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【摘 要】用传统设计方法设计玉米播种机需要较长的周期，且二维图形不能直观的表达出三维的信息。为此，利用三维设计软件PRO/E软件对低破碎玉米脱粒机进行建立虚拟模型，找到了工作时脱粒装置的主要设计参数，并进行了相应的优化设计，为在实际应用及设计脱粒装置时关键点位置的确定提供了理论依据，从而确定出一套具有低破碎、低损伤的优选方案， 有效的帮助工程技术人员缩短研制周期，提高设计水平和工作效率。
【关键词】低破碎玉米脱粒机 脱粒装置 PRO/E软件 虚拟模型 关键点
随着面向对象技术及特征建模技术的发展，CAD已从单纯的模仿二维工程图样飞跃到三维实体造型。同时，当今虚拟现实技术的发展，使得CAD技术在工程设计中呈现越来越重要的地位。据统计，齿轮变速箱类产品的设计90%以上的工作是以修改原有的设计为主，而对原有设计的某些局部改动可能会形成迭代关系，牵涉到大量的变化。因此迫切需要建立产品各数据间的函数关系，使得局部的修改能自动实现全局修改，以保持产品的整体优化状态。
一、PRO/E参数化建模设计
近年来，随着三维几何模型技术的发展，设计人员可以直接在计算机显示器前构建和观察产品的三维型体和结构，设计结果可以用三维模型存储，也可由模型生成二維工程图。这种以三维几何模型为基础的CAD系统称为三维CAD系统。参数化设计是目前CAD应用技术中最重要的技术之一。参数化设计将零部件图形的描述分为三部分：图形的拓扑关系、图形的几何参数以及这些几何参数与图形结构参数之间的关系。它主要特点是：全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。这种设计技术特别适合于标准件和通用件的设计以及结构定型的系列产品设计。本文对变速箱的参数化特征建模设计就是基于Pro/ENGINEER这样的三维CAD系统。
二、PRO/E的主要特征
在Pro/E中，除了采用几何上的尺寸参数外，另具有由系统预先设定的系统参数，如体积、表面积、质心、空间坐标等，以及在设计过程中由设计者决定采用的用户参数，如密度、厚度等物理量或字符串。Pro/E以参数化的设计方式去驱动零件产品的设计过程，使设计过程的修改和产品零件的最终成行具有更大的柔性，使设计工作较之以前更方便、更灵活。除此之外，它在设计观念和方式方面的创新有：
（一）虚拟三维实体模型
Pro/E以计算机构造三维实体模型，以虚拟设计的方式表达了设计者对产品零件全部的创造构想，借助系统的预设参数，设计人员还可以方便地得到产品零件的体积、面积、质心、质量、惯性矩等有关信息，加上材质、色彩、灯光的渲染效果，更加逼真地再现或创造了自然界中的物体。这些显著的特点，弥补了以往面架构、线架构远离真实物体的缺陷，并大量减少了设计中人的计算时间。
（二）同步工程
单一的计算机绘制工程图或单一的CAD、CAM系统，使同一产品零件需要建立重复的资料数据库。这使设计工作繁杂、费工费时，又很容易出错，不便于同时修改。Pro/E由于在系统构造中采用了单一的资料数据库，因而成功地解决了这些问题。
设计过程中，设计者可随时根据需要更改三维零件尺寸，而二维工程图、三维组装件、模具等也会同时做正确的改变，这种同步相关性完全保证了各阶段的设计资料的一致性，并且延续到数控加工时相应的刀具路径均会自动改变，同时减少许多人为改图所消耗的工作时间，并避免因人的疏漏而产生重大的系统结构错误。此特性称为双向关联性，亦称为同步工程。这种特性避免了以往因各处重复修改而耗费时间的问题，并有效地保证单一资料数据库数据的可靠性。
（三）自然的特征设计方式
Pro/E以贴近工程自然结构的单元特征，辅以灵活强大的编辑修改、变换手段，完成产品的建模设计过程，如钻孔、挖槽。这样的特征构建实体模型除具有几何特征外，本身还包含着加工的信息，十分符合工程技术人员的日常习惯，因此，便于设计人员学习和掌握，设计人员可以用模型树、工具条以及其他位置的编辑操作，对特征单元进行顺序调整、插入、删除、重新定义等修改操作。
三、PRO/E环境下三维实体建模
常用的Pro/E创建零件模型的方法主要有以下两种：
一种是 “积木”式的方法：
这是大部分机械零件的实体三维模型的创建方法。即先创建一个反映零件主要形状的基础特征，然后在基础特征上添加其他的一些特征，如伸出、切口、倒角、圆角等。
另一种是由曲面生成零件的实体三维模型的方法：
先创建零件的曲面特征，然后把曲面转换成实体模型。
在设计过程中，多种设计方法结合使用，不但可以提高建模速度，而且可以保证尺寸的准确性。将各个零件都装配到一起组成子装配，再将各子装配组装到一起，最后就形成了整机模型和整机装配的模型如图1所示。
四、PRO/E模型的质量与重心计算
在Pro/E的零件模式和装配模式下，都可以进行模型分析。通过分析可以计算出模型的体积、质量、重心、惯性张量、转动惯量和转矩等。本设计中强调在保证脱粒机正常工作的前提下，尽量减轻其重量，并使其重心尽量在中间以减小脱粒机电机引起的振动，因此在模型建立完成后，计算模型的质量和重心位置对于分析整体结构的合理性具有一定意义。首先对原始设计的模型进行分析。总装配模型的坐标系原点在机架的左上角点部位（如图2所示的ASM_DEF_CSYS），模型分析结果中的尺寸值都是相对于这一坐标系而言的。在总装配图完成以后，通过模型分析进行质量与重心的分析计算。设置过程中会弹出对话框要求输入各零件的比重，完成全部的零件的比重输入后Pro/E即开始计算。在本模型中，几乎全部材料都同一采用密度为7.8×10-9 t/mm3 45钢材（除皮带外）。故计算的重心坐标如图7-3所示。
将模型的材料（不包括皮带），密度（7.8×10-9 t/mm3 ）输入进行分析后，分析窗口的结果栏所显示的本机模型的分析结果如图3所示：
质量为1.17t，相对重心坐标为：（1014，-126，380），体积是：1.5×108mm3，平均密度：7.8×10-9 t/ mm3，也包括惯性张量、重心的惯性张量等。
整机模型都是在PRO/E软件环境下设计的，设计过程中充分引用了该软件的参数化造型，体现了先进的CAD软件下能够完成该机的设计工作。
随着计算机应用技术的发展，CAD技术在世界范围内得到广泛的应用，先进的应用工具使得人们的工作效率和工作质量得到了大大的提高。采用三维设计方法取代传统的二维设计方法，使设计过程可视化，设计结果直观明了，有利于提高设计质量；参数化设计使得零件的修改和由原型零件演绎出新的零件更加捷，有利于提高设效率。
参考文献：
[1]何晓鹏，刘春和，师建芳，王广万.挤搓式玉米脱粒机的研制.2003.3，农业工程学报.
[2]李心平，高连兴马福丽，玉米种子脱粒特性的试验研究.2007.2，农机化研究.
[3] 余林. Pro/E 辅助设计标准教程. 北京理工大学出板社. 2007.
[4] 江鹏，高亚明. 基于Pro/E的齿轮变速箱参数化建模设计. 计算机应用技术， 2006.
[5] 赵春章. Pro/ENGINEER机械零件波计教程. 海军出版社.
作者简介：王云德，男，出生于1981年9月，籍贯：甘肃民勤，职称：大学讲师，研究方向：机械设计、制造及其自动化方向。
【关键词】低破碎玉米脱粒机 脱粒装置 PRO/E软件 虚拟模型 关键点
随着面向对象技术及特征建模技术的发展，CAD已从单纯的模仿二维工程图样飞跃到三维实体造型。同时，当今虚拟现实技术的发展，使得CAD技术在工程设计中呈现越来越重要的地位。据统计，齿轮变速箱类产品的设计90%以上的工作是以修改原有的设计为主，而对原有设计的某些局部改动可能会形成迭代关系，牵涉到大量的变化。因此迫切需要建立产品各数据间的函数关系，使得局部的修改能自动实现全局修改，以保持产品的整体优化状态。
一、PRO/E参数化建模设计
近年来，随着三维几何模型技术的发展，设计人员可以直接在计算机显示器前构建和观察产品的三维型体和结构，设计结果可以用三维模型存储，也可由模型生成二維工程图。这种以三维几何模型为基础的CAD系统称为三维CAD系统。参数化设计是目前CAD应用技术中最重要的技术之一。参数化设计将零部件图形的描述分为三部分：图形的拓扑关系、图形的几何参数以及这些几何参数与图形结构参数之间的关系。它主要特点是：全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。这种设计技术特别适合于标准件和通用件的设计以及结构定型的系列产品设计。本文对变速箱的参数化特征建模设计就是基于Pro/ENGINEER这样的三维CAD系统。
二、PRO/E的主要特征
在Pro/E中，除了采用几何上的尺寸参数外，另具有由系统预先设定的系统参数，如体积、表面积、质心、空间坐标等，以及在设计过程中由设计者决定采用的用户参数，如密度、厚度等物理量或字符串。Pro/E以参数化的设计方式去驱动零件产品的设计过程，使设计过程的修改和产品零件的最终成行具有更大的柔性，使设计工作较之以前更方便、更灵活。除此之外，它在设计观念和方式方面的创新有：
（一）虚拟三维实体模型
Pro/E以计算机构造三维实体模型，以虚拟设计的方式表达了设计者对产品零件全部的创造构想，借助系统的预设参数，设计人员还可以方便地得到产品零件的体积、面积、质心、质量、惯性矩等有关信息，加上材质、色彩、灯光的渲染效果，更加逼真地再现或创造了自然界中的物体。这些显著的特点，弥补了以往面架构、线架构远离真实物体的缺陷，并大量减少了设计中人的计算时间。
（二）同步工程
单一的计算机绘制工程图或单一的CAD、CAM系统，使同一产品零件需要建立重复的资料数据库。这使设计工作繁杂、费工费时，又很容易出错，不便于同时修改。Pro/E由于在系统构造中采用了单一的资料数据库，因而成功地解决了这些问题。
设计过程中，设计者可随时根据需要更改三维零件尺寸，而二维工程图、三维组装件、模具等也会同时做正确的改变，这种同步相关性完全保证了各阶段的设计资料的一致性，并且延续到数控加工时相应的刀具路径均会自动改变，同时减少许多人为改图所消耗的工作时间，并避免因人的疏漏而产生重大的系统结构错误。此特性称为双向关联性，亦称为同步工程。这种特性避免了以往因各处重复修改而耗费时间的问题，并有效地保证单一资料数据库数据的可靠性。
（三）自然的特征设计方式
Pro/E以贴近工程自然结构的单元特征，辅以灵活强大的编辑修改、变换手段，完成产品的建模设计过程，如钻孔、挖槽。这样的特征构建实体模型除具有几何特征外，本身还包含着加工的信息，十分符合工程技术人员的日常习惯，因此，便于设计人员学习和掌握，设计人员可以用模型树、工具条以及其他位置的编辑操作，对特征单元进行顺序调整、插入、删除、重新定义等修改操作。
三、PRO/E环境下三维实体建模
常用的Pro/E创建零件模型的方法主要有以下两种：
一种是 “积木”式的方法：
这是大部分机械零件的实体三维模型的创建方法。即先创建一个反映零件主要形状的基础特征，然后在基础特征上添加其他的一些特征，如伸出、切口、倒角、圆角等。
另一种是由曲面生成零件的实体三维模型的方法：
先创建零件的曲面特征，然后把曲面转换成实体模型。
在设计过程中，多种设计方法结合使用，不但可以提高建模速度，而且可以保证尺寸的准确性。将各个零件都装配到一起组成子装配，再将各子装配组装到一起，最后就形成了整机模型和整机装配的模型如图1所示。
四、PRO/E模型的质量与重心计算
在Pro/E的零件模式和装配模式下，都可以进行模型分析。通过分析可以计算出模型的体积、质量、重心、惯性张量、转动惯量和转矩等。本设计中强调在保证脱粒机正常工作的前提下，尽量减轻其重量，并使其重心尽量在中间以减小脱粒机电机引起的振动，因此在模型建立完成后，计算模型的质量和重心位置对于分析整体结构的合理性具有一定意义。首先对原始设计的模型进行分析。总装配模型的坐标系原点在机架的左上角点部位（如图2所示的ASM_DEF_CSYS），模型分析结果中的尺寸值都是相对于这一坐标系而言的。在总装配图完成以后，通过模型分析进行质量与重心的分析计算。设置过程中会弹出对话框要求输入各零件的比重，完成全部的零件的比重输入后Pro/E即开始计算。在本模型中，几乎全部材料都同一采用密度为7.8×10-9 t/mm3 45钢材（除皮带外）。故计算的重心坐标如图7-3所示。
将模型的材料（不包括皮带），密度（7.8×10-9 t/mm3 ）输入进行分析后，分析窗口的结果栏所显示的本机模型的分析结果如图3所示：
质量为1.17t，相对重心坐标为：（1014，-126，380），体积是：1.5×108mm3，平均密度：7.8×10-9 t/ mm3，也包括惯性张量、重心的惯性张量等。
整机模型都是在PRO/E软件环境下设计的，设计过程中充分引用了该软件的参数化造型，体现了先进的CAD软件下能够完成该机的设计工作。
随着计算机应用技术的发展，CAD技术在世界范围内得到广泛的应用，先进的应用工具使得人们的工作效率和工作质量得到了大大的提高。采用三维设计方法取代传统的二维设计方法，使设计过程可视化，设计结果直观明了，有利于提高设计质量；参数化设计使得零件的修改和由原型零件演绎出新的零件更加捷，有利于提高设效率。
参考文献：
[1]何晓鹏，刘春和，师建芳，王广万.挤搓式玉米脱粒机的研制.2003.3，农业工程学报.
[2]李心平，高连兴马福丽，玉米种子脱粒特性的试验研究.2007.2，农机化研究.
[3] 余林. Pro/E 辅助设计标准教程. 北京理工大学出板社. 2007.
[4] 江鹏，高亚明. 基于Pro/E的齿轮变速箱参数化建模设计. 计算机应用技术， 2006.
[5] 赵春章. Pro/ENGINEER机械零件波计教程. 海军出版社.
作者简介：王云德，男，出生于1981年9月，籍贯：甘肃民勤，职称：大学讲师，研究方向：机械设计、制造及其自动化方向。