本章主要講解機械零件設計的方法

1、第1章Pro/ENGINEER機械零件設計基礎本章主要講解機械零件設計的方法，介紹了機械設計的基本要求和順序、機械零件設計和計算機輔助設計方法。重點介紹了利用Pro/ENGINEER進行機械零件設計的步驟和技巧，從而使讀者對設計方法有了初步的認識和了解，為后面講解具體的零件設計奠定基礎。1.1 機械零件設計概述在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，機械是不可缺少的組成部分，它是由若干個機械零件組成，機械零件簡稱為零件。下面介紹一下機械零件和設計方法。1.1.1 機械零件簡介零件通常分為兩大類，一類是通用零件，它的特點是經(jīng)常、大量、反復出現(xiàn)在各種機械的組成結構中，如螺栓與螺母、帶與帶輪、軸與軸承、齒輪或蝸輪、彈簧等零

2、件。另一類是專用零件，它的特點是在專用機器上使用，如起重機的吊鉤、發(fā)動機的曲軸、汽輪機的葉片等。本書后面所講的機械零件設計的實例也包括了這兩大類的零件。下面講一下零件的三化：第一個是標準化，是指在不同類型、不同規(guī)格的各種機械中，將同類零件的結構形式、尺寸、材料等限定在合理的數(shù)量范圍內(nèi)。第二個是系列化，主要是指根據(jù)要求，按照一定規(guī)律優(yōu)化組合零件系列。第三個是通用化，主要是指最大限度地減少和合并零件的傳動形式、尺寸和材料品種等。多采用三化，能在設計中減少過失、節(jié)省時間、加快進程、提高設計質量；同時為專門工廠集中大量生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，有利于節(jié)能節(jié)材，提高產(chǎn)品質量，降低生產(chǎn)成本。1.1.2 機械設計的基

3、本要求和順序機械設計的基本要求，首先要滿足它在工作中的職能要求，即在預期壽命內(nèi)，能夠高效率地完成它的工作使命，而本身具有體積小、重量輕、易于加工、成本低廉、維修方便、安全可靠、操作靈活等特點。1機械設計的順序機械設計沒有固定的順序，常因具體條件不同而異，但一般的設計順序如下。1 / 任務分析、調(diào)查研究、擬定方案對所接受的設計任務，首先應明確機械的工作條件和工作要求、職能范圍和技術指標、制造的技術條件和設備條件等，帶著問題進行深入的調(diào)查研究。根據(jù)設計要求和調(diào)研資料進行分析，擬定設計初步方案。2 / 建立力學模型、計算零件主要參數(shù)和尺寸初步方案擬定后，根據(jù)力學理論和方法，建立盡可能與設計系統(tǒng)一致的

4、力學模型，進行模擬分析與驗證，其主要內(nèi)容為運動學、動力學、零件載荷和計算工作能力。當然如果有需要和可能還要考慮摩擦學、優(yōu)化和可靠性問題，以提高方案先進性和可靠程度，繼而確定機械所需功率和工作效率，選擇材料，算出主要參數(shù)和尺寸。3 / 結構設計、制圖和編寫設計說明書當主要參數(shù)和尺寸確定以后，就應描繪機械的結構方案圖紙（草圖），草圖的設計計算、結構設計、修改描繪應是穿插交叉、反復校正的過程。待正式的裝配圖完成以后，再繪制零件圖，最后補充說明書和其他技術文件。2機械零件設計的步驟下面來介紹一下機械零件設計的步驟。 根據(jù)機械的工作要求和工作條件，選定零件的類型。 按照力學方法去確定零件的載荷，選用適合

5、的材料，擬定零件的工作能力準則計算出滿足工況要求的主要尺寸。 進行結構設計，將計算所得的尺寸結合整體部件在使用上、結構上、工藝上的要求予以協(xié)調(diào)。 繪制零件工作圖紙，圖上應注明配合公差、加工要求，材料及技術條件要求等。1.1.3 計算機輔助零件設計隨著計算機的普及，機械零件設計越來越多地利用計算機的輔助設計方法。例如利用計算機繪制零件圖紙，進行零件的各種參數(shù)計算等，Pro/ENGINEER就是這些計算機輔助設計軟件中的佼佼者。Pro/ENGINEER是由美國參數(shù)技術公司（Parametric Technology Corporation）公司1989年推出的，目前，Pro/ENGINEER在20

6、01版本的基礎上推出了全新的Wildfire版本，該版本的操作在2001版本的基礎上進行大幅度的改動，極大簡化了用戶操作步驟，更加方便人機交流，界面緊湊合理，并將當今領先的設計思想融入到整個設計流程中，極大地提高了工作效率，實測數(shù)據(jù)顯示，較之2001版，其操作性方面的提高使設計效率最高可提高40%。Pro/ENGINEER在機械零件設計上最重要的一個特點是參數(shù)式設計，就是將零件尺寸的設計用參數(shù)來描述，并在設計修改時通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。Pro/ENGINEER中的參數(shù)不只代表設計對象外觀的相關尺寸，還具有實質上的物理意義。例如可以運用系統(tǒng)參數(shù)(如體積、表面積、重心、三維坐標等)，

7、或用戶按照設計流程需求將自己定義的用戶定義參數(shù)(如密度、厚度等具有設計意義的物理量或字符)加入設計構思中，來表達設計思想。這項參數(shù)式設計的功能不但改變了設計的概念，還將設計的便捷性推進了一大步。下面，就來介紹一下Pro/ENGINEER參數(shù)式設計的特性，主要有以下幾個方面。1真實3D模型在Pro/ENGINEER中，設計出的模型是真實的3D模型，彌補了傳統(tǒng)面結構、線結構的不足。這些3D實體模型除了可以將用戶的設計思想以最真實的模型在計算機上表現(xiàn)出來之外，借助于系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、重心、重量、慣性大小等，以了解產(chǎn)品的真實性，并可以進行進一步的組件裝配等的運算。用戶在產(chǎn)品

8、設計過程中，可以隨時掌握以上重點，設計物理參數(shù)，并減少人為計算時間。2以特征作為設計的單位Pro/ENGINEE的特征方式是基于人性化設計的，初次使用Pro/ENGINEER的用戶肯定會對特征感到親切，Pro/ENGINEER正是以最自然的思考方式從事設計工作，如孔、開槽、做成圓角等均被視為零件設計的基本特征。除了充分掌握設計思想之外，它還在設計過程中導入實際的制造思想；也正因為以特征作為設計的單元，所以可隨時對特征做合理、不違反幾何原理的順序調(diào)整、插入、刪除、重新定義等修正動作。3單一數(shù)據(jù)庫Pro/ENGINEER 可隨時由3D實體模型產(chǎn)生2D工程圖，而且自動標識工程圖尺寸。不論是在3D還是

9、2D圖形上進行尺寸修正，其相關的2D圖形或3D實體模型均自動修改，同時組合、制造等相關設計也會自動修改，這樣可確保數(shù)據(jù)的正確性，并減少反復修正所耗費的時間。由于采用單一數(shù)據(jù)庫，提供了所謂雙向關聯(lián)性的功能，這也正符合了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中同步工程的思想。4參數(shù)式設計配合單一數(shù)據(jù)庫，所有設計過程中所使用的尺寸(參數(shù))都存在數(shù)據(jù)庫中，修改CAD模型及工程圖不再是一件難事，設計者只需更改3D零件的尺寸，2D工程圖、3D組合、模具等就會依照尺寸的修改做幾何形狀的變化，以達到設計修改工作的一致性，避免發(fā)生人為改圖的疏漏情形，且減少許多人為改圖的時間和精力消耗。也正因為有參數(shù)式的設計，用戶才可以運用強大的數(shù)學運算方式

10、，建立各尺寸參數(shù)間的關系式，使得模型可自動計算出應有的外型，避免尺寸逐一修改造成的繁瑣費時，并減少錯誤的發(fā)生。1.2 Pro/ENGINEER零件設計方法對于使用Pro/ENGINEER Wildfire中文版進行零件設計的設計師來說，掌握好的設計方法和設計習慣是很重要的。下面就來介紹一下Pro/ENGINEER零件設計的通用方法。1.2.1 設置設計環(huán)境一般來說，用戶通常是在按默認設置安裝完成Pro/ENGINEER Wildfire中文版后，就直接通過雙擊桌面圖標或通過“開始”程序菜單來啟動Pro/ENGINEER Wildfire中文版了。但是，此時Pro/ENGINEER Wildfi

11、re中文版默認的工作目錄一般在操作系統(tǒng)安裝盤上的Documents and Settings當前用戶名目錄下，而并不是用戶希望的目錄。另外，即使初始工作目錄設置合理了，在Pro/ENGINEER Wildfire工作時，還會產(chǎn)生很多軌跡跟蹤文件trail.txt.x，這樣的文件會隨著工作的持續(xù)而不斷地增多，雖然可以手工刪除，但是同樣會影響到工作目錄的直觀以及軌跡文件的重用。這些問題的解決都可以通過初始化配置文件來實現(xiàn)，下面來具體講解。1設置工作目錄設置工作目錄在大多數(shù)的書籍和幫助中都告訴用戶在啟動Pro/ENGINEER Wildfire中文版后，選擇“文件”“設置工作目錄”命令來設定，但是，

12、當用戶關閉Pro/ENGINEER Wildfire中文版，下次再啟動后以及每次啟動后都還得再設置一次，從長遠來看并不方便。實際上在Windows中，只需更改桌面圖標的屬性就可以“永久”設定需要的工作目錄了。具體操作如下。 首先在桌面圖標上右擊，在彈出的菜單中選擇“屬性”命令，如圖1-1所示。圖1-1 打開“快捷方式 到proe 屬性”對話框，在其中的“起始位置”文本框中輸入希望的工作目錄后單擊“確定”按鈕即可，以后只要用此快捷方式啟動即可直接設定需要的工作目錄。根據(jù)此思想，如果用戶當前有n個項目，需要經(jīng)常性地使用不同的工作目錄，只需在桌面上建立n個快捷方式即可方便地調(diào)用了，如圖1-2所示。圖

13、1-22設置軌跡文件目錄所謂軌跡文件是指在Pro/ENGINEER Wildfire中文版運行時，根據(jù)用戶的操作將所有的操作過程同步記錄在硬盤上的一種方式，可以看作是用戶整個操作過程的全程錄像，即跟蹤軌跡文件。這個文件的作用一是可以使其他工程師極為直觀地了解某一模型的制作過程、制作思想，二是可以在一個模型一直未存盤的情況下，當出現(xiàn)突然事件（如斷電）時，不會丟失數(shù)據(jù)，因為用戶可以通過重放“錄像”（即重載軌跡文件）的方式將斷電前的模型數(shù)據(jù)完整地恢復。前面講過，這個軌跡文件的默認存放目錄就是用戶所設定的工作目錄，根據(jù)軌跡文件的生成特點，可以知道軌跡文件的增加速度遠大于模型文件的增加速度，這樣用戶在工

14、作目錄中想找一個模型文件時會比較繁瑣，所以本節(jié)的目的就是說明如何將軌跡文件統(tǒng)一放到一個目錄中去。具體操作如下。在工作目錄下新建一個文本文件，命名為，然后用記事本打開，在其中設定一個參數(shù)trail_dir的值為軌跡文件存放目錄，其格式如圖1-3所示，為：trail_dir e:xxx編輯完成后保存即可。圖1-3文件就是Pro/ENGINEER Wildfire的配置文件，這個文件中可以配置幾百項用于控制Pro/ENGINEER Wildfire運行的參數(shù)，并且文件本身還有三種不同的權限版本用于針對不同級別的設計師的參數(shù)優(yōu)先級控制。關于配置文件具體的功能介紹

15、在市面上其他書籍的高級部分以及Pro/ENGINEER Wildfire自身的幫助中均有詳細的描述。限于本書的編制目的，本節(jié)只介紹最基本的配置項。3設置界面語言Pro/ENGINEER Wildfire的界面語言本身就是一個模塊，可以通過配置文件來定義其顯示方式，共有三種顯示方式：只顯示英文，只顯示中文，同時顯示中英文。其設置方式如下。在文件中設置參數(shù)menu_translation的值：menu_translation no只顯示英文menu_translation yes只顯示中文menu_translation both同時顯示中英文1.2.2 選擇特征類型在基本環(huán)境

16、設置好之后，就可以啟動Pro/ENGINEER Wildfire開始零件設計。那么在設計之前，首先要確定要設計的是什么樣的特征，然后才能根據(jù)選擇的特征來進一步設計。一般有兩種情況，一是剛開始設計，界面中什么特征（指實體特征）也沒有，這時選擇的特征就稱為第一特征；二是已經(jīng)有了第一特征或幾個特征，要在此基礎上繼續(xù)建立特征，這時選擇的特征可以叫后續(xù)特征，這種情況下可選的特征類型比較多。事實上，任何復雜的機械零件，都可以看成是由一些簡單的特征經(jīng)過相互之間的疊加、切割或相交組合而成。一個零件的建模過程，實際上就是許多個簡單特征相互之間的疊加、切割或相交的操作過程。一個零件的三維實體建模的工作流程圖如圖1

17、-4所示。啟動Pro/ENGINEER進入零件設計模式分析零件特征確定特征創(chuàng)建順序創(chuàng)建與修改基本特征創(chuàng)建與修改其他構造特征完成所有特征保存零件模型圖1-4特征的生成順序很重要，不同的建模順序雖然可以構造出同樣的實體零件，但構造出來的實體零件結構卻具有不同的穩(wěn)定性、可修改性、可理解性及使用性。通常，實體零件越復雜，其穩(wěn)定性、可靠性、可修改性、可理解性就越差。因此，在技術要求允許的情況下，應盡量簡化實體零件的特征結構，即在實體零件建模過程中，能用單個體素定義特征時，就應盡量使用單個體素。在零件建模過程中，Pro/ENGINEER最先建立的那個特征就是基本特征，一般使用零件的第一個實體特征作為該零件

18、的基本特征，它代表零件最基本的形狀，零件其他特征的創(chuàng)建往往依賴于基本特征。因此，基本特征應能反映零件的主要形狀。在創(chuàng)建基本特征時還要注意要方便創(chuàng)建其他特征。除了實體特征作為基本特征外，實際上，Pro/ENGINEER建模時常用3個默認正交基準平面作為基本特征。尤其當?shù)谝粋€實體特征是球體、圓環(huán)等特征時，更需要首先定義正交基準平面，因為這些特征本身沒有平面，無法為后面的特征創(chuàng)建提供幫助。另外，默認基準平面可在零件裝配等許多方面為用戶提供方便。鑒于正交基準平面的諸多優(yōu)越性，Pro/ENGINEER系統(tǒng)建議用戶使用正交基準平面特征作為零件建模的基本特征（注意與第一特征的概念區(qū)別）。第一特征可選的類型如

19、圖1-5所示，后續(xù)特征可選的類型如圖1-6所示。 圖1-5圖1-6但不管是選擇插入第一特征還是后續(xù)特征，其操作界面基本是相同的。1.2.3 繪制截面在確定了進行哪一種特征的設計后，下一步的工作一般就是針對這種特征進行截面的繪制，因為所有的三維特征都是由二維截面通過一定的空間運動產(chǎn)生的，所以要生成三維實體，首先就要繪制合適的截面。接下來以拉伸為例說明如何進入到截面繪制。拉伸（Extrude）在Pro/ENGINEER Wildfire中文版中的打開方法有兩種。方法一：在界面右邊的工具欄中單擊按鈕，進入拉伸的操作界面。方法二：選擇“插入”“拉伸”命令，則進入拉伸的操作界面。拉伸具體操作步驟如下。 在工具欄中單擊按鈕，打開“新建”對話框，在其中選擇“零件”、“實體