机械毕业设计2102127_基于ProE的手表造型设计毕业设计与运动仿真

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 1 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 2 Based on Pro/E of the watch design and dynamic simulation Abstract 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 3 目 录 1 绪论 . 4 1.1 产品概述 . 4 1.2 三维设计软件在产品造型设计方面的应用 . 4 2 产品设计过程 . 5 2.1 创建大表盘 . 5 2.2 创建小表盘 . 9 2.3 创建表壳基体 . 11 2.4 创建时针 . 19 2.5 创建分针 . 19 2.6 创建秒针 . 20 2.7 创建小表盘时针、分针 . 20 2.8 创建玻璃表盖 . 21 2.9 创建旋钮 . 21 2.10 创建表链 . 22 2.11 创建连接轴 . 23 2.12 创建细节 . 24 3 产品的虚拟装配 . 25 3.1 产品虚拟装配设计 . 25 3.2 装配爆炸图 . 26 3.3 干涉 检查 . 26 4 动态仿真与动画录制 . 27 5 结束语 . 27 致谢 . 28 参考文献 . 29 4 1 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， Pro E )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 Unigraphics Solutions 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， 5 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。 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 CAD CAM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。 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 D D，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。 12 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 13 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。 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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。 22 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 23 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。 24 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。 25 （ 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。 26 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 27 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。 28 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