基于PROE的旋笔刀造型设计

基于PROE旋笔刀造型设计摘要：CAD/CAM作为制造核心和关键技术，其从根本上改变了机械设计人员的工作方式，使零件设计更加方便，零件装配更加直观，大大的提高了设计质量和工作效率，缩短了产品更新换代的周期，在机械设计领域有着相当大的作用。Pro/E作为一款集CAD/CAM/CAE一体的绘图软件，其三维实体造型，是以构建实体特征（基本实体特征、附属实体特征）、曲面特征和基准特征为基础的实体造型。通过对实体进行分析，构建不同的基础特征，生成零件，并且装配，达到三维实体造型的目的。本文主要介绍通过Pro/Engineer三维实体造型，建立不同的特征，利用逆向造型原理，根据购买卷笔刀量取实体的各部分长度，装配成卷笔刀的三维实体关键词：Pro/E三维实体造型CAD/CAM卷笔刀IProductdesignbasedonPro/EAbstract：CAD/CAMasamanufacturingcoreandkeytechnologies,fundamentallychangedtheworkofthestaffofthemechanicaldesign,partdesignismoreconvenient,moreintuitivepartassembly,greatlyimprovethedesignqualityandworkefficiency,shortenproductreplacementthecyclehasaconsiderableroleinthefieldofmechanicaldesign.Pro/EasasetofCAD/CAM/CAEintegratedmappingsoftware,3Dsolidmodeling,basedontobuildentitycharacteristics(basicphysicalcharacteristicsofsub-entitycharacteristics),thesurfacefeatureandthedatumfeature-basedsolidmodeling.Entitytobuildadifferentbaselinecharacteristicstoproducepartsandassembly,toachievethepurposeofthethree-dimensionalsolidmodeling.ThispaperdescribesthePro/Engineer3Dsolidmodelingtoestablishthedifferentcharacteristics,usingtheprincipleofreversemodeling,buypencilsharpenermeasurethelengthofeachpartoftheentity,assembledintoathesharpenerofthree-dimensionalentity.Keywords:Pro/E3DsolidmodelingCAD/CAMsharpenerII目录1前言11.1CAD/CAM的发展与应用概况21.2CAD/CAM技术31.3研究Pro/E三维实体造型的意义32Pro/E软件简介及基本操作52.1Pro/E软件简介52.2Pro/E主要模块62.3Pro/E基本操作63CAD软件简介及基本操作93.1CAD软介件III简93.2CAD主要功能93.3CAD基本操作104基于Pro/E的产品造型设计144.1装屑盒壳体造型144.2夹紧机构造型144.3手柄及切削机构造型164.4主体造型174.5元件装配184.6渲染效果185结IV论206参考文献217致谢22附录一附录二01前言1.1CAD/CAM的发展与应用概况1.1.1CAD/CAM的发展现代社会无论哪一方面的设计都离不开绘图，但是传统的手工绘图不仅速度慢，而且质量也不高，所花费的精力也多。随着计算机技术的不断进步，使得以计算机为辅助系统的绘图工具的优点更加突出。正因为如此，CAD/CAM成为计算机在绘图方面应用最广泛的工具。CAD（计算机辅助设计）是指工程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工装设计、工程分析等。CAD技术大致经历了四个发展阶段：（1）形成期1950年美国麻省理工学院采用阴极射线管（CRT）研制成功图形显示终端，实现了图形的动态显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史。（2）发展期20世纪50年代后期出现了光笔，从而开始了交互式绘图。到20世纪70年代CAD技术以二维绘图和三维线框图形系统为主。（3）成熟期1973年诞生了第一个实体造型（SolidModeling）实验系统，并于1978年推出了第一代实体造型软件，此后20年实体造型技术成为CAD技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的CAD软件系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了CAD技术的应用领域。（4）集成期CAD、CAM各自对设计和生产所产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和制造自动化的需求，出现了集成化的CAD/CAM系统。CAM（计算机辅助制造）是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，如计算机辅助数控加工编程、制造过程控制、质量检测与分析等。从CAM的发展历程来看大致分为两个部分：1（1）第一阶段APT语言编程方法在计算机上的运用，实现了NC程序编制的自动化。数控机床与计算机辅助数控数控程序编制的出现，成为了CAM硬、软件的开端。它将高效率与高柔性融合于一体，实现了单机的柔性自动化，为现代技术柔性制造技术奠定了基础。（2）第二阶段20世纪70年代后期，随着几何造型技术、图形显示技术和数控编程后置处理技术的发展和应用，出现了交互式图形编程系统，标志着CAM技术发展到成熟阶段，随后，出现了加工过程仿真和加工程序检验系统，也为CAD/CAM系统集成奠定了基础。1.1.2CAD/CAM运用状况近20年中，CAD/CAM是发证最迅速的技术和产业之一，也是应用领域最广泛的实用技术之一，它推动了制造领域的革命。根据资料表明：机械、电子、建筑领域已经趋于成熟。航天、造船、机床制造、汽车等是国内外运用CAD/ACM技术较早的工业部门。同时CAD/CAM技术还广泛运用于电子工业；土木建筑领域；以及轻纺服装行业的花纹图案与色彩设计、款式设计、排料放样及衣料剪裁；人文地质领域的地理图、地形图、矿藏勘探图、气象图、等位面图的绘制；电影电视中动画及特技镜头的制作等许多方面。我国的CAD/CAM应用从20世纪90年代进入全面推广阶段，至20世纪90年代后期，已经覆盖了重型机械、矿山机械、工程机械、电工电器、机床、航空航天、兵器、仪表仪器、建筑、服装行业等。如今在国流行CAD/CAM软件有10多种，其中运用广泛的如UG、Pro/E、Solidworks、CATIA等，同时，国内的一些高校、机构也自行研发的CAD/CAM系统如CAXA电子图板、CAXA制造工程师、开目CAD、高华CAD等也得到运用，这使我国的CAD/CAM技术得到了很大的提升。1.2CAD/CAM技术1.2.1CAD/CAM技术功能在CAD/CAM系统中，计算机主要帮助人们完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息传输与转化、结构及过程的分析与优化、信息管理与过程管理等工作，因此，作为CAD/CAM系统，应具备图形图像处理、产品与过程建模、信息存储与管理、工程计算分析与优化、工程信息传输与交换、人机交互、信息的输入与输出等功能。21.2.2CAD/CAM技术特点有利于发挥设计人员的创造性，将他们从大量繁琐的重复劳动中解放出来；减少了设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短了设计周期；由于采用了计算机辅助分析技术，可以从多方案中进行分析、比较，选出最佳方案，有利于实现设计方案的优化；有利于实现产品的标准化、通用化、和系列化；提高了加工效率；提高了产品的质量和设计、生产效率等技术特点。1.2.3CAD/CAM主流技术基础造型技术（参数化设计、变量设计及特征造型技术）CAD/CAM的技术发展是一个阶段性的过程，由最初的仅限于计算机辅助绘图，到从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生的三维线框造型、曲面造型以及实体造型。再到如今的参数化以及变量设计和特征造型技术，成为CAD/CAM的主流技术。传统的绘图软件都用固定的尺寸定义集合元素，当需要修改绘图时，只有删除线条，重新绘制，这样不仅是工作变得繁复，而且增加了设计时间。所以引入了参数化设计，当需要改动绘图时，仅需要改变尺寸参数，这样使绘图修改更加便捷，大大的缩短了绘图时间。变量化设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。特征造型是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征(feature)在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。特征造型技术使得设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产。1.3研究Pro/E三维实体造型的意义Pro/E作为当今使用率最高的三维设计软件之一，涉及CAD、CAM和CAE等领域，具有以下特点：31.3.1全相关性Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档。包括装配体、设计图纸，以及制造数据等。这样使得在开发周期中任意一点进行修改，不会有任何的损失。1.3.2基于特征的参数化造型Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构建要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置方便进行修改。例如设计特征有弧、圆角、倒角等他们对于工程人员来说是很熟悉的因而易于使用。在装配、加工和制造中通过对这些特征设置参数，很容易进行多次设计选代，实现快速产品开发。1.3.3数据管理用于管理并行工程中同时进行的各项工作1.3.4装配管理Pro/E的基本结构能够使设计者使用一些直观的命令，如“啮合”、“插入”等，很容易把零件装配起来，同时保持设计意图。1.3.5易于使用Pro/E中菜单均以直观的方式级联出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简单的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得用户更加容易学习。通过对Pro/E的三维实体造型研究，熟悉Pro/E的功能特点，有利于掌握三维造型的相关知识，才能合理利用软件，提高设计的效率和质量。42Pro/E软件简介及基本操作2.1Pro/E软件简介Pro/E是美国PTC（参数技术公司）开发的一款三维辅助设计软件，它为用户提供了一套从设计到制造的完整CAD解决方案。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制造、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用，并且新增人体工程学模块。从目前的市场来看，它所涉及的主要行业包括汽车、航天、电器和玩具等。2.2Pro/E主要模块2.2.1工业设计（CAID）模块工业设计模块主要用于对产品进行几何设计。通过使用Pro/E创建实体建模进行设计意图的预览。该模块包括3D建模、动画模拟、概念设计、网络动画合成、图片转三维模型、和图片渲染等子模块。2.2.2机械设计（CAD）模块机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具。在该模块中可会制任意复杂形状的零件。该模块包括实体装配、电路设计、弯管铺设、应用数据图形显示、曲面设计和焊接设计等模块2.2.3功能仿真（CAE）模块功能仿真模块主要进行有限元分析。通过该模块是设计者能够了解零件内部的受力状态。该模块包括有限元分析、自定义载荷输入、第三方仿真程序连接等。2.2.4制造（CAM）模块在机械行业中用到的CAM制造模块中的功能是NCMachining（数控加工）。数控模块包括铸造模具设计、电加工、塑料模具设计、NC仿真、CNC程序生成和钣金设5计。2.2.5数据管理（PDM）模块Pro/E的数据管理模块可以在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，排除产品故障，改进产品设计。该模块包括数据管理和模型图纸评估。2.2.6数据交换（GeometryTranslator）模块在实际中还存在一些其他CAD系统，如UG、CATIA等，通过数据交换模块才能接收这些系统的数据。该模块包括Pro/CAT（Pro/E和CATIA的数据交换）、Pro/CDT（二维工程图接口）等。2.3Pro/E基本操作2.3.1Pro/E操作界面Pro/E软件的主窗口界面主要由标题栏、菜单栏、工具栏、特征工具栏、绘图区域、导航器、信息栏、状态栏等组成，其中状态栏还包含了一个选取过滤器。（1）菜单栏Pro/E的菜单栏提供了基本的窗口操作命令和模型处理功能。（2）工具栏工具栏将下拉菜单中经常用到的命令以图标按钮的形式提供给用户，并且工具栏上的各个图标按钮都可以在对应的下拉菜单当中找到。根据位置的不同，工具栏又分为主工具栏和特征工具栏。主工具栏一般位于界面的顶部，包括新建、打开和保存等文件操作，以及放大、缩小、定位和刷新模型等视图操作。而特征工具栏主要用于创建模型的各种组合特征，如拉伸、旋转和扫描等类型。（3）绘图区绘图区是建模时的工作区域，一般位于界面的中央。（4）导航器主要用于查看硬盘和网络上的文件，主要包括模型树、文件夹浏览器、和个人收藏夹。（5）信息栏6记录当前窗口进行的一切操作和操作结果，并同时现实工作栏图标的功能解释。图2.1Proe操作界面2.3.2Pro/E文件管理（1）设置工作目录由于Pro/E在运行过程中将大量文件保存在当前目录（默认目录中），而且常常当成当前目录中自动打开文件，所以为了更好的管理文件，在进入Pro/E后，应当首先设置工作目录。图2.2文件管理（2）Pro/E主要文件及扩展名“草绘”：创建二维图形，文件扩展名.sec。“零件”：创建实体零件等，文件扩展名.prt。7“组件”：创建各类组件，文件扩展名.asm。“绘图”：绘制二维工程图，文件扩展名.drw（3）Pro/E文件保存在Pro/E系统中，保存文件的命令主要有“保存”、“保存副本”和备份图2.3文件保存2.3.3视图控制（1）设置常用的视角常用的视角包括标准方向、缺省方向、BACK、BOTTOM、TOP、FRONT、LEFT、RIGHT，这些视角的指令都保存在指定的视图列表中。图2.4常用视角（2）巧用三键鼠标来调整视角在Pro/E系统中，模型视图缩放、旋转或平移等操作可以巧用鼠标三键快速进行，如：缩放模型试图可以将光标置于已经定位好的几何区域中，然后滚动鼠标中键，进行大小的缩放，也可以同时按下Ctrl+鼠标中键，并前后移动鼠标来进行缩放。8旋转将光标置于图形区域，按住鼠标中键，然后拖动鼠标，可以随意旋转模型。平移将光标置于图像区域，按住Shift+鼠标中键，然后拖动鼠标，可以实现模型的平移。3CAD软件简介及基本操作3.1CAD软件简介CAD即计算机辅助设计(CAD-ComputerAidedDesign)利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称cad。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速做出图形显示出来，使设计人员及时对设计做出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。cad能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。3.2Pro/E主要功能(1)设计组件重用(Reuseofdesigncomponents)(2)简易的设计修改和版本控制功能(Easeofdesignmodificationandversioning)(3)设计的标准组件的自动产生(Automaticgenerationofstandardcomponentsofthedesign)(4)设计是否满足要求和实际规则的检验(Validation/verificationofdesignsagainstspecificationsanddesignrules)(5)无需建立物理原型的设计模拟(Simulationofdesignswithoutbuildingaphysicalprototype)(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表(BillofMaterials)(8)设计到生产设备的直接输出9(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出3.3CAD基本操作3.3.1CAD软件经常的选择有菜单栏、工具栏、绘图和修改工具栏、坐标系、布局标签、命令窗口等等。图3.1CAD操作界面3.3.2基本绘图工具，停止命令的方法：鼠标右键确，空格或回ESC键，执行上次命令：按空格键或回车键。10。图3.2绘图栏3.3.3单击任-工具栏-点击需要的工具栏如下图所显图3.3工具栏3.3.4方向坐标输入法：11X轴-水平方向（负数为左、正数为右）Y轴-垂直方向（负数为下、正数为上）Z轴-垂直于XY平面方向图3.4坐标3.3.5CAD基本操作图形介绍图3.5绘图栏12图3.6编辑栏3.3.6CAD常用口令图3.7常用命令图3.8常用命令134基于Pro/E的产品造型设计4.1装屑盒壳体造型Pro/E中最常用的实体造型特征之一即为拉伸特征：将一个剖截面沿着与截面垂直的方向延伸延伸所形成实体或曲面的特征。大多数零件模型和工业产品的造型都可以看作是由多个拉伸特征相互叠加和切除的结果倒圆角可以圆化零件实体的尖锐边线，从而提高产品外观美感，防止模型由于应力集中造成开裂，保障使用过程安全性。该实体造型，运用多个拉伸特征的叠加，最后倒圆角处理，设计的简易装屑盒。通过拉伸命令做出长方体剪切出多余的部分-抽壳-倒角-完成14图4.1装屑盒图4.2夹紧机构造型Pro/E中最常用的实体造型特征之一即为拉伸特征：将一个剖截面沿着与截面垂直的方向延伸延伸所形成实体或曲面的特征。大多数零件模型和工业产品的造型都可以看作是由多个拉伸特征相互叠加和切除的结果倒圆角可以圆化零件实体的尖锐边线，从而提高产品外观美感，防止模型由于应力集中造成开裂，保障使用过程安全性。该实体造型，运用多个拉伸特征的叠加，最后倒圆角处理，设计的简易夹紧机构。拉伸主体-通过减材料拉伸孔-拉伸2个拉伸杆-拉伸定位杆-造型夹紧机构-倒角-完成.15图4.2夹紧机构图图4.3夹紧机构分解图4.3手柄及切削机构造型Pro/E中最常用的实体造型特征即为拉伸特征和旋转特征：将一个剖截面沿着与截面垂直的方向延伸延伸所形成实体或曲面的特征。大多数零件模型和工业产品的造型都可以看作是由多个拉伸特征相互叠加和切除的结果。旋转特征是将草绘截面围绕一条旋转中心线旋转生成的特征，该工具主要用于16生成回转体类型的模型旋转特征是轮毂造型中一种比较实用的造型特征，通过旋转特征，以很好的控制轮毂的直径以及其他尺寸，一次成型初设计。辅以阵列、拉伸、倒圆角等基础特征，可以很好的设计出轮毂外形。倒圆角可以圆化零件实体的尖锐边线，从而提高产品外观美感，防止模型由于应力集中造成开裂，保障使用过程安全性。该手柄及切削机构造型，运用多个拉伸特征和旋转特征的叠加及剪切，最后倒圆角处理。图4.4切削机构图4.4主体造型Pro/E中最常用的实体造型特征即为拉伸特征和旋转特征：将一个剖截面沿着与截面垂直的方向延伸延伸所形成实体或曲面的特征。大多数零件模型和工业产品的造型都可以看作是由多个拉伸特征相互叠加和切除的结果倒圆角可以圆化零件实体的尖锐边线，从而提高产品外观美感，防止模型由于17应力集中造成开裂，保障使用过程安全性。该手柄及切削机构造型，运用多个拉伸特征和旋转特征的叠加及剪切，最后倒圆角处理。图4.5主盒图图4.6主盒图4.5元件装配元件装配就是准确指定实体模型之间的装配约束关系，并将各个模型快速组装成产品。装配约束包括放置、移动和挠性3种类型。将已经建立好的有关轿车的各个元件装配到一起是三维实体造型的一个重要部分。通过各种约束条件，最后装配18好卷笔刀。图4.7整体装配图4.6渲染效果图4.8整体装配图19图4.9proe爆炸图渲染是造型的最后一步，通过渲染可以使造型的效果达到最佳，到达画龙点睛的效果。并且，通过运用渲染的设置，采用不同光源，背景，使得设计完善。使设计效果更加逼真。205结论通过本次毕业设计，使我获益匪浅！首先，是有关Pro/E的知识积累。Pro/E是一个强大的设计制造辅助软件。通过借阅相关的Pro/E教程，使我在运用Pro/E绘图上有了很大进展。不仅巩固了一些基础的操作内容，还从本次设计中学习到了许多以前未曾用过的功能，如曲面造型、边界混合等高级特征。这些都使我对Pro/E有了全新的认识。同时，也提高了自身的绘图能力和设计方面的知识。学习一个绘图软件不是仅仅掌握了一些基本的东西就算完了，是需要不断的积累，通过不断的实践才能学好的。同时，也需要不断的积累一些设计相关的知识。其次，随着计算机技术的不断发展，CAD/CAM技术的不断进步，三维绘图因为其设计效率高、设计质量好等特点必将取代原有的手工绘图。通过本次毕业设计，在三维实体造型方面，更是如此。一些比较复杂的异形曲面或者特殊形状的造型，如果运用传统的方式进行制造，也许根本没有图纸作为参照。而通过辅助软件的三维实体造型，首先先建立三维的模型，这样对于设计更加直观，不仅提高了设计的质量，而且提高了设计的效率。最后，在本次设