Pro/e软件在机械设计与制造中的应用

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  【摘 要】 在机械设计中使用Pro/e软件具有直观、方便的优点,可实现全参数化、变量化设计,并且可以进行静态和动态干涉检测、有限元分析和优化设计,可大大缩短机械设计周期,提高设计效率和质量。
  【关键词】 Pro/e软件;机械设计;机械制造应用
  一、Pro/e软件的介绍
  Pro/e软件是上世纪美国参数技术公司研发的一种三维工程设计软件,由于三维软件的功能强大,参数化特征成型,使得Pro/e软件在产品零件设计、装配、模具开发产品加工及制造、工业设计、汽车设计制造、玩具等行业得到广泛应用。Pro/e软件是集Pro/Desinger、Pro/M的造型设计和仿真设计于一体的全方位的3D设计软件。可以使设计人员用较短的时间设计开发产品。下面我们就Pro/e软件的特征和主要模块进行简单的介绍。
  主要特性:
  1、全相关性:
  所谓全相关性是指Pro/e软件的全部模块是全相关的。这也就是说,如果在开发某种产品时对某处进行更改,就可以扩展到整个产品的设计中,与此同时,诸如包装体、制造数据以及设计图纸等所有工程文档都会更新。由于全相关性在开发周期的任一点进行修改却对设计来说没有一点损失,还可以使并行工程成为可能性,所以Pro/e软件可以实现开发后期的某些功能提前发挥。
  2、基于特征的参数化造型
  Pro/e软件的产品的几何模型的构造要素是以设计人员较为熟悉的特征。而且这些特征都是设计人员较为熟悉的通用机械对象,并且我们可以按照预先设置进行修改。我们通过给在装配、加工、制造和其他学科领域都使用的特征设置参数,然后再通过参数修改,很容易的进行多次设计叠代,从而实现机械产品开发。
  2、数据管理
  为了实现产品尽快投入市场,我们必须在较短的时间内开发最多的产品,为了达到这样的目标,我们需要更多学科的工程师在同一时间对一个产品进行研发。基于此,数据管理模块的研发成功使之成为可能。数据管理模块就是用于管理并行工程中的同一时间进行的所有工作。
  4、装配管理模式
  Pro/e软件可以保证在实现一些直观命令时较容易地把零件装配起来,还可以保持产品设计意图不变。Pro/e软件的高级功能支持大型、复杂装配體的管理以及构造,并且这些装配体中的零件数量不受到约束。Pro/e软件还有一个鲜明的特点就是易于使用,菜单用直观的方式联级出现,并提供逻辑选项以及预先选取的常用选项。
  二、Pro/e软件的功能和应用
  1、Pro/e软件可以直接画出机械零件的三维图
  Pro/e软件实现画出三维图形是通过在设计人员画出机械二维图形后,使用该软件把二维截面图进行旋转、拉伸、倒角、放样和布尔运算等操作后形成我们所需要的3D实体模型。这些模型在Pro/e软件界面上可以直接显示,并可以进行尺寸的修改还可以检查结构等方面是否符合设计要求和标准。
  2、利用Pro/e软件组建设备的三维装配图
  设计人员是通过把机械零件组装后,然后形成3D装配图,再通过该软件上的组合键,从任意角度去观察零件抑或装配图的三维视图。并且通过3D装配图,设计人员可以较容易地发觉零件设计的是否合理、规范。假如不合理,或者比例失衡,设计人员可以对其进行及时的修改,这样不仅使零件组装达到合理性、协调性,还可以避免零件出现构造上的干涉,即使出现了干涉,也可以即使修改,使之达到设计规范要求。这比传统的设计方法省力、省时,且效率高。
  3、Pro/e软件计算零件、组件重量以及表面积
  在设计人员完成一个零件或组件后,往往需要确定它的外形尺寸、重量、表面积等,我们利用Pro/e软件就可以很方便地计算出零件或组件的外形尺寸、表面积或重量。
  4、Pro/e软件生成工程图纸
  在生成二维工程图纸前,我们设计人员是在建立了3D实体模型后,利用Pro/e软件对三维实体图进行各个方位的观察,如果图形符合设计要求就可以利用此三维实体模型,在生成三维视图后,设计人员还可以生成任意位置的剖面视图,然后对其进行一些修改和尺寸标注。
  5、利用Pro/e软件可以生成真实感较强的动画图像
  在设计人员完成3D实体模型后,我们可以将该模型和3DMAX等软件结合起来,通过调整灯光布置场景并加以一些材料等,可以生成真实的机器模型动画图像。
  另外,我们利用Pro/e软件可以对设计的机械零部件进行动力学以及动力学的分析,通过分析得到每个点的运动学和动力学的参数,并且通过对机械零部件的曲率以及应力挠度进行分析从而得到机械机构的优化设计。
  另外,Pro/e软件还建立了统一的且较为完善的数据管理模型。Pro/e软件通过本身的极其强大的统一数据管理和参数设计特点,实现了特征的尺寸驱动与三维实体和二维工程图的双方关联驱动、标准件建立、零部件的组装、动态仿真、实体模型的建模等功能,克服了2D图像不能包含机械产品设计信息的缺点。
  三、Pro/e在平面与立体表面的交线中的应用
  平面与立体表面的交线是机械制图中的一个重点和难点之一,平面与立体表面的交线叫截交线,平面叫截平面,由截交线围成的平面图形叫截断面,截交线为闭合的平面线段,各边是截平面与立体相应表面的交线,顶点是截平面与立体相应边的交点,求其交线的方法一般有两种,一种是棱面法,它是通过求各棱面与截平面的交线而得截交线,另一种是棱线法,它是通过求各棱线与截平面的交点,由点连成线而得截交线。设计这些内容的时候,运用Pro/e软件对现场建模,并通过启发产生联想,思考问题,这样效果就会大大提高。如题1:完成带切口的半圆球的水平投影和侧面投影(见图1)。在讲这个习题时,先把没有完成切割的整体想出来,即把半圆球想出来,然后用Pro/e软件画出,如图2所示,再启发思考这个图形是由几部分切割而成,启发的时候运用Pro/e软件把切割的过程做出来,生成最后的结果,如图3所示,最后定向到俯视图和左视图(见图4和图5)。这样过程中,可以一边想,一边看,并把Pro/e软件作出的结果与自己想象的进行对比,找出不对的地方加以讲解,并把这种不对的过程加以建模,明白自己错在哪里,这样可以把抽象思维实物化,大大提高了思维空间,增加了设计兴趣,提高了设计效果。   四、Pro/e软件3D实体造型的过程
  1、零件模型的建立
  我们以机械中的减速器为例子来说明零件模型的建立。减速器零件包括齿轮、轴、轴承、轴盖以及箱体等。我们在建模时,首先要依据它的结构特点,然后选择合理的建模方法。对于轴以及轴盖等回转件,我们先画出草图,然后使用轮廓回转的方法生成,再通过倒角、键槽部位的布尔运算等得到轴以及轴盖的三维实体模型。我们应根据参数画出齿形草图,再把草图文件调入并对参数进行修改最后得到渐开线齿轮的实体模型。对于箱体,由于其复杂性,我们需要经过多次的草图拉伸和布尔运算。为了在总参数变化时,可以保证所有零件的都能保持正确的几何约束和尺寸,我们必须使用三维参数化技术,因此,我们要建立机械所有零部件的实例图,还要依据零部件的几何形状和相互关系约束条件建立参数关系,使得机械各个零部件间在设计时保持正确的位置关系和约束。
  生成了零件的方法有很多种,比如在生成轴时,我们可以使用轮廓回转的方法得到,也可以采用分段拉伸方法得到;对于箱体的形成同样有很多方法,比如可以选取草图不同、布尔运算次序不同等都可以建立箱體的3D实体模型。由于考虑到设计变量的合理性和修改便捷等因素,我们在实际设计时就要选择合理的建模方法。
  2、零件的装配
  对于减速器来说,零件的装配是指把在建模期间的轴、轴盖、齿轮以及轴套等零件的3D模型按照需求经过添加装配约束,放入箱体的3D实体模型中。由于轴和齿轮孔、轴盖和孔的配合、轴承和轴的配合都是轴和孔的配合,所以我们添加的约束应该是插入约束;而键和键槽的约束是表面配合约束。我们在零件的装配时要注意装配的基准的选取要统一。
  在所有零件模型装配完成后,我们设计人员就可以利用Info菜单下的模型分析对任意两个零件间的间隙进行干涉检查。通过干涉检查我们可以很精确的测量出零件间的最小缝隙并得到客户所需要的零件组装。此外,我们还可以进行诸如质量特性,计算零件质量、体积、惯性矩等装配分析。设计人员还可以通过把装配后的零件分开,重新设定零件间的相对位置,再次通过模型分析显示零部件间的结构和装配关系,这样来建立零部件的分离图,也就是爆炸图。
  3、二维工程图的获取
  设计人员在零部件的装配设计中,如果确定了零件间的运动关系和给定主动件的运动形式,就可以运用Pro/e软件模拟显示这个机构的运动,再通过动态仿真就可以看出机器每个零部件间的位置约束情况和运动关系的合理性。
  上述简要叙述了减速器3D实体模型的具体步骤,机械设计和制造中的其他产品的建模过程同样可以按此步骤进行。我们在设计3D实体模型时,可以和其他软件结合使用,对产品的计算机辅助工程、数据管理、计算机辅助制造等进行运用。以此使机械设计的周期缩短、提高效率,减低设计成本。因Pro/e软件拥有对极其复杂零件的实体模型造型的能力、具有产品装配和干涉检查能力、具有设计分析和数据管理系统的高密集性,我们在机械设计和制造中应大力推广Pro/e软件的应用并使该软件为工程设计做出贡献。
  五、结语
  Pro/e通过一种独特的、参数化的以及面向零件的3D实体模型设训制造技术,彻底改变了传统的设计理念。Pro/e将设计、分析、制造、装配以及生产管理融为一体,提高了设计与制造水平,符合现代设计与制造技术的发展趋势。总之,Pro/e已在机械设计中发挥了重要的作用,使机械设计提高到个新的水平。它的迅速发展必将能满足现代化机械设计更高的需求,为机械设计提供强有力的支持。
  参考文献:
  [1]秦杰,徐小明等.Pro/E软件在机械CAI)设计中应用[J].装备制造技术,2011(1):120-121.
  [2]梁山.论机械设计中CAD技术的应用[J].中国新技术新产品,2009(6):127
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