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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1056离心通风器毕业设计,机械毕业设计论文
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第 1 页 共 42 页 1 绪论 1.1 课题来源、背景和意义 航空发动机是知识密集、技术密集、资金密集的产品，其研制属于技术高、风险大、周期长和投资多的工程。航空发动机的发展虽然已各大部件的技术进步为代表，但也要求传动与润滑技术与之相适应。先进发动机高的涡轮进口温度，高的主轴转速及严格的空间限制，要求传动及润滑系统在高温、高速、高负荷、轻质量、激烈的状态变化、紧凑的空间限制、长寿命和高可靠性下发挥其功能。传动及润滑系统给发动机设计与研制带来了大量不同于一般的机械的技术难题，是影响发动机可靠性、安全性、寿命和效率的重要研究领 域，也是制约发动机发展的关键技术。 我国航空发动机的机械传动及润滑系统的研制还处于低水平状态，但已经从仿制走向了自行研制的道路，随着各个型号发动机的研制的需求和预先研究有了较大的发展。沈阳发动机设计研究所是我国成立最早的航空发动机研究单位之一。在 2002 年 7月由该所总设计的昆仑发动机，被国家军工产品定型委员会正式批准设计定型，是我国第一台拥有自主知识产权的军用发动机。它的研制成功使我国成为继美、俄、英、法之后世界上第五个能够独立研制航空发动机的国家，标志着我国航空发动机从只能测绘仿制、改进改型跨入了自行研制 的新阶段。 1.2 课题研究领域的发展和现状 我国的航空发动机行业一直以仿制和改进外国的发动机为主，虽然也曾经自行研制过几种发动机，但都因种种原因中途夭折。由于实践范围不广，技术水平也不高，与航空技术先进的国家相比还有很大的差距。在二十一世纪初，我国自行设计、试制、试验、试飞全过程的昆仑发动机已达到航空技术先进国家的二十一世纪九十年代中期的水平，是目前国内最先进的中等推力级的军用涡喷发动机，我国自此也成为能够真正独立研制发动机的国家之一。 目前，世界上真正能够独立研制航空发动机的国家只有中国、美国、俄罗斯 、法国和英国。而美国的惠普发动机公司、俄罗斯的米格集团公司及英国罗 -罗航空发动机公司等各大航空发动机公司研制单位均有了自己专用航空发动机润滑油系统通风器的 CDA 软件，但这些软件都作为公司的机密对外保密。国内却未见有人进行对这方面的研究工作，以往所做的工作主要集中在仿制、该型和维护等方面。 1.3 计算机辅助设计技术的发展现状简介 CAD（ Computer Aided Design）指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方按构思、零件造型、工程分析、工程制图和文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能 发挥它的辅助作用，因此 CAD 概念一产生，就成为了一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，迅速地得到了发展并日益完善起来。 目前， CAD 技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的 CAD/CAE/CAM 软件集成化的商品软件。在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各个方面出现了许多较为成熟的现代化现代化设计软件。现代 CAD 技术一方面向标准化、集成化、nts 第 2 页 共 42 页 智能化、并行化、网络化的方向发展，另一方面由二维工程图形软件向三维实体图形软件转化。三维设计已成为今后机械设计的主流方向。 1 4 参数化设计简介 1 4 1 参数化设计的提出与现状 当今各个公司都面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的挑战，他们围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。参数化技术是 CAD 技术在实际应用中提出的课题。现在参数化设计已经成为 CAD 技术应用领域的一个重要研究方向。利用参数化设计开发专用产品设计系统可使设计人员从大量烦琐的绘图工作中解脱出来，大大提高了设计速度，并减少了信息的存储量。自美国的 PTC 公司于 1983 年推出参数化系统 Pro/Engineer 以来，全球多数 CAD 软件公司均在自己产品中实现了参数化设计功能，以图在激烈的竞争 中取得优势。具有代表性的产品有 Pro/Engieer、 UG、CATIA 及 SolidWorks 等，可以根据实际情况进行选用。 1.4.2 参数化设计的特点 参数化设计是由编程者预先设置一些几何图形约束，供设计者在建模时使用。与一个几何图形相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何图形。参数化设计的主要技术特点有： （ 1）基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调用参数，进而形成实体，以次为基础进行更为复杂的几何模型的构造。 （ 2）全尺寸约束。将形状和尺寸联系起来考虑，通过尺寸约 束来实现对几何形状的控制。建模时必须以完整的尺寸参数为出发点，不能漏注尺寸，也不能多注尺寸。 （ 3）尺寸驱动设计。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。 （ 4）全数据相关。尺寸参数的修改将导致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。 1.5 课题研究的主要内容 以航空发动机离心通风器和油气分离器设计规范为基础，研究、归纳、整理通风器的设计、计算，实现其设计计算的程序化，借助 VC+的强大开发功能和优秀的Por/Engineer 软件完成专用于航空发动机润滑油系统通风器设计的参数化 CAD 系统。具体地包括： 完成 离心通风器的设计、计算归纳、总结，形成一套较为完整的设计体系，并将其程序化； 完成基于 Pro/Engineer 的离心通风器三维模型建立及参数化设计； 通过对 Pro/Engineer 的二次开发，实现软件的本地化、客户化； 利用 AutoCAD 完成离心通风器的零件工程图及装配图。 nts 第 3 页 共 42 页 2 离心通风器的常规设计 2.1 航空发动机润滑油系统通风简介 航空发动机的主轴密封系统是靠一定的压力进行密封。在发动机工作过程中，密封空气返回通过密封装置进入润滑油系统轴承腔，在轴承腔中空气与润滑油参混在一起形成油雾，如果让油雾 直接排出轴承腔将要造成润滑油的大量消耗。为此，在轴承腔与外界的通气路上设置了一通风器，把空气中润滑油分离出来，以减少润滑油的消耗量。发动机润滑油油腔是用密封装置与空气及燃料腔分离开，由于密封装置的漏气，润滑油的挥发，空气被飞溅的润滑油及环境加热，都可能提高润滑油的压力为防止这一点，就需要通风。设计通风系统时要考虑以下几点： （ 1）保持腔压低于密封增压空气压力，特别注意过度态，以保持润滑油密封增压空气的流动任何时候都不反向； （ 2）保持腔压不低于润滑油泵最小进口压力； （ 3）为减少润滑油消耗，通风流量要设计尽 量小些并经过离心通风器至机外； （ 4）如果通风口位于热端油腔出口，在系统分析时候要考虑是否需要加着火消除器。 通风的方法往往与密封装置结构和密封增压系统有关，可由多种方法实现。 2.2 航空发动机通风器的基本设计要求 航空发动机的附件有很多，在进行发动机设计中对其附件的设计提出了一些基本要求，既工作可靠性要高（附件的寿命影响发动机本身的寿命），附件的可靠性能延长发动机的使用寿命，重量和外形尺寸要小。为此结构要紧凑，采用轻合金、合成材料和塑料，以及高转速。有结合连接处要密封（液压附件的密封是其可靠性 的保证），易于在发动机上固定和与传动装置连接，易于在发动机上调整和进行定期工作。离心通风器作为航空发动机润滑油系统的一个独立的完善附件也必须满足上述各项设计要求。 2.3 离心通风器的工作原理 离心通风器是利用离心力平衡原理进行油气中液相油珠分离的。在工作时候，空气夹杂着润滑油小油珠进入离心通风器。由于转子的高速旋转使得空气与小油珠受到一个向外的径向力，由于润滑油密度比空气密度大，所以作用在小油珠上的离心力比作用在空气上的离心力大，这样润滑油小油珠就被甩到壳体内壁上，并在动压作用下通过壁上的小孔流回传动腔 。分离后的空气在压差的作用下通过轴上的通气路排除，实现了轴承腔与外界大气的通风。这样不但有效地实现了发动机主轴密封系统的封严，也确保了避免润滑油的大量流失。采用离心通风器的发动机型号有 WP7、 P29-300、10A 等。 nts 第 4 页 共 42 页 3 离心通风器的设计计算 本系统的离心通风器的设计计算主要是指转子的设计计算。对转子主要结构尺寸（叶片长度、叶片外径和流通部分直径）的进行了设计计算研究。对于转子其他结构尺寸的设计，一般按经验设计即可满足使用要求。此外，离心通风器作为一个独立的附件，需要由专门的传动机构来驱动，因此设计时 还需要计算其所消耗的传动功率。同时作为一个新产品，也需要进行试验，在计算中的计算主要是计算分离效率，在此也一并给出。最后，给出离心通风器的工作性能评价公式。为了满足生产加工的需要作者给出了零件及装配体的工程图。 3.1 转子主要结构尺寸计算 3.1.1 油珠的运动分析 进入壳体内腔的空气实际上是空气和润滑油的两相混合物，既空气中含有少量润滑油的雾状混合物，由于壳体内腔里的转子以极高的转速（ 11300r/min 14600r/min）旋转，在壳体内腔中形成离心力场，在转子叶片的作用下，油气混合物在壳体内腔 的运动变得十分复杂，给分析油珠的运动造成较大的困难，故作如下处理： 空气油雾是由液态的油珠和空气两部分组成，故油珠的密度大于空气的密度； 由于油珠所占空间体积很小，认为流入壳体内腔的主要是空气，油珠则是空气中的球形“杂质”，油珠杂质随空气一起运动，故可忽略二者的速度差； 空气油雾通过壳体和转子时的流动是连续且稳定的； 油珠在运动中其质量不变化，没有任何损失； 空气密度不发生改变，即空气是不可压缩的流体。 根据上述假设，以油珠为研究对象，并且设定油珠处在临界状 态，即通风器所能分离出的油珠直径为最小 mind 时的运动状态，也是最坏情形，油珠在被分离前没有接触到叶片，或者只是在离开叶片的瞬间接触到叶片如图 3.1 所示的 M 点。为方便分析、作图，把 M 点移至 O 点进行分析。油珠在壳体内腔的运动属于多重空间运动，一是油珠随空气一起向前的轴向运动，一是在叶片作用下随空气一起旋转的旋转运动以及在离心力作用下产生的离心运动。因为离心力与逃逸力（空气阻力与向心力的合力）相等，故油珠的离心运动属动平衡运动。由此可见油珠的运动速度有油珠的相对径向速度 1v ，轴向运动速度 2v ，油珠的圆周方向的切向速度3v等。参见图 3.1。 nts 第 5 页 共 42 页 图 3.1 油珠运动分析简图 程序界面如图 3.2 图 3.2 程序主对话框 3.1.2 构造转子的设计计算模型 由上述运动分析可知，“杂质”油珠的受力情况为：在轴线方向上，油珠与空气一起以相同的速度运动，故油珠在轴向无阻力；在旋转半径方向上，油珠杂质受到离心力 1p 、空气旋转所施加的向心力 2p 以及空气阻力3p；油珠所受的重力 G。取离心nts 第 6 页 共 42 页 力、向心力、空气阻力和重力位于同一垂直平面的时刻进行受力分析，如图 3.3 所示。 图 3.3 油珠受力分析简图 1. 离心力 m i n320121 )(6 dRRmp （ 3.1） 式中： 1p 油珠所受的离心力， N； 1m 油珠的质量； kg； R 油珠的旋转半径， m3； 0 油珠的旋转角速度， rad/s； mind 油珠直径（可被分离出去的最小直径）， um； 1 润滑油密度， kg/m3 ； 油珠的角速度对转子角速度的滞后系数； 0 转子的旋转角速度， rad/s。 2. 向心力 3m i n202222 )(6 dRRmp （ 3.2） 式中： 2p 油珠所受的向心力， N； 2m 与油珠同体积的空气的质量， kg； 2 空气密度， kg/m3。 油珠能够从空气中飞离出去，就是离心力和向心力的合力的结果，在此把二者称为逃逸力 p，其方向为沿旋转半径从圆心指向外，大小为 3m i n2021 )(6 dRppp （ 3.3） nts 第 7 页 共 42 页 式中： 润滑油密度与空气密度差， 3/mkg 。 3. 空气阻力 24 1222m i nvdCpf （ 3.4） 式中： 3p 空气阻力； fC 阻力系数，为雷诺数的函数。 在斯托克斯区域内 fC=eR24 （ 3.5） 油珠的雷诺数为 2min1dvRe （ 3.6） 故得到空气阻力为 m i n1122m i n22m i n13 32424 dvvddvP （ 3.7） 式中： 3p 油珠所受空气阻力， N； 空气的动力粘度， kg/m.s； 1v 油珠的相对径向速度， m/s； mind 油珠的直径， m。 4. 重力 可以证明重力相对于离心力很小，故在此计算中省略不计。 油珠在运动中逃逸力与空气阻力相等，即 3pp（ 3.8） 将式（ 3.3）、式（ 3.7）代入式（ 3.8）得 3m in20 )(6 dR min13 dv 由此得直径为 mind 的油珠在旋转半径为 R 处的瞬时相对速度 1v 为 nts 第 8 页 共 42 页 18)(lim 20m i n201RddtdRtRvt（ 3.9） 整理得 RdR tdRd 18 )(20m in2 两端积分 tRR ddRdR m a x0202m i n18)(12 得 21ln RR m a x20m i n218 )( tRd 由此可得油珠被抛离到壳体内腔上所需的最长抛离时间 21120m i n2m a x ln18 )( RRRdt （ 3.10） 式中： 1R 转子叶片外圆半径， mm； 2R 转子流通部分的半径， mm。 在工程设计中，根据实际需要及方便计算，常取流体的平均流速来进行计算，其计算公式为 Avdv AA （ 3.11） 如果已知有效截面上的流速分布及有效截面，或已知流量与有效截面，均可求得平均速度，但事实上流速分布很难确定，所以一般多采用由已知流量与有效截面来求平均流速，既取 AQv（ 3.12） 根据假设 AQvv 2（ 3.13） 故油珠通过壳体内腔的最长通过时间为 QRRLQLAvLt )( 22122m a x （ 3.14） nts 第 9 页 共 42 页 式中： 2v 油珠随空气流过壳体内腔的速度， m/s； L 转子叶片的长度， mm； Q 单位时间内通过壳体内腔的空气流量， kg/s； A 壳体的通道面积， m2； 因转子叶片而减少壳体的通道面积的系数。 欲使直径为 mind 的油珠被抛离出去，只需油珠的抛离时间不大于其通过时间即可，即 maxmax tt 将式（ 3.10）、式（ 3.14）代入得 21120m i n2 ln18 )( RRRd QRL )( 2212 整理得油珠被分离出去时，转子的叶片有效长度应满足的关系式。 2022212m i n21)(ln18RRdRRQL （ 3.15） 又有经验公式 1kdL （ 3.16） 12 dd （ 3.17） 式中 k 长径比例系数； 直径比例系数； 1d 转子叶片外圆直径， mm； 2d 转子流通部分直径， mm。 把式（ 3.16）、式（ 3.17）代入式（ 3.15）得 312m i n20222 )1(ln72dkQL （ 3.18） 在实际计算中可取 312m i n20222 )1(ln72dkQL （ 3.19） 综上，在给定离心通风器的空气流量、空气密度及黏度、润滑油的密度、转子转nts 第 10 页 共 42 页 速的情况下，若能确定转子的长径比例系数及直径比例系数、油珠直径、角速度滞后系数及流通面积减少系数，就可由式（ 3.19）、式（ 3.16）、式（ 3.17）计算出转子的有效长度， 转子叶片外圆直径及转子流通部分的直径等主要结构尺寸（如图 3.4 所示）。据此可设计的离心通风器能够把所有直径小于 mind 的油珠分离出来。 图 3.4 离心通风器转子主要结构尺寸简图 3.1.3 计算实例 设取小油珠直径 mind =1.2694 610 m，转子转速 min/120000 rQ=0.0495kg/s，空 气 动 力 黏 度 510377.2 kg/m.s ， 润 滑 密 度 31 /800 mkg ，空气密度32 /373.1 mkg ，长径比例系数 k=1.18,直径比例系数 =0.34，角速度滞后系数 =1，流通面积减少系数 =0.9。 把上述数据代入公式（ 3.19）得 mmL 6510089.18)34.01(120009.0)3737.1800(14.334.0ln18.110377.20495.072 311022225 代入式（ 3.16）、式（ 3.17）得到转子的外径和流通部分 直径分别为 mmkLd 55/1 mmdd 912 程序界面如图 3.5 nts 第 11 页 共 42 页 图 3.5 转子设计对话框 3.2 离心通风器消耗功率计算 转子转动所需驱动功率由转子所消耗的功率、转子对油雾旋转所消耗的功率及支承轴承的摩擦功率损耗三部分组成，即 321 NNNN （ 3.20） 式中 N 转子所消耗的总功率， W； 1N 转子转动所消耗的功率， W； 2N 转子对油雾旋转所消耗的功率， W； 3N 支承轴承的摩擦损耗功率， W。 下面分别给出这三个公式的计算方法。 1. 转子转动所消耗的功率 带动转子所需功率是在发动机启动或加速过程中，在一定加速时间内所需的带动转子加速 的功率。 tIN 2 )( 12221 （ 3.21） 式中 I 转子转动惯量， kgm2； 1w 转子的初始角速度， rad/s； 2 转子的最终角速度， rad/s； t 加速 时间， S。 2. 转子对油雾旋转所消耗的功率 nts 第 12 页 共 42 页 aHQrN 2（ 3.22） 式中 Q 折算成标准大气压状态下的空气泄露量， m3/s； r 转子外半径， m； 转子角速度， rad/s； 空气密度， kg/m3； aH 压头系数。 3. 支承轴承的摩擦功率损耗 603 dnFfN （ 3.23） 式中 F 轴承上的径向载荷， N； d 轴承内径， m； n 转子转速， r/min； f 轴承内滚动体与跑道的摩擦系数 。 功率计算程序界面如图 3.6 图 3.6 功率计算对话框 3.3 通风器的分离能力试验计算 通风器的分离能力试验是通过试验测出转子或叶轮的切线速度、空气流量等对润滑油质点分离量及分离效率的影响，测出通风器可分离的最小油珠的临界直径，从而得到通风器的分离性能随切线速度和气体流量的变化关系曲线。通风器的分离能力用分离率表示，其计算公式如下： nts 第 13 页 共 42 页 qQQ（ 3.24） 式中 Q 润滑油的分离量， L/min； q 润滑油的未被分离量， L/min。 试验时，测出通风器在不同转速或不同空气流量下的分离前后的润滑油量，代入上式即可得到通风器的分离效率。 3.4 离心通风器分离能力评价计算 评价离心通风器的分离能力，设计时通过评价其可分离最小油珠直径来说明。实际计算时把理论计算的临界油珠直径乘以一个修正系数得到油珠实际临界直径，既 minfdds （ 3.25） 式中 f 修正系数。 由式 3.15 得 21202222121m i n ln)(18RRRRLQd（ 3.26） 代入式 3.26 得 21202222121 ln)(72ddddLQfds （ 3.27） 分离能力计算界面对话框如图 3.7 图 3.7 分离能力计算对话框 4 离心通风器的三维参数化设计 nts 第 14 页 共 42 页 当今市场上流行的多数 CAD 软件都具有了参数化功 能，可根据实际情况进行选用。 Pro/E 软件除了提供方便而强大的实体建模功能外，也提供了完善而先进的参数化设计。本系统选用 Pro/E 软件的 2.0 版本完成了离心通风器的参数化设计。 4.1 基本原理 本系统采用三维模型与程序控制相结合的方法。三维模型不是由程序创建，而是利用交互方式产生。在已创建模型基础上，进一步根据零件的设计要求建立一组可以完全控制三维模型形状和大小的设计参数。参数化程序针对该零件的设计参数进行编程，实现设计参数的检索、修改和根据新的参数值生成新的三维模型的功能，其过程如图 4.1 所示 图 4.1 基于三维模型的参数化设计实现过程 由于这种方式是在已有三维模型的基础上，通过修改设计参数派生新的三维模型，因此，我们称之为基于三维模型的参数化设计。 4.2 参数的分类 离心通风器各主要零件的结构都十分复杂，三维参数化设计所涉及到的参数比较多，参数的管理就是个很重要的内容。对于每个零件，利用建模时的标注尺寸参数作为驱动尺寸，当某个驱动尺寸发生改变时，实体大小也随着改变。离心通风器的个零件都有自己的参数系列，在这里不是把每个参数都列入对话框当中，因为结构相同而大小不一的零件有 些特征的参数是可以固定不变的。如果对于那些设计过程的不需要改变的参数也由用户干预，就会给开发系统的后续使用复杂化，造成不必要的人力资源浪费。为此，将参数化为不同的等级，把用户不关心的尺寸封闭起来，对用户表现为不可见，将驱动模型的参数分为主参数，牵连参数和常值参数三类。 4.3 主参数的确定 实现零件的参数化尺寸驱动的关键在于提取主参数和尺寸关联的完成，主参数应根据零件的结构功能进行提取，以满足用户需求为本。 转子是一带有叶片的叶轮，叶片数目影响油珠的旋转角速度，叶片数目越多，油三维模型样板 从三维模型中读入设计参数 参数化设计程序 修改设计参数 派生新的三维模型 nts 第 15 页 共 42 页 珠的角速度越接近叶片的角速度。 中心是支撑转子的中心轴，轴上开有通气孔，被分离后的空气从中心孔排出，实现轴承腔与外界大气的通风。通气孔的数目与叶片数相同。综合确定离心通风器的主参数为：转子叶片的外圆半径、叶片长度、叶片数目，流通部分的直径。 把结构尺寸中的除了主参数的尺寸尽可能的用主参数加以驱动，形成牵连参数。下面是确定参数关系的一段表达式列表。 p85=叶片数 d18=外径 d65=叶片长度 d170=流通直径 d82=360/p85 p123=p85 d120=d82 d31=d82/2 p34=2*p85 d36=d31 p39=p34 d151=d65+23.1-15.9728 d6=d151-69.4 d166=(d170/2)+2.5 4.4 零件模型的建立 转子模型如图 4.1 所示，在离心通风器中转子是核心组成零件，其设计是否合理直接影响通风器的性能，设计能否成功，因此转子的建模就显得十分重要。 在 Pro/E 环境用人机交互方式建立三维模型样板。模型样板的创建方法与一般三维模型相同，但必须注意以下几点： 在对三维模型样板进行特征造型时，对二维截面轮廓，利用尺寸标注和施加相切、固定点、共线、垂直及对称等关系实现对几何图形的全约束。 正确设置控制三维模型的设计参数。设计参数可以分为两种情况：一是与他参数无关的独立参数；另一种是与其他参数相关的非独立参数。前者主要用来控制三维模型的几何尺寸和拓扑关系、后者可以用独立参数为自变量的关系式表达。实nts 第 16 页 共 42 页 际上参数化设计采用程序采用的是第一种情况的设计参数，对于后者可以不设置参数而直接用关系式表示。 正确建立设计参数与三维模型尺寸变量之间的关联关系在 Pro/E 中创建草图、加减材料和其他修饰特征时，系统将会以 d0、 d1、 d2 等默认符号给约束参数命名。系统的约束命名是由 Pro/E 系统自动创建的，其值控制三 维模型的几何尺寸和拓扑关系，与用户建立的参数无关。要使用户建立的设计参数能够控制三维模型，必须使两者相关联。主要有两种方法： 需要输入数值时，直接输入参数名。如在草图中标注或修改尺寸值时用参数名代替具体数值。 利用 Pro/E 关系式功能创建新的关系式，使 Pro/E 系统自动创建的约束参数名与设计参数关联。 对于倒角或倒圆特征，必须用第二种方法使约束参数与设计参数相关联。要在三维模型中或草图中显示参数名，可以在“信息”菜单中选择“切换尺寸”菜单项。 6 个叶片 原模型 7 个叶片 图 4.2 通风器转子模型 5 Pro/E 的二次开发 nts 第 17 页 共 42 页 5.1 Pro/TOOLKIT 简介 虽然 Pro/E 软件功能非常强大，通用性非常好，然而在具体使用中不能满足各种设计要求，特别是国外的 CAD/CAE/CAM 系统在设计标准、规范标准及标准件库方面和国内存在较大差异，因此，以 Pro/E 软件为平台进行二次开发，使之适合国内及企业设计要求，更大限度地发挥 Pro/E 的作用，已成为该软件应用过程中的一项重要工作。 Pro/TOOLKIT 是美国 Parametric Technology Corporation (PTC)公司为 Pro/E 软件提供的开发的工具包，其主要目的是让用户或第三方通过 C 语言代码扩充 Pro/E 系统的功能，开发基于 Pro/E 系统的应用程序模块，从而满足用户的特殊要求。不仅如此，还可以利用 Pro/TOOLKIT 提供的 UI 对话框、菜单以及 VC 的可视化技术，设计出方便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效率。 Pro/TOOLKIT 工具包提供了开发 Pro/E 所需的函数库文件和头文件，使用户编写的应用程序能够安全地控制和访问 Pro/E，并可以实现 应用程序模块与 Pro/E 系统无缝集成。 在 Pro/E17 版本及该版本之前， PTC 公司提供的开发工具是 Pro/DEVELOP,从Pro/E18 版本之后， Pro/E 系统的开发环境采用 Pro/TOOLKIT。 Pro/TOOLKIT 支持在Windows2000/NT/XP 操作系统中使用 C 和 C+语言设计程序，采用 Microsoft Visual C+6.0 作为编译器和连接器，并可以在 Microsoft Visual C+6.0 集成环境下完成程序的设计、调试和编译。 5.2 Pro/TOOLKIT 的工作模式 总 的来说， Pro/TOOLKIT 应用程序有两种工作模式。一种为同步模式；另一种为异步模式。 同步模式包含两种模式，既动态连接库模式（ DLL 模式）和多进程模式也称为派生模式，分述如下： 动态连接模式是将 Pro/TOOLKIT 应用程序集成到 Pro/E 中的标准方法。用户编译C 应用程序，与 Pro/TOOLKIT 库连接，这种方法称为 DLL 模式。 多进程模式，是 Pro/TOOLKIT 支持的第二种将应用程序和 Pro/E 集成的方法在这种模式下，应用程序代码经过编译和连接，生成独立的执行文件。该文件由 Pro/E派生，并作为 Pro/E 的子进程运行。 两种模式比较：在 DLL 模式下， Pro/TOOLKIT 应用程序与 Pro/E 的信息交换是nts 第 18 页 共 42 页 通过直接函数调用实现的；在多进程模式下，信息交换是由进程之间消息系统完成的，该系统模拟直接函数调用，在两个进程间传递函数的识别信息及其参数。 多进程模式包含比 DLL 模式更多的交换过程，当 Pro/TOOLKIT 应用程序需要频繁调用库函数时，情况更是如此。多进程的优点在于，能够用源代码调试器运行Pro/TOOLKIT 程序，无需将整个 Pro/E 执行程序加载到调试器中。 在一个 Pro/E 会话中，可以运行多个 Pro/TOOLKIT 应用程序，并能综合使用各种模式。如果为了调试方便，在开发阶段使用多进程模式，在为客户安装应用程序时，需要转换为 DLL 模式，因为 DLL 模式性能更好，在转换时需要仔细测试程序，因此在不同模式下，错误的表现形式不同。 虽然多进程模式包含两个并行运行的进程，但是这些进程不提供真正的并行处理。 Pro/TOOLKIT 的异步模式提供了真正的并行处理功能。异步模式和同步模式有着本质的不同。 异步模式和同步模式相比，具有代码复杂、执行速度慢的缺点。除非特别需要，一般不建议采用异步模式。 5.3 二次开发 具体过程 1. 编写源文件 源文件包括资源文件和程序源文件：资源文件包括菜单资源文件、窗口信息资源文件、对话框资源文件等（详细代码见附录 A）。程序源文件指我们所要编写的 C 语言程序，它是整个 Pro/TOOLKIT 程序开发的核心部分。从结构上看可以分为 3 个部分，即头文件包含部分、用户初始化函数部分和用户结束中断函数部分。 头文件部分即应用程序包含文件部分，也就是指定 Pro/TOOLKIT 应用程序所使用对象函数的原形文件。每个 Pro/TOOLKIT 应用程序都必须包括的头文件是“ Pro/TOOLKIT.h”。如果使用了 Pro/TOOLKIT 对象函数，则应包括该函数的原形的头文件，否则在编译该文件时，会出现编译器不能对函数参数类型进行检索的错误。 Pro/TOOLKIT 应用程序的核心是用户初始化函数 user_initialize()和用户结束中断函数 user_terminate()。在启动和结束 Pro/TOOLKIT 应用程序时调用它们。 user_initialize()函数用来初始化 Pro/TOOLKIT 应用程序且创建图形窗口。该函数包括应用程序的所有初始化进程，包括对 Pro/E 菜单的修改、对话框的添加、窗口信息初始化等操 作。若此函数的返回值为 0，则表明 Pro/TOOLKIT 应用程序初始化成功。其他返回值均说明程序有错误，系统会加以相应的错误代码说明。 nts 第 19 页 共 42 页 User_terminate()是用户结束中断函数。用其结束 Pro/TOOLKIT应用程序的执行。 程序界面如图 5.1 所示 图 5.1 转子设计对话框 2. 程序的编译和连接 Makefile 是用来指定源文件如何进行编译和连接，并最终生成可执行文件或 DLL 文件，因此，可以根据 Makefile 内容进行编译和连接工作。 采用 VC+6.0 作为 Pro/TOOLKIT 调试器有两种方法，一 种是根据 Makefile 文件直接编译和调试程序；另一种则不需要编写 Makefile 文件，直接由 VC+6.0 建立Pro/TOOLKIT 应用程序项目，并进行编译和连接等工作。 直接采用 Makefile 文件进行编译工作，需要编写好源文件和 Makefile 文件。步骤如下： 将 Makefile 文件改名为 *.mak 文件，用 VC 打开此文件并建立相应的工程项目。 执行 VC 主菜单命令 Build/Build All,编译连接生成需要的可执行文件或 DLL 文件。 直接由 VC 建立并编译 Pro/TOOLKIT 应用程序项目。步骤如下： 编写 C 语言源程序（可以由写字板直接编写，然后该名为 *.C），双击打开此程序，运行选择 VC 主菜单命令 Build/Build All 生成，默认的工程项目。 选择 VC 主菜单命令 ToolOption,系统弹出 Option 对话框，打开 Directories 选项卡，在 Show directories for 下拉列表中选择 Includes files,在 Directoriesnts 第 20 页 共 42 页 中添加以下路径： D:PTCproeWildfireprotoolkitincludes D:PTCproeWildfireprodevelopincludes D:PTCproeWildfireprotoolkitprotk_applsincludes D:PTCproeWildfire 在 Show directories for 下拉列表中选择 Library file,在 Directories 中添加以下路径： D:PTCproeWildfireprotoolkiti486_ntobj D:PTCproeWildfireprodevelopi486_ntobj 选择 VC 主菜单命令 Project/Settings,系统弹出 Project Settings 对话框。打开 Link 选项卡，在 Output file name 编辑框中填写输出文件名称，在Object/library modules 文本框中加入以下库文件： protoolkit.lib protk_dll.lib libc.lib wsock32.lib mpr.lib libcd.lib 3. 应用程序的注册和运行 编译连接成功生成可执行程序后，要把 Pro/TOOLKIT应用程序集成 Pro/E系统中，必须进行应用程序的注册，然后才能运行。 注册 应用程序，就是向 Pro/E 系统提供该程序的相关信息，就是告诉 Pro/E 此应用程序可执行应用程序在哪里、以及此程序所依据的 Pro/TOOLKIT 的版本信息等。 为了囊括上述内容，需要制定一个 protk.dat 文件，通过该文件来实现应用程序的注册。下面是注册文件的内容： NAME canshuhuasheji EXEC_FILE .参数化设计 Release参数化设计 .dll TEXT_DIR .参数化设计 Releasetext STARTUP dll ALLOW_STOP TRUE nts 第 21 页 共 42 页 DELAY_START TRUE REVISION 2002 END 编好注册文件后，就可以利用此注册文件进行 Pro/TOOLKIT 应用程序的注册了，有两种注册方式：一种是自动注册方式；另一种是手动注册方式。 自动注册方式，将注册文件放在 Pro/E 启动目录下，当启动 Pro/E 系统时系统就会自动读取此注册文件并运行相应的 Pro/TOOLKIT 应用程序。 手动注册方式，将 Pro/TOOLKIT 应用程序以辅助应用程序形式启动。程序注册运行的步骤如下： 启动 Pro/E 系统。 选择 Pro/E 主菜单命令的工具 /辅助应用程序，系统弹出辅助应用对话框。 单击注册按扭，系统弹出对话框。找到 Pro/TOOLKIT 应用程序的注册文件，选取该文件，单击打开按钮。 在辅助应用对话框中显示该应用程序的名称和状态。 选择该注册文件单击启动按钮既可以运行该应用程序。 如果注册成功，就会弹出一个对话框显示“注册成功！”。同样如果注册失败就会弹出另一对话框显示“程序未响应！”。成功注册后就会发现在 Pro/E 的菜单项就会多出一个“参数化设计”菜单。点击该下拉菜单，选择“通风器参数化设计”一项就会弹出通风器转子的三维参数化设计的对话框。选 择相应的参数名，并修改其数值，点击再生按钮就可以生成需要的模型。 nts 第 22 页 共 42 页 结 论 作者在仔细分析、研究所能获得的资料基础上，对离心通风器的常规设计、计算进行了归纳、总结，并采用 VC+使之全部程序化。在掌握三维设计软件 Pro/E基础上，完成了离心通风器的三维参数化设计。此项课题的完成可得出如下结论： 1.为消除手工计算的弊端，采用 VC 软件把离心通风器的设计计算完全程序化。使烦琐的计算变得方便、快捷，同时精确度也得到提高。 2.在掌握 Pro/E 软件的基础上，运用该软件完成了离心通风器转子的三维参数 化设计，以及其他零件和装配体的三维建模。使得离心通风器的设计周期大大缩短，设计成本大大降低，提高了生产效率。 3.为了便于生产加工给出二维工程图，其中包括部分零件图和装配图。 当然，系统还存在一定的不足，如未能对离心通风器的装配进行参数化设计，也没有实现离心通风器和高空活门的一体化设计。今后还有一定的完善的空间，可以根据需要进行进一步的开发。 nts 第 23 页 共 42 页 致 谢 本论文是在 讲师李茂胜 的精心指导下完成的。论文从立题到最后完成，其中每一步都凝聚着 老 师的心血。 老 师渊博的知识、敏锐的洞察力、 求实的作风、严谨的治学态度，给学生带来深刻的影响。宽厚的人品，将令学生感怀一生。在此，谨向 李 老师致以衷心的谢意。 在论文的撰写和实际系统的调试过程中，得到了实验室老师们的帮助，在此向他们表示感谢。 最后对论文完成工作中，给以作者关怀和帮助的所有老师和同学表示诚挚的谢意。 感谢所有关心、帮助、爱护我和激励我不断前进的人们！ nts 第 24 页 共 42 页 参 考 文 献 1 林清安 . Pro/Engineer Wildfire2.0 零件装配与产品设计 . 北京：电子工业出版社 ，2005.4 2 董本涵，高鹏飞，霍成民 .离心通风器结构分析， 2003 3 马成可，董本涵等 .离心通风器壳体失效分析， 2002.3 4 刘自虎，张劲，李军 .某型发动机离心通风器故障模式分析及预防措施， 2002 5 王雷 . Pro/Engineer Wildfire 产品基础与产品造型实例 . 北京：机械工业出版社， 2003.9 6 王明福，余苏宁 . Vusual C+程序设计 . 北京：高等教育出版社， 2003.6 7 杨守志，孙德堃，何方笺 .固液分离 . 北京：冶金工业出版社， 2003 8 孙雄勇 . Vusual C+6.0 入门与提高实用教程 . 北京：中国铁道出版社， 2003.9 9 钱能 . C+程序设计教程 . 北京：清华大学出版社， 1999 10 马安鹏 . Visual C+程序设计导学 . 北京：清华大学出版社， 2002.9 11 李富成 .流体力学及流体机械 . 北京：冶金工业出版社， 1980 12 沈阳发动机研究所 .航空涡喷、涡扇发动机润滑系统设计通风器及油气分离器设计规范（内部资料）， 2003 13 邓维远，周国志 . 磨床砂轮架零件三维参数化 CAD 系统的开发 . 北京：机械工业出版社， 2004 14 李 世国 . Pro/TOOLKIT 程序设计 . 北京：机械工业出版社， 2003.6 16 张继春 . Pro/Engineer Wildfire 二次开发实用教程 . 北京：北京大学出版社，2003.6 17 张峰，李兆钱，黄传真 .参数化设计的设计研究与现状， 2002 18 郭荣良，郭清南，祝世兴 .流体力学及应用 . 北京：机械工业出版社， 1996 nts 第 25 页 共 42 页 附录 A 程序源文件 相关文件如下： （ 1）工程文件： Example7.dsw （ 2）菜单信息文件： Message7.txt,保存目录为 G:bysjProeDevelop参数化设计 Releasetextchinese_cn G:bysjProeDevelop参数化设计 Releasetextusascii （ 3） UI 对话框资源文件： Example7_1.res 保存目录为 G:bysjProeDevelop参数化设计 Releasetextchinese_cnresource G:bysjProeDeve
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