轴系零件结构建模论文.doc

机械工程学院 机械电子工程2005级(高职脱产) 轴系零件结构建模(二)1 概述任何回转机械都具有轴系结构，因而轴系结构设计是机器设计中最丰富、最需具有创新意识的内容之一，轴系性能的优劣直接决定了机器的性能与使用寿命。由于轴承的类型很多，轴上零件的定位与固定方式多样，具体轴系的种类很多。概括起来主要有：(1)两端单向固定结构；(2)一端双向固定、一端游动结构；(3)两端游动结构(一般用于人字齿轮传动中的一根轴系结构设计)14。如何根据轴的回转转速、轴上零件的受力情况，决定轴承的类型；再根据机器的工作环境决定轴系的总体结构；轴上零件的轴向定基础上才能设计出正确的轴系结构，为机器的正确设计提供核心的技术支持。位与固定、周向的固定来设计机器的轴系，是机器设计的重要环节。为了设计出适合于机器的轴系，有必要熟悉常见的轴系结构.。轴系结构如图1-1所示。 图1-1 轴系零件结构1.1 轴系结构设计概要9轴系结构设计要求定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴系结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量，以及和轴联结的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素较多，且结构又是随具体条件的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同的具体情况加以分析。进行轴系结构设计时，一般应已知：装置简图，轴上主要零件的相互位置关系，轴所传递的功率和轴的转速，传动零件的主要参数和尺寸等。轴系结构设计通常按以下方式进行：1) 拟定轴上零件的装配方案不同的装配方案可得出不同的轴的结构形式，应拟定几种不同的装配方案，以进行分析、比较选择。2）确定轴的基本直径和各段长度初定轴的直径时，其支反力作用点未知，不能决定弯矩的大小和分布情况，因而不能按弯矩来确定轴的直径，只能按扭矩初步估算轴径的大小，作为轴上仅受扭矩段的最小直径dmin，也可凭经验或参考同类机器取定。dmin确定后，按拟定的装配方案，从dmin处逐一确定各段长度及直径。各段长度取决于零件与轴配合部分的轴向尺寸，并考虑安装零件的位移和留有适当的调整间隙等。3）轴上各零件的轴向定位轴上各零件以轴肩、轴套、轴承端盖和轴端挡圈等进行轴向定位。轴肩定位是最方便可靠的方法。但采用轴肩使轴径加大，且因剖面突变引起应力集中，轴肩过多也不利于加工。故定位轴肩多用在轴向力较大，且不致过多增加轴的阶梯数的情况下采用。轴套定位既能避免因用轴肩使轴径增大，又可减少应力集中源。但轴套过长，又将增加材料及重量。轴套与轴的配合较松，不宜用于高速旋转。轴承端盖用螺钉或榫槽与箱体联结而使滚动轴承的外圈得到轴向固定。整个轴的轴向定位也可用轴承端盖实现。常用的轴向定位还有：圆螺母、紧定螺钉、弹性挡圈以及整体式或剖分式螺钉锁紧挡圈等。4）轴上各零件的周向定位可靠的周向定位保证了的扭矩传递。常用的周向定位方法有键、花键、紧配合和紧定螺钉等。紧定螺钉仅用传力于不大的场合。5）轴的结构工艺性增大过渡圆角半径可改善轴的结构疲劳强度和减小应力集中，但为保证零件的可靠定位，过渡圆角半径必须小于与之相配的零件圆角半径或倒角尺寸。当零件必须采用很小的圆角半径而又要减小轴肩处的应力集中时，可采用内凹圆角或加装隔离环的结构形式。轴端应有45的倒角以便于装配零件。轴段必须磨削加工或有螺纹时，应留有砂轮越程槽或退刀槽。轴上有两个以上的键槽时，槽宽应尽可能统一，并置于同一直线上，以利加工。 轴系结构设计应满足以下要求12：1）轴和轴上的零件要有确定的轴向工作位置和可靠的轴向、周向固定；2）轴应便于加工，轴上的零件易于拆装；3）轴的受力合理，并尽量减少应力集中；4）轴承固定方式应符合给定的设计条件，轴承间隙调整方便；5）锥齿轮轴系的位置应能作轴向调整。1.2 轴系零件介绍轴、轴承、联轴器和离合器以及轴上的旋转零件组合起来形成一个整体，即轴系部件。轴系部件常常是机器的重要组成部分，很多机器，尤其是机器的转动部分，往往是由一个或几个轴系部件组成。因此，掌握轴系部件的设计，对于认识机械，分析机械的结构以及设计机械都有重要的意义。（以下根据减速箱的轴系零件，介绍了轴、轴承、联轴器和齿轮传动）1。1.2.1 轴类零件轴是组成机械的一个重要零件，它支承其他回转件并传递转矩，同时它又通过轴承和机架连接，所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成一个以轴为基准的组合体轴系部件。所以，在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须和轴系零件的整个结构密切联系起来13。轴的设计特点是：在轴系零部件的具体结构未确定之前，轴上力的作用点和支点间的跨距无法精确确定，故弯距大小和分布情况不能求出，因此在轴的设计中，必须把轴的强度计算和轴系零部件结构设计交错进行8。通常轴的设计程序是：(1)根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案；(2)选择轴的合适材料：(3)初步估算轴的直径；(4)进行轴系零部件的结构设计；(5)进行强度计算；(6)进行刚度计算；(7)校核键的连接强度；(8)验算轴承；(9)根据计算结果修改设计；(10)绘制轴的零件工作图。对于一些不太重要的轴，上述程序中的某些内容可以省略。1 轴的分类根据轴的承载性质不同可将轴分为转轴、心轴、传动轴三类。工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。转轴是机器中最常见的轴，通常简称为轴。用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩的轴称为心轴。心轴有固定心轴和旋转心轴两种。固定心轴工作时不转动，轴上承受的弯曲应力是不变的（为静应力状态），例如自行车的前轮轴等。旋转心轴工作时随转动件一起转动，轴上承受的弯曲应力按对称循环的规律变化，例如铁路机车的轮轴。主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴称为传动轴，如汽车中连接变速箱与后桥之间的轴。根据轴线的形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。后两种轴属于专用零件。直轴按其外形的不同又可分为光轴和阶梯轴两种。光轴形状简单、加工容易、应力集中源少，主要用作传动轴。阶梯轴各轴段截面的直径不同，这种设计使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件的装拆和固定，因此阶梯轴在机器中的应用最为广泛。直轴一般都制成实心轴，但为了减轻重量或为了满足有些机器结构上的需要，也可以采用空心轴8。2 轴的常用材料轴的材料种类很多，设计时主要多轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料35、40、50优质炭素结构钢，最常用的是45钢。对于受载或不太重要的轴，也可以用Q235、Q275等普通碳素钢。对受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。球墨铸铁和一些高强度的铸铁，由于铸造性能好，容易铸造成复杂形状，且振性能好，应力集中敏感性底，支点位移的影响小，故常用于制造形状复杂的轴。根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强度处理和化学处理，以提高强度（尤其是疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。轴一般由扎制圆钢或锻件切削加工制造。轴的直径较小，可用圆柱棒制造；对于重要的、大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为了节省金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制造成空心的，并带有焊接的或者锻造的凸缘8。3 轴的设计 轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。轴与轴承配合处的轴段称为轴颈，根据轴颈所在的位置又可分为端轴颈（位于轴的两端，只承受弯矩）和中轴颈（位于轴的中间，同时承受弯矩和转矩）。根据轴颈所受载荷的方向，轴颈又可分为承受径向力的径向轴颈（简称轴颈）和承受轴向力的止推轴颈。安装轮毂的轴段称为轴头。轴头与轴颈间的轴段称为轴身。轴的结构和形状取决于下面几个因素：1）轴的毛坯种类；2）轴上作用力的大小及其分布情况；3）轴上零件的位置、配合性质以及连接固定的方法；4）轴承的类型、尺寸和位置；5）轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合地考虑各种因素1。4 轴的结构设计在轴系部件中回转零件要支承在轴上，而轴本身要支承在轴承上。因此轴是轴系部件的主体，轴的结构是由很多因素决定的。这主要是轴上零件的类型及固定方法，轴的装配及加工工艺，轴上的载荷情况等。由于影响因素很多，所以轴没有标准的结构形式，对每一根轴都要结合具体的条件进行结构设计。轴的结构应满足以下要求：l 轴应便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）；l 轴和轴上的零件要有准确的工作位置（定位）；l 各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；l 改善受力情况，减少应力集中。轴的结构设计的有关问题：便于轴上零件的装拆及轴的加工。从轴的加工来看，轴的形状越简单越好，最后还是等直径的光轴。轴上各截面变化的原则是，当零件往轴上装配是，它所经过的各段轴径都要小于它与轴配合的直径。这样既保护了配合面，又使装拆大为方便。此外，为了便于装配轴端常切成45的倒角。轴与其他零件配合部分的直径要取成标准值，特别是滚动轴承处的直径必须按轴承内径选取11。5 轴上零件固定零件在轴上固定可分为轴向和周向两种:1 轴向固定 轴上零件的轴向固定，既要保证零件定位准确、可靠，有要便于加工和装拆。常采用的固定形式有下列几种1)轴肩和轴环；2）套筒；3）挡圈；4）弹性挡圈；5）轴端挡圈；6）圆螺母。此外，当轴向力很小，转速较低是也可以用紧定螺钉做轴向固定；当承受冲击或振动载荷是也可以采用圆周形轴端做轴向固定。2 周向固定 轴上零件的周向固定是采用键、花键联接及过盈配合联接。1) 轴的初步尺寸轴的结构形状确定后，就可以进一步确定尺寸，轴的尺寸包括直径尺寸、长度尺寸及细部结构尺寸（如圆角半径、倒角及退刀槽尺寸等）。2) 轴设计中的主要问题在设计轴是，主要应考虑轴的结构和轴的强度（对某些机器中较细长的轴，有时还需考虑刚度）。一般情况下，为了防止轴的破坏，必须进行强度计算。轴除了要有足够的强度外，还必须有合理的结构。轴的结构是否合理。往往是决定轴能否正常工作的重要因素。因此，在设计轴时，还必须考虑轴上零件的载荷情况，轴上零件的装拆，固定及加工工艺要求等进行轴的结构设计2。1.2.2 轴承轴承的功用是支承轴及轴上零件，保持轴的旋转精度，减少转轴与支承之间的摩擦和磨损。根据支承处相对运动表面的摩擦性质，轴承分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承，分别简称为滑动轴承和滚动轴承4。1 滚动轴承概述滚动轴承是机器上的一种重要的通用部件。它依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件，具有磨擦里阻力小，启动容易，效率高等优点，因而早各种机械中得到广泛应用。2 滚动轴承的组成滚动轴承一般由、内圈 、外圈 、滚动体和保持架组成。内圈装在轴颈上，外圈装在机座或零件的轴承孔内。多数情况下，外圈不转动，内圈与轴一起转动。当内外之间相对旋转时，滚动体沿着滚道滚动。保持架使滚动体均匀分布在滚道上，并减少滚动体之间的碰撞和磨损。滚动轴承的内外圈和滚动体应具有较高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用特殊轴承钢制造，常用材料有 GCr15、GCr15SiMn、GCr6、GCr9等，经热处理后硬度可达 60 65 HRC。滚动轴承的工作表面必须经磨削抛光，以提高其接触疲劳强度。常见的滚动轴体形状：有球短圆柱滚子，圆锥滚子，鼓形滚子、长圆柱滚子和滚针等6种，它们基本上可归纳为球与滚子两类。为适应某些特殊要求，有些滚动轴承还要附加其他特殊元件或采用特殊结构，如轴承无内圈或外圈、带有防尘密封结构或在外圈上加止动环等1。3 滚动轴承的主要类型接触角是滚动轴承的一个主要参数，滚动轴承的分类以及受力分析都与接触角有关。滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面（垂直于轴承轴心线的平面）之间的夹角a称为公称接触角。公称接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力也越大。 按轴承承受的载荷方向或公称接触角的不同可以分为：1）向心轴承向心轴承是主要用于承受径向载荷的滚动轴承 ，其公称接触角从045。向心轴承按公称接触角不同又分为： 径向接触轴承 公称接触角为0的向心轴承。 向心角接触轴承 公称接触角为0a45的向心轴承。2）推力轴承 推力轴承是主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角为：4590推力轴承按公称接触角的不同，又可以分为： 轴向接触轴承 公称接触角为90的推力轴承。 推力角接触轴承 公称接触角为45 90的推力轴承。按滚动体的种类可分为球轴承和滚子轴承。球轴承的滚动体为球，球与滚道表面的接触为点接触；滚子轴承的滚动体为滚子，滚子与滚道表面的接触为线接触。按滚子的形状又可分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和调心滚子轴承。在外廓尺寸相同的条件下，滚子轴承比球轴承的承载能力和耐冲击能力都好，但球轴承摩擦小、高速性能好4。(4) 滚动轴承的选择 设计时，主要是选择合适的类型，并确定具体的尺寸。在选择轴承的类型时，应明确下列各点：1）载荷的大小、方向、性质；2）转速；3）轴径和安装空间允许的的尺寸范围；4）预定的寿命；5）对轴承提出的特殊要求。此外，还应考虑价格和供应情况。(5) 轴承组合轴承组合包括轴承、轴承盖，密封装置以及调整垫片等。1) 轴承是支承轴的部件。由于滚动轴承摩擦因数比普通滑动轴承小，运动精度高，在轴颈尺寸相同时，滚动轴承宽度不滑动轴承小，可使减速器轴向结构紧凑，润滑、维护简便等，所以减速器广泛采用滚动轴承（简称轴承）。2) 轴承盖用来固定轴承，承受轴向力，以及调整轴承间隙。轴承盖有嵌入和凸缘两种。凸缘式调整轴承间隙方便 。密封性好；嵌入式重量轻。3) 密封是在输入和输出轴外伸处，为防止灰尘、水气及其他杂质嵌入轴承，引起轴承急剧磨损和腐蚀，以及防止润滑剂外漏，须在轴承盖孔中设置密封装置。4) 调整垫片是为了调整轴承间隙而放置，有时为了调整转动件（如锥齿轮，蜗轮）的轴向位置，也需放置调整垫片1。(6) 设计准则针对轴承可能产生的失效，对于一般转速的轴承，为防止疲劳电浊发生。主要应进行寿命计算；对于不转动，摆动或转速低的轴承，要求控制塑性变形，应做静强度计算；而以磨损、胶合为主要失效的轴承，由于影响因素复杂，目前还没有响应的计算方法，只能采取适应的预防措施。1.2.3 联轴器联轴器是连接两轴或轴和回转件，在传递运动和动力过程中使他们一同回转而不拖开的一种装置。联轴器还具有补偿两轴相对位移，缓冲和减振以及安全防护等功能。 联轴器的分类按照联轴器的性能可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器适用于两轴能严格对中，并在工作中不发生相对位移的场。挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、平行轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移和综合位移）的场合。刚性联轴器可分为固定式和可移式两种。固定式联轴器由刚性传力件组成，它不具有补偿性能，但具有结构简单、制造容易、不需维护、成本低等特点而乃有其应用范围。常用的固定式联轴器有夹壳联轴器和凸缘联轴器两种：夹壳联轴器 它是由两个半圆筒形的夹壳及联接他们的螺栓所组成。凸缘联轴器 它是由两个带凸缘的半联轴器组成，分别用键与两轴联接，并用螺栓将两个半联轴器联成一体。挠性联轴器中有可分为无弹性元件联轴器（也称可移式刚性联轴器）和带弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类除有补偿性能外还具有缓冲和减振作用，但在传递转距的能力上，因受强度能力的限制，一般不及无弹性元件联轴器。带弹性联轴器中按弹性元件的材质不同，又可再分为金属弹性元件和非金属弹性元件。金属弹性元件的主要特点是强度高、传递转距能力大、使用寿命长、不易变质且性能稳定。非金属元件的优点是制造方便，易获得各种结构形状。且具有较高的阻尼性能8。 联轴器的选择联轴器已实现标准化，一般可先根据机器的工作条件、使用要求，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸振以及装拆、维护更换易损元件等，综合分析来选择标准联轴器。具体选择时可顺序考虑以下几点：1) 动机和工作机的机械特性；2) 联轴器的连接的轴系及其运转情况；3) 工作机的转速高低，对于需高速运转的两轴连接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以消除离心力而产生的震动和噪音，增加相关元件的磨损和发热而降低传动.质量和使用寿命。4) 联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中是使运转正常的前提，防止产生附加载荷及其他不良情况。5) 联轴器的结构及工作特性，联轴器的外型尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与连接机组的具体配置位置和要求相适应。此外还应考虑机组对联轴器主、从动轴转速的同步性是否有要求。6) 联轴器的使用要求：对于运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹性元件的联轴器。高温和有油类、酸、碱及其他腐蚀性介质的场所，或有光辐射存在应尽量不用有橡胶弹性元件的联轴器。有尘灰、潮湿的环境，应用有罩壳的联轴器。对环境有清洁要求时就尽量不用有油润滑的联轴器。7) 联轴器的制造、安装和维护的成本，在满足使用要求条件下，应使选择的联轴器成本低，不需维护以降低经常使用8。1.2.4 齿轮传动齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最主要的一种传动。在许多机械设备中，齿轮传动的工作质量和寿命直接影响着整个机器的工作情况和检修期。为了合理地使用和正确地设计齿轮传动，我们应该首先了解齿轮传动工作中存在的问题和对齿轮传动的基本要求14。 通常对齿轮传动提出以下两项基本要求：(1) 传动稳定 即要求在传动过程中，每个瞬时的传动比恒定不变，以减少冲击、振动和噪音。(2) 承载能力强 即要求齿轮的尺寸小、重量轻，而能承担的力量大、寿命长，也就是强度高，耐磨性好，不易点蚀，不易断齿等。齿轮传动的主要矛盾及决定齿轮发展的根本原因是:齿轮传递运动和动力的基本要求同齿形、尺寸和材料之间的矛盾。这就是我们设计、制造和使用齿轮过程中的本质问题。齿轮传动的主要特点：l 效率高，传动比稳定，工作可靠，寿命长；l 适用的速度和传递的功率范围广；l 可实现平行轴，相交轴和交错轴之间的传动 齿轮传动的分类(1) 按两齿轮轴线的相对位置及齿线的形状，齿轮传动可分为：(2) 平行轴齿轮传动；(3) 相交轴齿圆锥齿轮传动；(4) 交错轴齿轮传动。按齿轮传动是否封闭，还可分为开式齿轮传动，半开式齿轮传动和闭式齿轮传动。按齿廓曲线的形状，齿轮有可分为渐开线、摆线和圆弧齿轮三种。 直齿圆柱齿轮各部分4(1) 齿顶圆 齿轮齿顶圆柱面与端平面的交线称为齿顶圆。(2) 齿根圆 轮齿齿根圆柱面与端平面的交线称为齿根圆。(3) 基圆 渐开线圆柱齿轮上的假想圆，形成渐开线齿廓的发生线在此假想圆的圆周上做纯滚动时，此假想圆就称为基圆。(4) 分度圆 圆柱齿轮的分度圆柱面与端平面的交线称为分度圆。(5) 端面齿厚 在圆柱平面的端平面内，任意圆周上轮齿的两侧齿廓之间的弧长称为齿厚。(6) 端面齿槽宽 在端平面内，任意圆周上，一个齿槽的两侧齿廓之间的弧长称为齿槽宽。(7) 齿宽 齿轮的有齿部分沿分度圆柱面的直母线（轴线）方向度量的宽度称为齿宽。(8) 端面齿距 在端平面内，任意圆周上两个相邻而同侧的端面齿廓之间的弧长称为齿距。(9) 齿顶高 齿顶圆与分度圆之间的径向距离称为齿顶高。(10) 齿根高 齿根圆与分度圆之间的径向距离称为齿根高。(11) 全齿高 齿顶圆至齿根圆之间的径向距离称为全齿高。(12) 齿面 位于齿顶曲面和齿根曲面之间的轮侧表面称为齿面。(13) 齿数 齿轮上轮齿的总数。 齿轮传动的主要失效形式1齿轮的失效分为轮齿折断和齿面磨损两大类。齿面损伤又分为疲劳点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。(1)轮齿折断 最常见的是弯曲疲劳折断。齿轮受力后，相当于一个悬臂梁，齿根部产生很大的弯曲应力，并且在齿各过渡圆角处有较大的应力集中。同时，轮齿在齿合时受力。脱开时不受力。因此，在过高的弯曲变应力的反复作用下，齿根产生疲劳裂痕，以致疲劳折断。(2)曲面磨损 当齿轮传动中落入灰砂、金属末、污物等磨料性物质时，齿面将逐渐磨损。磨损后齿廓失去正常形状。使运转中产生冲击和噪音，此外轮齿磨损变薄后就会折断。(3)齿面点蚀 在润滑良好的闭式齿轮传动中，齿轮工作一段时间后。在节线附近首先出现很多斑坑，这种现象称为疲劳点蚀。(4)齿面胶合 在高速重载或低速重载齿轮传动中，由于齿面间压力很大，容易导致润滑油被挤出和产生齿合处的局部高温，以致使两齿面相互焊住，齿轮继续运行时，较软的齿面被撕出沟纹，这种现象称为胶合。(5)塑性变形 若齿轮材料较软，在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成齿面或齿体的塑性变形。 齿轮材料及热处理8常用的齿轮材料是各种牌号的碳素钢、合金结构钢、铸钢、铸铁等，一般采用锻件或扎制钢材。当齿轮较大（例如直径大于400600mm）而轮坯不易锻造时，可采用铸钢；开式低速传动可采用灰铸铁；球墨铸铁有时代替铸钢。齿轮常用的热处理方法有以下几种： 表面淬火、 渗碳淬火、 调质、 正火、 渗氮。2Pro/E简介 2.1 Pro/Engineer软件的总体介绍 Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。1 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 2 单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 ProEngineer Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其*能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用 C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI， ISO， DIN或 JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下： 1) 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； 2) 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； 3) 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。 4) 支持大型、复杂组合件的。设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5) 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER的基本功能。 ProASSEMBLY Pro/ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组装系列及可自动地更换零件。Pro/ASSEMBLY是 Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在 Pro/Engineer环境下运行，它具有如下功能： 1) 在组合件内自动零件替换(交替式) 2) 规则排列的组合(支持组合件子集) 3) 组装模式下的零件生成(考虑组件内已存在的零件来产生一个新的零件) 4) Pro/ASSEMBLY里有一个 Pro/Program模块，它提供一个开发工具。使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可。 5 组件特征(绘零件与，广组件组成的组件附加特征值如：给两中零件之间加一个焊接特征等）。 ProCABLING Pro/CABLING提供了一个全面的电缆布线功能，它为在Pro/ENGINEER的部件内真正设计三维电缆和导线束提供了一个综合性的电缆铺设功能包。三维电缆的铺设可以在设计和组装机电装置时同时进行，它还允许工程设计者在机械与电缆空间进行优化设计。Pro/CABLING功能包括： 1) 新特征包括：电缆、导线和电线束； 2) 用于零件与组件的接插件设计； 3) 在Pro/ENGINEER零件和部件上的电缆、导线及电线束铺设； 4) 生成电缆/导线束直线长度及BOM信息； 5) 从所铺设的部件中生成三维电缆束布线图； 6) 对参数位置的电缆分离和连接； 7) 空间分布要求的计算，包括干涉检查； 8) 电缆质量特性，包括体积、质量惯性、长度； 9) 用于插头和导线的规定符号。 ProCAT ProCAT是选用性模块，提供 ProENGINEER与 CATIA的双向数据交换接口，CATIA的造型可直接输入 ProENGINEER软件内，并可加上 ProENGINEER的功能定义和参数工序，而 ProEngineer也可将其造型输出到 CATIA软件里。这种高度准确的数据交换技术令设计者得以在节省时间及设计成本的同时，扩充现有软件系统的投资。 ProCDT Pro/CDT是一个 Pro/ENGINEER的选件模块，为 CADAM 2D工程图提供 PROFESSIONALCADAM与 Pro/ENGINEER双向数据交换直接接口。CADAM工程图的文件可以直接读入Pro/ENGINEER，亦可用中性的文件格式，经由PROFESSIONAL CADAM输出或读入任何运行 Pro/ENGINEER 的工作站上。Pro/CDT避免了一般通过标准文件格式交换信息的问题，并可使新客户在转入 Pro/ENGINEER后，仍可继续享用原有的 CADAM数据库。 ProCMPOSITE Pro/COMPOSITE是一个 Pro/ENGINEER的选件模块，需配用 Pro/ENGINEER及Pro/SURFACE环境下运行。该模块能用于设计、复合夹层材料的部件。Pro/COMPOSITE在Pro/ENGINEER的应用环境里具备完整的关联性，这个自动化工具提供的参数化、特征技术适用于整个设计工序的每个环节。 ProDEVELOP Pro/DEVELOP是一个用户开发工具，用户可利用这软件工具将一些自己编写或第三家的应用软件结合并运行在 Pro/ENGINEER软件环境下。Pro/IDEVELOP包括C语言的副程序库,用于支援 Pro/ENGINEER的交接口，以及直接Pro/ENGINEER数据库。 ProDESIGN Pro/DESIGN可加速设计大型及复杂的顺序组件，这些工具可方便地生成装配图层次等级，二维平面图布置上的非参数化组装概念设计，二维平面布置上的参数化概念分析以及3D部件平面布置。Pro/DESIGN也能使用2D平面图自动组装零件。它必须在 Pro/Engineer环境下运行。其功能有： 1) 3D装配图的连接层次等级设计； 2) 整体与局部的尺寸、比例和基准的确定； 3) 情况研究-参数化详细草图（2D解算器、工程记录和计算）绘制； 4) 组装：允许使用3D图块表示零组件了定位和组装零件位置； 5) 自动组装。 ProDETAIL Pro/ENGINEER提供了一个很宽的生成工程图的能力，包括：自动尺寸标注、参数特征生成，全尺寸修饰，自动生成投影面，辅助面，截面和局部视图，Pro/DETAIL扩展了Pro/ENGINEER这些基本功能，允许直接从Pro/ENGINEER的实体造型产品按ANSI/ISO/JIS/DIN标准的工程图。 Pro/DETAIL支持的功能包括： 1) 支持ANSI，ISO，JIS和DIN标准； 2) 全几何公差配合： * 特征控制标志 * 基本尺寸标注 * 公差基准面和轴； 3) 测量标准 * 毫米尺寸 * 公差尺寸 * 角度尺寸 4) 字符高度控制； 5) 图内可变字符高度； 6) 用户自定义字体； 7) 图内多种字体； 8) 双尺寸标准； 9) 纵向尺寸标注； 10) 扩展视图功能： * 零组件剖视图 * 自动画面剖线 * 半剖图 * 多暴露视图 * 旋转面剖视图 * 比例视图（所有视图不同比例） * 轴测图(ISO标准); 11) 表面光洁度标记； 12) 用户自定义绘图格式和绘图格式库； 13) 图表； 14) 用于Pro/DETAIL设置隐含标准的配置文件； 15) 用于注释表面光洁度和球星的多引线种类； 16) 尺寸与尺寸线平行； 17) 可选择的消隐线显示观察； 18) 具有输入用于注释的ASCII文件能力； 19) 多层零件图和布置Pro/DETAIL也包括2D非参数化制图功能，可用于生成不需要3D模型的产品图。 Pro/DETAIL提供下列功能： 1) 具有读其它符合 IGES40、SET和 DXF标准的 CAD系统生成的图形能力。 2) 具有修改输入图形来影响设计修改或更新能力。 3) 具有利用 Pro/PROJECT提供图形储存、恢复等功能来管理这些图形的能力。 4) 具有通过 IGES到 PTC支持的绘图仪输出这些图形能力。 5) 具有将非相关性几何体加到 Pro/DETAIL图形的能力。 6) 具有生成用户自定义的符号和符号库的能力。 7) 具有生成用户自定义的线型能力。2.2 Pro/ENGINEER建摸特点Pro/ENGINEER系统以智能特征作为产品几何造型的构造基础，这些特征都是常用的具有一定功能的机械构件，内含与其环境的相关知识，而且够件可以根据用户预期的方式更改。装配、加工、制造及其其它领域，都使用最合适该领域的特征。Pro/ENGINEER将所有数据放置在单一的数据库上，即在整个设计过程中的任何一初发生参数改动多可以反映到整个设计过程的相关环节上15。2.2.1 草绘的参数化草绘参数化是指Pro/ENGINEER草绘器绘制的所有图形中，每一个尺寸多对应唯一的一个参数。通过修改或者调整参数可以修改几何图元的大小和形状。只要对图元的尺寸参数进行修改，则图形的形状和大小就随之同步改变，这就是参数化设计的优势之一。在Pro/ENGINEER中所有草绘的图形都是参数化尺寸驱动的，在绘图中进行草绘是，还可以参数化方式使绘制图元与模型几何或者其它绘制图元相关。2.2.2 基于特征建模特征是Pro/ENGINEER中最基本的概念，简单地说。特征就是具有特定功能的图元，它兼有形状和功能两种属性，包括特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。基于特征的设计就是把特征作为产品设计的基本单元，并将机械产品描述成特征的有机集合，创建模型时，设计者总是采取搭积木的方式将性特征添加到模型上。基于特征的零件模型和常规几何模型相比，几何建模只是提供三维形体的几何信息和拓扑信息，缺乏工程含义，不能从中提取和识别工程信息，而基于特征的零件模型具有工程制造的相关信息。 根据特征对零件模型空间体积的影响不同，可以将特征分为两类：加实体特征和减实体特征设计机械产品的目的是为了能够使他实现一定的功能，而各种功能都体现在部件的构造特征上，这些特征决定可部件的最 终形状、尺寸和材料。所以特征包含机械产品的设计、分析和加工等信息。他们可以利用这些信息进行产品设计、分析和加工，而无需去关心组成物体的各个繁琐的细节，因此，基于特征的设计为整个设计制造中的各个环节提供了统一的产品信息模型。使CAD/CAM真正集成化使组织实施并进行工程成为可能。2.2.3 特征的参数化建模参数化设计思想直接挑战传统模型设计思想。在参数化设计中，实体模型将取代线框模型和面模型，因为实体模型直观、真实，与生产中的产品非常接近。同时，实体模型具有质量、体积、质心和重心等物理属性，可以方便地对模型进行分析和制造等后续处理。 尺寸驱动是参数化设计的重要特点。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状，一个模型由一组具有一定相互关系的尺寸进行定义。设计者修改尺寸参数后，经过再生处理即可获得新的模型形状，直观快捷。这对国内习惯于看图纸、用尺寸描述零件的工程人员来说很容易接受。事实上，生产中我们对于结构形状比较定型的产品采取系列化、标准化就是参数化设计思想的典型应用。此外，参数化设计还有利于检查模型尺寸之间是否一致，模型上是否存在欠约束和过约束的情况，如果有，系统会适时给出相关提示。 Pro/E 是第一套将参数化设计理论用于实际工程应用的软件。2.2.4 特征的多样性 由于每一个零件都是由一连串的特征组成的，因此，所有参数的创建均是以完成某个特征为目的。换句话说，建构零件的过程就是不断生成特征的过程。实体模型就是在计算机中用一些基本元素来构造机械零件的完整几何模型，这些基本元素就是特征。在Pro/ENGINEER系统中，根据不同的分类标准可以将特征分为很多类。这里只讨论在Pro/ENGINEER系统创建零件过程中根据特征的不同用途和创建方法进行分类。根据Pro/ENGINEER系统中的不同作用可以将特征分为几大类，包括基准特征，基本实体特征，工程特征，构造特征，高级实体特征和曲面特征等。1.基准特征 基准特征是在进行模型设计中的重要参照，它是建立和编辑复杂模型不可缺少的工具。在Pro/ENGINEER中常用的基准工具主要有：1）基准平面。2）基准轴、3）基准点、4）基准曲线、5）坐标系。2基本实体特征 基本实体特征根据创建的基本原理不同又分为以下几类：1）拉伸特征、2）旋转特征、3）扫描特征、4）混合特征。3.工程特征 零件建模的工程特征也称放置特征，指由用户自定义的或系统提供的一类模板特征，它的特征几何形状是确定的，可以改变其尺寸大小，得到大小不同的相似几何特征。主要分为几种典型的工程特征。1）孔特征、2）倒角特征、3）圆角特征、4）壳特征、5）筋特征、6）拔模特征。4.构造特征 构造特征是一些常用的具有固定用途的特征，在Pro/ENGINEER中提供了许多构造特征，包括管道、草绘的修饰特征、修饰螺纹凹槽、轴、退刀槽和法兰等。5.高级特征 一些复杂的零件造型只通过基本特征和工程特征是无法完成的，在这个过程中要用到高级特征包括：1）扫描混合特征、2）螺旋扫描特征、3）可变剖面特征。6.曲面特征 在Pro/ENGINEER中首先通过各种方法建立单个曲面，然后通过曲面进行修剪、切削的编辑操作，完成以后将多个单独的曲面进行合并，合并成一个整体的曲面。最后对合并而来的曲面进行实体化因为只有实体才能进行加工制造。2.2.5 特征的一致性Pro/ENGINEER的特征方式是基于人性化设计的，Pro/ENGINEER正是以最自然的思考方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征。除了充分掌握设计思想之外，它还在设计过程中导入实际的制造思想：也正因为以特征作为设计单元，所以随时对特征做合理且不违反几何原理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正工作。 单一数据库Pro/ENGINEER可随时有3D实体模型产生2D工程图，而且自动标识工程图尺寸。无论在3D或2D图形上进行尺寸修正，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的正确性，并减少反复修正所耗费的时间。由于采用单一数据库，提供了所谓相关连性的功能，这也正符合了现代产业中同步工程的思想。 参数式设计配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸（参数）都存在数据库中，CAD模型及工程图不在是一件难事，设计者只需要改3D零件尺寸、2D工程图、3D组合、模具等，就会依着尺寸的修改做集合形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且减少许多人为改图的麻烦。也正因为有参数化懂得设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式使模型可自动计算出应有的外型，避免尺寸逐一修改造成的烦琐费时，并减少错误的发生。2.3 Pro/E 的组成模块及其功能简介Pro/E 是一个大型软件包，由多个功能模块组成，每一个模块都有自己独立的功能，这类似微软公司的 Office 办公套装软件。用户可以根据需要调用其中一个模块进行设计，各个模块创建的文件有不同的文件扩展名。此外，高级用户还可以调用系统的附加模块或者使用软件进行二次开发工作。下面简要介绍其中最常用的5 个模块的用途7。2.3.1 草绘模块 草绘模块用于绘制和编辑二维平面草图。二维草图绘制在三维建模中具有非常重要的作用，是使用零件模块进行三维建模时的重要步骤。在使用零件模块建立三维特征时，如需要进行二维草图绘制，系统会自动切换至草绘模块。同时，在零件模块中绘制二维平面草图时，也可以直接读取在草绘模块下绘制并存储的文件。2.3.2 零件模块零件模块用于创建三维模型。由于创建三维模型是使用 Pro/E 进行产品设计和开发的主要目的，因此零件模块也是参数化实体造型最基本和最核心的模块。 Pro/E 建模方法模仿真实的机械加工过程：首先创建基础特征，这就相当于在机械加工之前生产毛坯；然后在基础特征之上创建放置特征，如创建圆孔、倒角、筋特征等，每添加一个放置特征就相当于一道机械加工工序。 使用 Pro/E 进行三维模型创建的过程，实际上就是使用零件模块依次创建各种类型特征的过程。这些特征之间可以彼此独立，也可以互相之间存在一定的参考关系，例如特征之间存在的父子关系。在设计中，特征之间的相互联系不可避免，建议读者应尽量减少特征之间复杂的参考关系，这样可以方便地对某一特征进行独立的编辑修改。2.3.3 零件装配模块 装配就是将多个零件按实际的生产流程组装成一个部件或完整的产品的过程。在组装过程中，用户可以添加新零件或是对已有的零件进行编辑修改。 使用 Pro/E 2001 的零件装配模块可以轻松完成所有零件的装配工作。在装配过程中，按照装配要求，还可以临时修改零件的尺寸参数，并且系统使用爆炸图的方式来显示所有零件相互之间的位置关系，非常直观。2.3.4 曲面模块曲面模块用于创建各种类型的曲面特征。使用曲面模块创建曲面特征的基本方法和步骤与使用零件模块创建三维实体特征非常类似。这里需要特别指出的是，曲面特征不具有厚度、质量、密度以及体积等物理属性。但是，通过对曲面特征进行适当的操作可以使用曲面来围成实体特征的表面，还可以把由曲面围成的模型转化为实体模型。2.3.5 工程图模块使用零件模块和曲面模块创建三维模型后，接下来的工作就是在生产第一线将三维模型变为产品。这时，设计者必须将零件二维工程图送到加工现场，用于指导生产加工过程。使用工程图模块可以直接由三维实体模型生成二维工程图。系统提供的二维工程图包括一般视图（即通常所说的三视图）、局部视图、剖视图和正投影视图等 8 种视图类型。设计者可以根据零件的表达需要灵活选取需要的视图类型。 使用 Pro/E 2001 由三维模型生成工程图简单方便，设计者只需对系统自动生成的视图进行简单地修改或标注即可完成工程图的绘制。同时，由于 Pro/E 2001 是尺寸驱动的 CAD系统，因此在实体模型或工程图二者之一中所作的任何修改，改动结果都会立即反另一个中。这就使得工程图的创建更加轻松简捷。 上述 5 个模块缺省文件名格式如表 1-1 所示，其中“#”为系统自动添加的 4 位数文件编号。当然，用户完全可以自己确定文件名称，系统会自动添加扩展名。Pro/E 系统文件量大，且种类繁多，用户命名时要考虑文件管理的方便与可靠，使文件易于辨认和查找。3 Pro/E用户界面简介3.1 Pro/E操作界面简介在这一节中，主要是讲述用户界面中的视图标题、下拉主菜单、瀑布式菜单、图形按钮工具条、对话框，信息栏和提示信息区等的基本知识15。下列对用户界面的基本组成部分做简要的介绍：l 视图标题栏 视图标题栏将显示系统打开文件的名称，此