毕业设计（论文）-基于ProE的手表造型设计与运动仿真.doc

2010届本科毕业论文（设计）论文题目：基于Pro/E的手表造型设计及动态仿真学生姓名: 赵 易 科所在院系：机 电 学 院所学专业：机械工程导师姓名：吴 涛完成时间：2010年6月20日摘要本文主要是在Pro/E软件设计平台上完成新型手表的三维造型设计。在整个设计的过程中，主要对手表的各个零部件进行造型设计和色彩渲染，最后对各个零部件进行虚拟装配、动态仿真、全局干涉检查。通过对新型手表的系统设计，肯定了Pro/E软件在造型设计、基本特征创建、组件虚拟装配、动态仿真、色彩渲染等方面的优势，从而使设计工作直观化、高效化、精确化。并充分证明了Pro/E软件在新产品的研究和开发中具有很重要的意义。关键字：Pro/E，三维造型设计，虚拟装配，动态仿真Based on Pro/E of the watch design and dynamic simulationAbstract The new watch of three-dimensional design was completed，used the software of Pro/E in this paper. In the process of three-dimensional design，mainly completed the design and color rendering of watch parts and components. Finally，completed the virtual assembly，Dynamic simulation，the overall interference checking of various parts and components. Through the system design of new watches，affirmed the advantages of Pro/E software in design，the creation of the basic characteristics，components，virtual assembly，dynamic simulation，color rendering，so that the design of visualization，efficient，and precision. And it was proved that Pro/E software has great importance in research and development of new products. .Keywords：Pro/E，three-dimensional design，virtual assembly，dynamic simulation目 录1 绪论11.1 产品概述11.2三维设计软件在产品造型设计方面的应用12 产品设计过程22.1 创建大表盘22.2 创建小表盘62.3 创建表壳基体82.4 创建时针162.5 创建分针162.6 创建秒针172.7 创建小表盘时针、分针172.8 创建玻璃表盖182.9 创建旋钮182.10 创建表链192.11 创建连接轴202.12 创建细节213 产品的虚拟装配223.1 产品虚拟装配设计223.2装配爆炸图233.3 干涉检查234 动态仿真与动画录制245 结束语24致谢25参考文献26301 绪论 科学技术的迅猛发展，以前所未有的速度冲击和改变着我们的生活水平和生产方式。物质的极大丰富，使人们对各种产品的要求发生了根本性的变化。纯功能性的产品已经满足不了人们的生活需要。艺术的形态、人性化的设计成为大众首选的时尚，二十一世纪是设计的世纪，在激烈的市场竞争中，出色的造型设计将是企业成功的重要因素，因为它可以创造产品的个性，提升品牌的价值，使产品更具有竞争力16。1.1 产品概述本产品是一种打破传统概念的新型手表，外形美观，时尚，简单，大方。把两个大小不同的圆形指针表巧妙地组合在一起，同时显示双重计时，并能同时满足不同地区和国家人们的作息时间，追求一种新颖的乐趣和时尚感。在造型设计上，力求点线面转折和过渡。在同一组合体内，展现出两个在形象，色彩上都具有差异和对比的表盘，增加了表盘本身的动感和新奇感。采用贵重的银质材料制造，显示出高档手表的贵重品质7。1.2 三维设计软件在产品造型设计方面的应用三维造型设计软件正广泛应用于工业产品的设计和制造过程中。目前流行的大型设计应用软件(如Solid Works，UG，ProE )均能实现从产品的造型设计、精确设计、模具分型、模具结构设计和模具数控加工等一整套自动化功能，为美化工业产品的外观造型、提高产品的精度和质量、缩短产品的设计和加工周期提供了非常有效的手段14。1.2.1 UG软件UG是UnigraphicsSolutions公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件。 UG软件是由多个模块组成的，主要包括CAD、CAM、CAE、注塑模、钣金件、Web、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块，其中每个功能模块都以Gateway环境为基础。在产品曲面造型设计方面要优越于其他三维软件，但是在参数化设计和工程图的分析方面存在差异1。1.2.2 Solid Works软件Solid Works是世界上第一家将结构分析的功能嵌在CAD环境中的软件公司。其中最为显著的COS MOSX press模块使得使用Solid Works软件的设计和工程队伍可以直接对设计的零件进行有限元分析，对产品的性能进行评估，而不必花大量的时间和金钱制造昂贵的样机。但是Solid Works软件在产品的参数化设计方面以及在产品的曲面造型设计方面要略逊色于Pro/E和UG等设计软件，因此该软件广泛应用于简单的三维机械设计、工程分析和产品数据管理等公司。 s! x0 W. w: E8 h+ I: O% Q2 ) ? 1.2.3 Pro/E软件Pro/E 软件是由1985年美国PTC公司研发的计算机辅助工程设计软件。二十多年发展成为世界三维软件中的代表产品，作为高端的、全方位的三维产品设计开发软件，也成为国内最受欢迎的三维CADCAM软件，应用范围遍布汽车、机械、电子、模具等诸多行业10。1)信息全相关性：产品开发过程中的某一处进行修改，能够扩展到整个设计中，自动地更新所有的工程文档。2)基于特征的造型：Pro/E软件中构造实体的基本单元是特征，造型过程就是不断地增加特征，以达到最终产品希望的模型。在构造实体完成后，可对特征进行修改、复位义、重排序等操作，为用户修改模型提供了极大的方便。3)参数化：由于采用参数化设计，用户在草绘特征时，只需按自己的意图构造几何形状，再按实际需要修改尺寸即可。4) 装配管理：Pro/E软件的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。5) Pro/E系统还提供了机构运动仿真功能，可以帮助用户更好地完成机构设计，使原来在二维图纸上难于表达和设计的运动机构变得直观和易于修改。2 产品设计过程本设计主要是以Pro/E软件为设计平台，以软件中的基本特征创建为主线，实现新型手表在Pro/E软件中的三维造型设计、虚拟装配和动态仿真。2.1 创建大表盘2.1.1 创建表盘实体（1）创建拉伸特征截面，如图1所示。（2）设置表面的厚度为0.50mm，单击确定按钮，完成特征模型，如图2所示。 图 1 表盘实体特征截面 图 2 表盘实体特征模型 2.1.2 创建刻度 （1）创建拉伸特征截面，如图3、4所示。（2）设置高度为0.10mm，单击确定按钮完成创建。（3）利用阵列工具对刻度进行圆周阵列。（4）设置类型为“轴”，数目选择59，角度选择6，确定按钮，完成表盘刻度创建，如图5所示。 图3 表盘刻度特征截面一 图4 表盘刻度特征截面二 图5 表盘刻度“阵列”效果图 2.1.3 创建刻度时刻（1）创建拉伸特征截面，如图6所示。（2）打开左侧的模型树，右击【拉伸】【阵列】命令，如图7所示。弹出【阵列】特征面板，参数设置如图8所示，预览效果如图9所示。（3）单击确定按钮，完成特征创建，如图10所示。 图6 表盘刻度“阵列”特征面板 图7 表盘刻度特征截面 图8 模型树目录 图9 表盘刻度阵列特征预览图 图10 表盘刻度最终效果图 2.1.4 创建中心孔（1）利用孔工具，创建中心孔。（2）设置为直径1.00mm，单击确定按钮，完成中心孔创建，如图11所示。 、图11 中心孔最终效果图2.1.5 创建字体（1）利用拉伸特征工具，创建字体，如图12所示。（2）设置字体高度为0.10mm，单击确定按钮，完成特征创建。（3）渲染效果如图13所示 图12 字体特征截面 图13 表盘最终效果图2.2 创建小表盘2.2.1 创建表盘实体此步参照大表盘创建过程，特征截面如图15所示，特征模型如图15所示。 图14 表盘特征截面 图15 表盘特征模型2.2.2 创建表盘刻度 （1）此步骤参照大表盘字体创建过程，在此不再叙述，特征截面如图16所示。 图16 表盘刻度特征截面2.2.3 创建中心孔 特征创建参照大表盘的创建过程，设置直径为0.80mm，完成特征创建，如图17所示。图17 创建“孔”特征2.2.4 创建字体（1）创建步骤和参数设置参照大表盘特征，特征截面如图18所示。（2）渲染效果如图19所示。 图18 字体特征截面 图19表盘最终效果2.3 创建表壳基体2.3.1 创建基体（1）利用拉伸特征工具创建特征截面，如图20所示。（2）设置高度3.50mm，单击确定按钮，完成特征模型，如图21所示。图21 表壳基体特征模型 图20 表壳基体特征截面 2.3.2 创建过渡圆弧（1）利用倒角工具，创建倒角特征，设置参数为DD，数值为1.30mm，完成特征创建。（2）利用倒圆工具，创建过渡圆弧。设置倒圆半径为2.50mm，选择壳体的边界，单击确定按钮，效果如图21所示。图21创建“倒角”特征 2.3.3 创建基准平面DTM1（1）选择特征工具栏上的基准平面工具，弹出【基准平面】对话框。（2）选择“RIGHT”基准平面，种类选择“偏移”，输入偏距为3.00mm，单击确定按钮，创建基准平面完成，最终效果如图21所示。 图22 壳体特征截面 图23壳体“拉伸”特征面板 图24 壳体拉伸特征模型2.3.4 创建表壳细节（1）利用拉伸工具，绘制特征截面，设置草绘平面为“DTM1”，参照平面为“TOP”，方向选择“右”，单击“确定”，进入草绘界面，如图22所示。（2）设置参数如图23所示，单击确定按钮，效果如图24所示。（3）利用拉伸特征面板中的按钮去除材料，截面创建如图25所示。 图25 壳体截面特征图26 去除材料（4）单击确定按钮，完成特征模型，如图26所示。（5）利用拉伸特征工具绘制特征截面，如图27所示。（6）选择去除材料按钮，然后单击确定按钮，完成特征创建。（7）创建表壳细节。最终效果如图28所示。图27 壳体特征截面 图28 表壳基体特征效果图 （8）利用拉伸特征工具创建特征截面，如图29所示。（9）选择去除材料按钮，单击确定按钮，完成模型创建，如图30所示。图29 创建特征截面 图30 创建“去除材料”特征2.3.6 创建指针位置（1）利用拉伸特征工具创建特征截面，分别在指针位置绘制1.00mm和0.80mm的圆。（2）设置高度为0.80mm，单击确定按钮，完成凸台创建，如图31所示。图31特征创建模型（3）创建拉伸特征1）在1.00mm和0.80mm的圆柱上分别绘制如图所示的两个圆0.60mm和0.50mm，设置高度为0.30mm，单击确定按钮，完成模型创建，如图32所示。2）在刚创建的两个圆柱面0.60mm和0.50mm上分别创建0.40mm，高度设置为0.30mm的两个圆柱，最终模型如图33所示。3）在刚创建的直径是0.40mm，高度为0.30mm的圆柱端面上绘制一个直径是0.20mm，高度为0.20mm的圆柱，如图34所示。整体效果如图35所示。 图32创建拉伸特征 图33创建拉伸特征 图34创建拉伸特征图35 表壳基体效果图2.3.7 创建旋钮孔（1）创建旋钮孔特征。特征截面如图36所示。（2）设置孔深为16.00mm，如图38所示。（3）创建基准平面DTM2、DTM3（4）创建旋钮孔特征截面，如图37所示。（5）设置深度为15.00mm，单击确定按钮，完成孔的创建，如图39所示。 图36 创建“孔”特征截面 图37 创建“孔”特征截面 图38 创建“孔”特征一图39 创建“孔”特征二2.3.8 创建大小表盖位置（1）利用拉伸特征创建特征截面，如图40所示。（2）设置深度为0.40mm，单击确定按钮，完成模型创建，如图41所示。 图40创建表盖特征截面 图41 表壳基体效果图2.3.9 创建表链连接孔（1）创建孔截面特征，特征截面如图42所示。（2）设置参数如图47所示，单击确定按钮，完成孔特征的创建，如图43所示。图42创建连接孔特征截面 图43 表壳基体效果图2.3.10 创建后盖（1）创建截面特征，设置草绘平面为表壳壳体的“下表面”，参照平面为“RIGHT”，方向选择“右”，如图44所示。（2）设置高度为1.00mm，单击右侧的确定按钮，完成特征创建。（3）创建倒角特征。设置数值为0.70mm，单击确定按钮，完成特征。（4）创建倒圆特征。设置半径为0.80mm，单击确定按钮，完成特征。（5）渲染实体。最终效果如图45所示。 图44 创建后盖特征截面 图45 表壳基体渲染效果图2.4 创建时针（1）创建时针截面特征，如图46所示。（2）设置厚度为0.20mm，单击确定按钮，得到实体，如图47所示。（3）渲染实体。效果如图48所示。 图46创建时针特征截面 图47时针特征效果图 图48 时针渲染效果图2.5 创建分针（1）创建分针特征参照时针创建过程，特征截面如图49所示。（2）渲染实体。最终效果如图50所示。 图49 分针创建特征 图50分针渲染效果图 2.6 创建秒针（1）创建秒针截面特征，如图51所示。（2）设置表针厚度为0.15mm，然后单击，完成特征创建。（3）渲染实体，最终效果如图52所示。 图51 创建秒针特征截面 图52 秒针渲染效果图2.7 创建小表盘时针、分针（1）创建截面特征，如图53、54所示。（2）设置高度为0.20mm，单击确定按钮，完成实体创建。（3）渲染实体。最终效果如图55、56所示。 图53 创建时针特征截面 图54 创建分针特征截面 图55 时针效果图 图56 分针效果图2.8 创建玻璃表盖（1）创建大表盘盖体。截面特征如图57所示。（2）设置厚度为0.40mm，单击确定按钮，完成表盖创建。（3）创建倒圆特征。设置倒圆半径为0.20mm，完成特征创建。（4）色彩渲染。如图58所示。（5）创建小表盖。特征创建参照大表盖，绘制直径为17.00mm的圆。 图57 创建表盖特征截面 图58 表盖渲染效果图2.9 创建旋钮（1）利用旋转工具，创建旋转截面特征，如图59所示。（2）设置旋转角度为360，单击确定按钮，完成特征创建。（3）创建倒圆特征，设置倒圆半径为1.00mm，完成特征创建。（4）实体渲染。参数设置和创建步骤参照表壳基体创建过程，最终效果如图60所示。 图59 创建旋钮特征截面 图60 旋钮渲染效果图2.10 创建表链2.10.1创建表链一（1）创建拉伸特征截面，如图61所示。（2）设置长度为110.00mm，单击确定按钮，完成特征创建。（3）利用拉伸去除材料按钮，完成实体。（4）创建连接中心孔。（5）创建细节。利用倒圆工具，设置倒圆半径为3.00mm，完成创建。（6）创建孔。利用拉伸去除材料在表链上绘制长轴为1.60mm，短轴为0.80mm的椭圆孔，完成特征创建。（7）渲染特征创建参照大表盘的创建过程，最终效果如图62所示。 图61创建表链特征截面 图62表链渲染效果图2.10.2 创建表链二（1）创建拉伸特征截面，如图63所示。 （2）利用拉伸特征去除材料。（3）渲染实体。最终效果如图64所示。 图63 创建表链特征截面 图64 表链渲染效果2.11 创建连接轴2.11.1创建连接轴一（1）创建旋转特征截面，如图65所示。（2）设置旋转角度为360，单击确定按钮，完成特征创建。（3）渲染参数设置和创建步骤参照连接轴的创建过程，效果如图66所示。 图65创建连接轴特征截面 图66 连接轴渲染效果图 2.11.2 创建连接轴二（1）特征创建参照连接轴二的创建过程，特征截面如图67所示。（2）最终效果如图68所示。 图67 创建连接轴特征截面 图68 连接轴渲染效果图 2.12 创建细节2.12.1创建铲子（1）利用拉伸特征创建实体特征。（2）利用倒圆工具美化表面。（3）渲染实体，效果如图69所示。2.12.2 创建夹子特征创建参照铲子的创建过程，最终效果如图70所示。 图69 铲子最终效果 图70 夹子最终效果3 产品的虚拟装配3.1 产品虚拟装配设计对手表各个零部件进行虚拟装配，装配步骤如下：(1) 用缺省装配形式装配手表主壳体；(2) 单击装配按钮，把大表盘打开，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(3) 装配小表盘，装配过程参照大表盘装配过程。(4) 单击装配按钮，把时针打开，为了实现机构运动仿真，用户定义选择，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(5) 装配所有指针参照时针的装配过程，(6) 单击装配按钮，把大表盖打开，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(7) 装配小表盖参照大表盖的装配过程。(8) 单击装配按钮，把旋钮打开，约束类型选择对齐，使轴和孔轴线对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(9) 单击装配按钮，把连接轴打开，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(10) 单击装配按钮，把表链打开，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(11) 单击装配按钮，把铲子打开，约束类型选择对齐，使两轴对齐，新建一个约束类型为匹配，使配合面对齐。(12) 装配完成后，效果得到如图71所示。 图71装配效果图3.2 装配爆炸图装配完成后生成装配爆炸图，使装配过程更加直观，如图72所示。 图72装配爆炸图3.3 干涉检查干涉检查在产品结构设计中非常重要。运用传统的二维设计方法，检查零件之间是否干涉难度较大，甚至在产品装配调试时才能发现，一旦有问题就要返修或改进设计，有时候造成无法更改的错误，导致设计的失败。运用Pro/E的模型分析功能对装配体进行干涉检查，可以直观地获得零件间的干涉情况，很方便地找到干涉点的位置并进行修改，保证了设计结果的准确性20。（1）从菜单栏中选择“分析”“模型”“全局干涉”命令，打开分解位置对话框；（2）接受默认设置，单击（计算当前分析以供预览）按钮，计算结果为“”（表示没有零件干涉情况）。（3）关闭“全局干涉”对话框。4 动态仿真与动画录制动态仿真是在真实产品的实物造型制造之前，利用此软件在计算机的虚拟环境下，设计人员可以对产品整体的外观效果、设计风格、动态仿真进行虚拟化的演示。从而可以对产品进行合理的运动分析，并提供设计人员进行探讨分析和修改设计总体方案，并有利于产品二次开发和创新16。（1）单击下拉菜单【应用程序】【机构】，进入仿真界面。（2）创建电动机。单击伺服电动机按钮，分别创建各个指针的电动机。（3）单击分析定义按钮，设置终止时间为120，单击“运行”按钮，实现运动仿真。（4）创建动画完毕。单击按钮进行动画捕捉，另存为：MPG格式。 关闭对话框。5 结束语本文通过对手表的整体设计，充分证明了Pro/E在产品造型设计和研制开发方面的重要意义。主要体现在：1) 利用Pro/E可以对产品进行概念设计，外观设计，曲面造型设计，参数化设计，产品的虚拟装配和动态仿真等。从而使设计工作直观化，高效化。2) 利用Pro/E可以检查设计过程中的不足（装配干涉，色彩不佳，运动可靠性分析），从而缩短生产周期，提高生产效率，扩大企业的经济效益。3) 虽然利用Pro/E软件给设计带来方便，但加工精度、装配顺序等与实际操作并不完全相同，所以在设计过程中一定要结合实际操作来考虑，这样才能使设计过程更顺利、更合理。致谢本设计论文是在指导老师的悉心指导和严格要求下完成的。指导老师具有严谨的治学态度，丰富的专业知识和实践经验，在治学及做人方面使我受益匪浅。衷心感谢老师对我的关心指导和帮助。通过这次毕业设计，