当连接完成设定后，即可设置伺服电机，以作为机构的动力来源。（7） 其他设定。如果运动复杂，还需要添加其他设置，如弹簧、力、转矩等。（8） 分析与仿真。当机构设置完成后，进行各种分析。如位置、运动学、动态等，并可根据分析获得结果报告。最终在动态仿真中的运动参数可以用一下图示为一例进行表达：图2-6 某动态仿真中选定三点的运动分析在动态仿真中能够进行简单的运动与受力分析，但是复杂的分析这里就不能显现出相应的作用与优势。这样就提出了下文的有限元分析。2.4 pro/e软件在逆向工程中的应用“逆向工程”（Reverse Engineering,RE）,也称反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游的反馈信息的回路。图2-9逆向工程过程目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAS模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍与许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要经过一定途径将实物样件转化为CAD模型，一起利用计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture,CAM）、产品数据管理（Product Data Management，PDM）与计算机集成制造系统（computer integrate manufacture system，CIMS）等先进技术对其进行处理或管理。同时，随着现代测试技术的发展，快速精确的获取食物的几何信息已变成事实。目前，CAMCAD系统中的一个研究与应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，“实物逆向工程”（简称实物逆向工程）可定义为；逆向工程时和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。 ProSCAN-TOOLS时一个专用的逆向设计模块，能通过数据点构造网格曲线（Style Cure），在给定误差围，检查出“坏”点，选定数据点作为参考点对曲线进行拟合、光滑处理。以网格曲线为基础构造网格曲面（Style Suface）、近似曲面（Approximate Surface）和骨架曲面（Skeleton Surface），也可以生成一种基础曲面（Underlying Surface），以测量点为参考点进行拟合。具有找色和反射线等曲面分析工具。和ProSURFACE模块配合使用，曲面生成后能转换为一薄壁实体，然后在实体上进行特征构造。由于ProEngineer软件的参数化特征功能，曲面、实体均以特征形式表现在造型树记录上，其修改和再定义也容易实现，为产品的创新设计带来方便。2.5 pro/e的CAM/CAE模块在设计中的应用PRO/E的CAM/CAE功能模块有：Pro/FEMPOST有限元分析、Pro/MECHANICACUSTOMLOADS载荷处理、Pro/MECHANICAMOTION装配体运动分析、Pro/MECHANICASTRUCTURE灵敏度优化分析、Pro/MECHANICATHERMAL热分析、Pro/MECHANICATIREMODEL路面分析、Pro/MECHANICAVIBRATION振动模、Pro/MECHANICAMESH有限元网格划分态分析。其CAM功能，提供了最佳的交给那个路径公职和创建智能化加工路径的功能，语序数控编程人员控制整体的加工路径知道最细节的部分。该软件还支持而普通加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。Pro/INTERFACE提供了PRO/E与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换格式，转换器支持由其他系统输入IGES、SET 、VDA、CGM、和DXF，PRO/E也输出信息到这些一样的标准中，同时也提供SLA文件等格式。PRO/LEGACY可以使工程师在PRO/E环境中对2D和3D数据文件进行维护，它的流畅的用户界面经过了优化处理，因此工程师可以在PRO/E环境中对模型的表面、现况等进行修改综合而不必重新生成。 PRO/MANUFACTURING从加工模块中生产加工工艺计划、刀具编程和时间价格比的估计。PRO/MANUFACTURING将工艺步骤与设计模块链起来，这样，当设计改变时，加工信息可自动生成。此模块支持的加工过程包括钻孔加工车削加工和直到五轴的铣削加工。PRO/MOLDESIGN用于模具部件和模具装配的设计，其包括浇注系统、浇道、浇槽等特征。并且允许用户做注模模拟PRO/MOLDESIGN为用户节省了大量的时间，并使用户的零件设计和模具设计并行进行。第3章 pro/e在产品设计中的应用实例3.1 PRO/E在汽车汽车覆盖件中设计中的应用据有关部门统计，到2008年，我国汽车总需求量约为1100万辆，基本车型将达220种，另有更新车型和改装车型430种。对于车型的更新，最主要的工作就是获得原有车型的几何模型（其型覆盖件的设计是整个新车型开发的关键），基于逆向技术（三坐标数据扫描）、CAD/CAM技术（曲面构建、模型重建）是目前获取几何模型应用最广的方法。根据逆向工程中研究对象的不同，逆向工程分为影像逆向、软件逆向、实物逆向等。就实物逆向而言，又包括形状（几何）逆向、功能逆向、材料逆向、工艺逆向，汽车覆盖件的逆向工程属于实物逆向。逆向工程研究容主要有两个方面，即产品数字化和曲面重构技术，它的两个主要发展领域是自由曲面的逆向工程和表面简单但具有复杂拓扑关系的逆向工程。图（3-4）a为某款汽车的车门零件，图（3-4）b分别为车门的外形和形表面形状，需获得该零件的几何模型。本部分结合逆向技术和CAD/CAM技术，应用三坐标测量机获得零件的点数据，然后在Pro/ENGINEER软件中完成其模型重建。图3-4某款汽车车门零件外形3.2.1零件结构分析在测量前，应该对零件形状结构进行必要的分析，针对零件的形状结构特点，有目的性地对零件进行测量。这样可以用较少的测量点（零件的特征点）即可反映出零件的形状，从而做到“事半功倍”。图（3-5）a所示的汽车覆盖件的外形为一个扫描曲面和一个自由曲面，扫描曲面需要确定扫描曲线和截面曲线，这里扫描曲线为一直线，因此，只需测量零件的截面形状；对于块所示的自由曲面，则可用放样曲面或混成曲面等方式来生成。该零件形有多处起伏和冲孔，其形状较为规则，只需测量各处的形状尺寸和定位尺寸即可，但需注意各组成部分间具有较高的位置度要求。3.2.2产品数字化数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据，数据采集是逆向工程的关键技术之一。目前，数据采集使用的方法很多，常用的有接触式测量法、非接触测量法和工业计算机断层扫描成像法等，G-90C三坐标测量机属于接触式测量法。该汽车覆盖件外形表面由两个曲面经过曲面延伸、曲面过渡、曲面裁剪等混合而成，为了减少测量数据，便于建立零件模型，将两个曲面进行分块测量，每个曲面使用不同的方法完成曲面重构。图（4-7）a所示为零件外形块截面所测得的测量点数据，图（4-7）b所示为零件外形块曲面所测得的测量点数据。ab图3-5 零件外形测量的特征点3.2.3 数据预处理通过测量设备所得到的点数据一般较多（尤其是应用激光测量设备所测得的数据有时多达几兆甚至几十兆），因此，在对这么多的点数据进行曲面重构前，应对数据进行必要的预处理。数据预处理一般包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据分割、数据对齐、零件对称基准面的构建等。这里，需要对图（3-5）b所示的测量数据分成两部分，即用来重构扫描曲面的测量点数据和用来重构自由曲面的测量点数据，每一部分拟合出一块曲面，然后通过曲面编辑方法（如曲面求交、曲面过渡等）将两块曲面合并构成一个完整的曲面。3.2.4 模型重建模型重建是指由测量点还原成实体，目前较为成熟的模型重建技术是通过构建曲面来实现模型重建，因此，构建曲面是模型重建的关键。曲面重构有基于点-样条的曲面重构和基于测量点的曲面重构，这里采用基于点-样条的曲面重构。基于点-样条的曲面重构即为由测量所得的点拟合出曲线，再由这些曲线生成曲面，图（3-6）a所示即为通过创建曲面、曲面编辑后所得的完整曲面。图（3-6）b、c所示为根据零件形所测得的数据，应用Pro/ENGINEER软件所得的零件实体模型。完成零件的实体造型后，可应用Pro/ENGINEER软件有关模具设计和数控加工的功能，便可快速完成模具设计和零件NC加工。进行数据测量时的注意事项:（1）当对曲面进行分块测量时，为了保证数据测量的完整性，各块之间需有一定的重叠量，以利于模型重建时数据的融合。（2）由于受到三坐标测量仪和零件的限制，外形数据和形数据的测量无法一次完成。因此，在测量外形数据和形数据时，需建立一个统一的坐标系，以保证数据的对齐。（3）在进行数据测量时，应根据零件的结构特点，定制和规划坐标测量时的扫描路径，扫描路径设置的优劣，对零件模型的重建具有较大的影响。(a) (b) (c)图3-6零件外形测量的特征点在汽车覆盖件模具设计制造中，应用基于CAD/CAM的逆向技术，可大大缩短模具设计制造的周期，这也适应汽车行业对产品进行快速更新的需要。致值此论文完成之际，心中充满了一片感激之情，在整个论文完成的过程中得到了我的指导老师占领老师的精心指导，在此要向他致以最崇敬的感。老师总是在百忙之中抽出时间来为我们解答论文设计过程中的疑惑，老师不愧是广大师生的表率，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。再次向老师献上诚挚的意。感我的室友和同学们，在论文完成的过程中在生活上和学习上给予我很大的帮助和支持，是他们不断给我自信，如今才能顺利完稿。感08材料班的全体成员，在这个大家庭中使我学会了宽容，忍让，团结与互助。大家在学习上互相交流，生活上相互帮助，再次衷心的向大家说一声。最后我要诚挚地感我的家人，是他们无微不至的关怀、一贯的体谅与支持，使我能在工作和学习上不断前进，他们是我努力工作和积极生活的精神支柱。向所有关心我的亲人、同学和朋友们表示深深的意！再次感学校给我们提供了这样一个理论与实践相结合的机会，使我们不但巩固了知识更锻炼了能力，也学到了很多东西。参 考 文 献1 力. 机械制图（第二版）.:高等教育，2004.72建中、何晓玲，机械设计基础课程设计. :高等教育，2009.33 建中.机械设计基础 .:高等教育，2007.84 晁北，solidworks2007中文版机械设计与典型例. :电子工业，2007.75 岩. PRO/ENGINEER Wildfire 3.0曲面建模实例精解. :机械工业，2007.16 小捞. PRO/ENGINEER Wildfire 2.0中文版教程. :人民邮电，2007.127 周四新，和青芳. PRO/ENGINEER Wildfire3.0 高级设计. :电子工业，2007.58 樊旭平. PRO/ENGINEER标准教程. ：清华大学，2009.69 雷，黄恺，高奇. PRO/E产品装配与机构仿真.：化学工业,2009.510 金涛. 逆向工程技术. ：机械工业， 2003.811 东北大学机械零经设计手册编写组.机械零件设计手册（第三版）上. ：冶金工业，1994.413 黎明，黄恺，恩至，仕贤.机械零件设计手册.国防工业，1988.314 徐灏.机械设计手册. 机械工业,2000.615 东北大学机械零经设计手册编写组.机械零件设计手册（第三版）下. ：冶金工业，1994