本章主要講解機(jī)械零件設(shè)計(jì)的方法

1、第1章Pro/ENGINEER機(jī)械零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)本章主要講解機(jī)械零件設(shè)計(jì)的方法，介紹了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和順序、機(jī)械零件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了利用Pro/ENGINEER進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟和技巧，從而使讀者對(duì)設(shè)計(jì)方法有了初步的認(rèn)識(shí)和了解，為后面講解具體的零件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。1.1 機(jī)械零件設(shè)計(jì)概述在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，機(jī)械是不可缺少的組成部分，它是由若干個(gè)機(jī)械零件組成，機(jī)械零件簡(jiǎn)稱為零件。下面介紹一下機(jī)械零件和設(shè)計(jì)方法。1.1.1 機(jī)械零件簡(jiǎn)介零件通常分為兩大類，一類是通用零件，它的特點(diǎn)是經(jīng)常、大量、反復(fù)出現(xiàn)在各種機(jī)械的組成結(jié)構(gòu)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(diǎn)是在專用機(jī)器上使用，如起重機(jī)的吊鉤、發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、汽輪機(jī)的葉片等。本書后面所講的機(jī)械零件設(shè)計(jì)的實(shí)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(gè)是標(biāo)準(zhǔn)化，是指在不同類型、不同規(guī)格的各種機(jī)械中，將同類零件的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料等限定在合理的數(shù)量范圍內(nèi)。第二個(gè)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(gè)是通用化，主要是指最大限度地減少和合并零件的傳動(dòng)形式、尺寸和材料品種等。多采用三化，能在設(shè)計(jì)中減少過(guò)失、節(jié)省時(shí)間、加快進(jìn)程、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；同時(shí)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(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。1.1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)的基

3、本要求和順序機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求，首先要滿足它在工作中的職能要求，即在預(yù)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(diǎn)。1機(jī)械設(shè)計(jì)的順序機(jī)械設(shè)計(jì)沒有固定的順序，常因具體條件不同而異，但一般的設(shè)計(jì)順序如下。1 / 任務(wù)分析、調(diào)查研究、擬定方案對(duì)所接受的設(shè)計(jì)任務(wù)，首先應(yīng)明確機(jī)械的工作條件和工作要求、職能范圍和技術(shù)指標(biāo)、制造的技術(shù)條件和設(shè)備條件等，帶著問(wèn)題進(jìn)行深入的調(diào)查研究。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和調(diào)研資料進(jìn)行分析，擬定設(shè)計(jì)初步方案。2 / 建立力學(xué)模型、計(jì)算零件主要參數(shù)和尺寸初步方案擬定后，根據(jù)力學(xué)理論和方法，建立盡可能與設(shè)計(jì)系統(tǒng)一致的

4、力學(xué)模型，進(jìn)行模擬分析與驗(yàn)證，其主要內(nèi)容為運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、零件載荷和計(jì)算工作能力。當(dāng)然如果有需要和可能還要考慮摩擦學(xué)、優(yōu)化和可靠性問(wèn)題，以提高方案先進(jìn)性和可靠程度，繼而確定機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制圖和編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書當(dāng)主要參數(shù)和尺寸確定以后，就應(yīng)描繪機(jī)械的結(jié)構(gòu)方案圖紙（草圖），草圖的設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、修改描繪應(yīng)是穿插交叉、反復(fù)校正的過(guò)程。待正式的裝配圖完成以后，再繪制零件圖，最后補(bǔ)充說(shuō)明書和其他技術(shù)文件。2機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟下面來(lái)介紹一下機(jī)械零件設(shè)計(jì)的步驟。 根據(jù)機(jī)械的工作要求和工作條件，選定零件的類型。 按照力學(xué)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(zhǔn)則計(jì)算出滿足工況要求的主要尺寸。 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將計(jì)算所得的尺寸結(jié)合整體部件在使用上、結(jié)構(gòu)上、工藝上的要求予以協(xié)調(diào)。 繪制零件工作圖紙，圖上應(yīng)注明配合公差、加工要求，材料及技術(shù)條件要求等。1.1.3 計(jì)算機(jī)輔助零件設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)的普及，機(jī)械零件設(shè)計(jì)越來(lái)越多地利用計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)方法。例如利用計(jì)算機(jī)繪制零件圖紙，進(jìn)行零件的各種參數(shù)計(jì)算等，Pro/ENGINEER就是這些計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中的佼佼者。Pro/ENGINEER是由美國(guó)參數(shù)技術(shù)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(chǔ)上推出了全新的Wildfire版本，該版本的操作在2001版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度的改動(dòng)，極大簡(jiǎn)化了用戶操作步驟，更加方便人機(jī)交流，界面緊湊合理，并將當(dāng)今領(lǐng)先的設(shè)計(jì)思想融入到整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，極大地提高了工作效率，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，較之2001版，其操作性方面的提高使設(shè)計(jì)效率最高可提高40%。Pro/ENGINEER在機(jī)械零件設(shè)計(jì)上最重要的一個(gè)特點(diǎn)是參數(shù)式設(shè)計(jì)，就是將零件尺寸的設(shè)計(jì)用參數(shù)來(lái)描述，并在設(shè)計(jì)修改時(shí)通過(guò)修改參數(shù)的數(shù)值來(lái)更改零件的外形。Pro/ENGINEER中的參數(shù)不只代表設(shè)計(jì)對(duì)象外觀的相關(guān)尺寸，還具有實(shí)質(zhì)上的物理意義。例如可以運(yùn)用系統(tǒng)參數(shù)(如體積、表面積、重心、三維坐標(biāo)等)，

7、或用戶按照設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)意義的物理量或字符)加入設(shè)計(jì)構(gòu)思中，來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思想。這項(xiàng)參數(shù)式設(shè)計(jì)的功能不但改變了設(shè)計(jì)的概念，還將設(shè)計(jì)的便捷性推進(jìn)了一大步。下面，就來(lái)介紹一下Pro/ENGINEER參數(shù)式設(shè)計(jì)的特性，主要有以下幾個(gè)方面。1真實(shí)3D模型在Pro/ENGINEER中，設(shè)計(jì)出的模型是真實(shí)的3D模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)面結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)的不足。這些3D實(shí)體模型除了可以將用戶的設(shè)計(jì)思想以最真實(shí)的模型在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)出來(lái)之外，借助于系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可隨時(shí)計(jì)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(shí)性，并可以進(jìn)行進(jìn)一步的組件裝配等的運(yùn)算。用戶在產(chǎn)品

8、設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以隨時(shí)掌握以上重點(diǎn)，設(shè)計(jì)物理參數(shù)，并減少人為計(jì)算時(shí)間。2以特征作為設(shè)計(jì)的單位Pro/ENGINEE的特征方式是基于人性化設(shè)計(jì)的，初次使用Pro/ENGINEER的用戶肯定會(huì)對(duì)特征感到親切，Pro/ENGINEER正是以最自然的思考方式從事設(shè)計(jì)工作，如孔、開槽、做成圓角等均被視為零件設(shè)計(jì)的基本特征。除了充分掌握設(shè)計(jì)思想之外，它還在設(shè)計(jì)過(guò)程中導(dǎo)入實(shí)際的制造思想；也正因?yàn)橐蕴卣髯鳛樵O(shè)計(jì)的單元，所以可隨時(shí)對(duì)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(dòng)作。3單一數(shù)據(jù)庫(kù)Pro/ENGINEER 可隨時(shí)由3D實(shí)體模型產(chǎn)生2D工程圖，而且自動(dòng)標(biāo)識(shí)工程圖尺寸。不論是在3D還是

9、2D圖形上進(jìn)行尺寸修正，其相關(guān)的2D圖形或3D實(shí)體模型均自動(dòng)修改，同時(shí)組合、制造等相關(guān)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)修改，這樣可確保數(shù)據(jù)的正確性，并減少反復(fù)修正所耗費(fèi)的時(shí)間。由于采用單一數(shù)據(jù)庫(kù)，提供了所謂雙向關(guān)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(shè)計(jì)配合單一數(shù)據(jù)庫(kù)，所有設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的尺寸(參數(shù))都存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，修改CAD模型及工程圖不再是一件難事，設(shè)計(jì)者只需更改3D零件的尺寸，2D工程圖、3D組合、模具等就會(huì)依照尺寸的修改做幾何形狀的變化，以達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)間和精力消耗。也正因?yàn)橛袇?shù)式的設(shè)計(jì)，用戶才可以運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式

10、，建立各尺寸參數(shù)間的關(guān)系式，使得模型可自動(dòng)計(jì)算出應(yīng)有的外型，避免尺寸逐一修改造成的繁瑣費(fèi)時(shí)，并減少錯(cuò)誤的發(fā)生。1.2 Pro/ENGINEER零件設(shè)計(jì)方法對(duì)于使用Pro/ENGINEER Wildfire中文版進(jìn)行零件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，掌握好的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)習(xí)慣是很重要的。下面就來(lái)介紹一下Pro/ENGINEER零件設(shè)計(jì)的通用方法。1.2.1 設(shè)置設(shè)計(jì)環(huán)境一般來(lái)說(shuō)，用戶通常是在按默認(rèn)設(shè)置安裝完成Pro/ENGINEER Wildfire中文版后，就直接通過(guò)雙擊桌面圖標(biāo)或通過(guò)“開始”程序菜單來(lái)啟動(dòng)Pro/ENGINEER Wildfire中文版了。但是，此時(shí)Pro/ENGINEER Wildfi

11、re中文版默認(rèn)的工作目錄一般在操作系統(tǒng)安裝盤上的Documents and Settings當(dāng)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(shè)置合理了，在Pro/ENGINEER Wildfire工作時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生很多軌跡跟蹤文件trail.txt.x，這樣的文件會(huì)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(huì)影響到工作目錄的直觀以及軌跡文件的重用。這些問(wèn)題的解決都可以通過(guò)初始化配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面來(lái)具體講解。1設(shè)置工作目錄設(shè)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(dòng)Pro/ENGINEER Wildfire中文版后，選擇“文件”“設(shè)置工作目錄”命令來(lái)設(shè)定，但是，

12、當(dāng)用戶關(guān)閉Pro/ENGINEER Wildfire中文版，下次再啟動(dòng)后以及每次啟動(dòng)后都還得再設(shè)置一次，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看并不方便。實(shí)際上在Windows中，只需更改桌面圖標(biāo)的屬性就可以“永久”設(shè)定需要的工作目錄了。具體操作如下。 首先在桌面圖標(biāo)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(duì)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(dòng)即可直接設(shè)定需要的工作目錄。根據(jù)此思想，如果用戶當(dāng)前有n個(gè)項(xiàng)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(gè)快捷方式即可方便地調(diào)用了，如圖1-2所示。圖

13、1-22設(shè)置軌跡文件目錄所謂軌跡文件是指在Pro/ENGINEER Wildfire中文版運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶的操作將所有的操作過(guò)程同步記錄在硬盤上的一種方式，可以看作是用戶整個(gè)操作過(guò)程的全程錄像，即跟蹤軌跡文件。這個(gè)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(guò)程、制作思想，二是可以在一個(gè)模型一直未存盤的情況下，當(dāng)出現(xiàn)突然事件（如斷電）時(shí)，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，因?yàn)橛脩艨梢酝ㄟ^(guò)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(fù)。前面講過(guò)，這個(gè)軌跡文件的默認(rèn)存放目錄就是用戶所設(shè)定的工作目錄，根據(jù)軌跡文件的生成特點(diǎn)，可以知道軌跡文件的增加速度遠(yuǎn)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(gè)模型文件時(shí)會(huì)比較繁瑣，所以本節(jié)的目的就是說(shuō)明如何將軌跡文件統(tǒng)一放到一個(gè)目錄中去。具體操作如下。在工作目錄下新建一個(gè)文本文件，命名為，然后用記事本打開，在其中設(shè)定一個(gè)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(gè)文件中可以配置幾百項(xiàng)用于控制Pro/ENGINEER Wildfire運(yùn)行的參數(shù)，并且文件本身還有三種不同的權(quán)限版本用于針對(duì)不同級(jí)別的設(shè)計(jì)師的參數(shù)優(yōu)先級(jí)控制。關(guān)于配置文件具體的功能介紹

15、在市面上其他書籍的高級(jí)部分以及Pro/ENGINEER Wildfire自身的幫助中均有詳細(xì)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(xiàng)。3設(shè)置界面語(yǔ)言Pro/ENGINEER Wildfire的界面語(yǔ)言本身就是一個(gè)模塊，可以通過(guò)配置文件來(lái)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(shí)顯示中英文。其設(shè)置方式如下。在文件中設(shè)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(shí)顯示中英文1.2.2 選擇特征類型在基本環(huán)境

16、設(shè)置好之后，就可以啟動(dòng)Pro/ENGINEER Wildfire開始零件設(shè)計(jì)。那么在設(shè)計(jì)之前，首先要確定要設(shè)計(jì)的是什么樣的特征，然后才能根據(jù)選擇的特征來(lái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)。一般有兩種情況，一是剛開始設(shè)計(jì)，界面中什么特征（指實(shí)體特征）也沒有，這時(shí)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(gè)特征，要在此基礎(chǔ)上繼續(xù)建立特征，這時(shí)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(shí)上，任何復(fù)雜的機(jī)械零件，都可以看成是由一些簡(jiǎn)單的特征經(jīng)過(guò)相互之間的疊加、切割或相交組合而成。一個(gè)零件的建模過(guò)程，實(shí)際上就是許多個(gè)簡(jiǎn)單特征相互之間的疊加、切割或相交的操作過(guò)程。一個(gè)零件的三維實(shí)體建模的工作流程圖如圖1

17、-4所示。啟動(dòng)Pro/ENGINEER進(jìn)入零件設(shè)計(jì)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(gòu)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(gòu)造出同樣的實(shí)體零件，但構(gòu)造出來(lái)的實(shí)體零件結(jié)構(gòu)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(shí)體零件越復(fù)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(shù)要求允許的情況下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化實(shí)體零件的特征結(jié)構(gòu)，即在實(shí)體零件建模過(guò)程中，能用單個(gè)體素定義特征時(shí)，就應(yīng)盡量使用單個(gè)體素。在零件建模過(guò)程中，Pro/ENGINEER最先建立的那個(gè)特征就是基本特征，一般使用零件的第一個(gè)實(shí)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(yīng)能反映零件的主要形狀。在創(chuàng)建基本特征時(shí)還要注意要方便創(chuàng)建其他特征。除了實(shí)體特征作為基本特征外，實(shí)際上，Pro/ENGINEER建模時(shí)常用3個(gè)默認(rèn)正交基準(zhǔn)平面作為基本特征。尤其當(dāng)?shù)谝粋€(gè)實(shí)體特征是球體、圓環(huán)等特征時(shí)，更需要首先定義正交基準(zhǔn)平面，因?yàn)檫@些特征本身沒有平面，無(wú)法為后面的特征創(chuàng)建提供幫助。另外，默認(rèn)基準(zhǔn)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(zhǔn)平面的諸多優(yōu)越性，Pro/ENGINEER系統(tǒng)建議用戶使用正交基準(zhǔn)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(jìn)行哪一種特征的設(shè)計(jì)后，下一步的工作一般就是針對(duì)這種特征進(jìn)行截面的繪制，因?yàn)樗械娜S特征都是由二維截面通過(guò)一定的空間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，所以要生成三維實(shí)體，首先就要繪制合適的截面。接下來(lái)以拉伸為例說(shuō)明如何進(jìn)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(jìn)入拉伸的操作界面。方法二：選擇“插入”“拉伸”命令，則進(jìn)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(duì)話框，在其中選擇“零件”、“實(shí)體