顶尖座三维建模及参数化设计-顶尖座装配图（二维三维）课程设计【含CAD图纸】
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顶尖座三维建模及参数化设计目 录摘要 . 关键词 . Abstract . Key words . 1 顶尖座的结构及工作原理 . 1.1 松夹工件的顶紧结构 . 1.2 调整顶尖高低的结构 . 1.3 顶尖座的夹紧结构 . 2 顶尖座三维建模过程中要注意的问题 . 2.1 绘制零件图时要注意的问题 . 2.2 绘制装配图要注意的问题 . 3 Pro/E三维参数化设计 . 3.1 Pro/E三维参数化设计意义 . 3.2 Pro/E三维参数化应用研究. 3.3 Pro/E三维参数化设计方法综述. 3.3.1 利用软件自带的参数化造型方法 . 3.3.2 Pro/E二次开发 . 3.3.3 基于三维模型的参数化程序设计 . 4 铣床顶尖座的三维参数化设计过程 . 4.1 基于 Pro/E的三维参数化特征造型. 4.2 顶尖座三维参数化设计过程 . 4.2.1 单个零件的三维参数化 . 4.2.2 标准件三维参数化 . 4.2.3 非标准件三维参数化 . 4.2.4 装配体的参数化 . 5 总结 . 致谢 . 参考文献 . 附录 . 基于 Pro/E 的顶尖座三维建模及参数化设计机械设计制造指导教师摘要：本课题的重点是通过PRO/E 软件完成顶尖座的三维建模及参数化设计。在本课题之前应该先查阅文献资料，详细了解顶尖座组成部件及其工作原理。该论文依次阐述了三维建模及三维参数化设计基本理论， 介绍了三维设计软件Pro/E 在铣床顶尖座建模和三维参数化设计中的应用。在 Pro/E环境中，对铣床顶尖座的标准件、非标准件和装配体进行三维参数化设计，以三维模型为基础，约束造型核心，以尺寸驱动为特征，自动完成对整组图形的变动。实现三维参数化设计，对提高设计效率与经济效益具有现实意义。关键词：顶尖座；三维参数化；尺寸驱动设计；意义Based on Pro/E Block, the top three-dimensional modeling and parametric design Student majoring in Design and manufacture of machinery and automation Man Cao Tutor Yangqing He Abstract:The focus of this issue through the Pro/E software to complete the top seat and the three-dimensional modeling of the design parameters. In this issue should be available before the documentation to learn more about the top of Block and its working principle components.This paper followed on the three-dimensional modeling and parametric design of three-dimensional basic theory, introduced the three-dimensional design software Pro/E in the top seat milling parameters of three-dimensional modeling and design applications. Pro/E environment in the top seat milling standard parts, and assembly of non-standard pieces of three-dimensional parametric design to three-dimensional model, characterized by a size-driven, automatic completion of the whole group change in graphics. The realization of three-dimensional parametric design, to improve the efficiency and cost-effective design of practical significance. Key words: top block;three-dimensional parameters;the size-driven design;the meaning引言顶尖座三维建模及三维参数化设计是在我们完成了全部基础课、技术基础课、 专业课以及参加了生产实习之后进行的。通过本次毕业设计， 我们应该得到下述各方面的锻炼：1. 了解顶尖座的构成及其各零部件的结构和原理2. 了解三维参数化设计的意义、 应用和发展前景 3. 熟练应用 AUTO/CAD 软件绘制零件图、 装配图 4. 熟练应用 Pro/E 软件画出零件三维实体模型并会进行参数化设计5. 会使用手册及图表资料， 掌握与本设计有关的各种资料的名称、出处、能够做到正确运用。通过这次设计，我基本上掌握了AUTO/CAD 软件和 Pro/E 软件的应用，并学会了使用和查阅各种设计资料和手册。三维参数化设计是本课题的核心，在Pro/E 环境中，利用 Pro/E 插件，方程式的优势，对顶尖装配体中的标准件、非标准件和装配体实现三维参数化设计，实现了只改变一个尺寸就可驱动整个装配体变化的效果，展示了Pro/E强大的建模功能和参数化功能。1 顶尖座的结构及工作原理顶尖座是铣床上用于支撑、顶紧工件的一个附件。它由定位键定位，再由工作台的螺栓、螺母固定在铣床工作台上。通过顶尖座的三维建模，我们研究三维参数化设计的过程并了解它在未来工业等行业中的重大意义。顶尖座主要包括顶紧结构、调整顶尖的结构和夹紧结构， 主要由底座， 尾架体，定位板，顶尖，顶尖套，升降螺杆等零件组成。顶尖座三维模型如下图所示：图 1.1 顶尖座整体结构1.1 松夹工件的顶紧结构它由捏手 1、套 2、板 3、顶尖套 4、尾架体 5、顶紧螺杆 6、顶尖 7 等零件构成。转动捏手 1，通过套 2，销 420 使顶紧螺杆 6 左右移动； 然后通过板 3，销 428使顶尖套 4 随顶紧螺杆 6 移动；最后通过顶尖7 的左右移动，即可松开或夹紧工件。1.2 调整顶尖高低的结构它由定位螺杆 8、螺母 M12 、升降螺杆 9、定位卡 11、定位板 15 和锁紧螺栓 M10 35等件组成。调整顶尖高低时，松开螺母M12 ，拧动升降螺杆 9，便可升降定位螺杆8，从而使定位板 15、尾架体 5 一起升降。位置校准厚，即拧紧螺母M12 。顶尖和顶尖套还可以加紧螺杆12 为支点，再平行正面的平面内作20 度的摆动。松开锁紧螺栓，搬动捏手1 即可使顶尖绕夹紧螺杆转动所需角度。校正后，将锁紧螺栓拧紧。1.3 顶尖座的夹紧结构由夹紧手柄 14、套 13、 夹紧螺杆 12 等件组成。松开工件前，应先转动夹紧手柄14，使尾架体 5 放松顶尖套 4， 然后顶尖才能左右移动。 顶紧工件后，也要转动夹紧手柄14，夹紧顶尖套 4. 此外，定位键 16 其定位作用，保证对准中心，M4 18 的螺钉盖住油孔，注入既有后拧紧防尘。( 参看附录中的装配图和顶尖座三维实体模型) 2 顶尖座三维建模过程中要注意的问题顶尖座三维建模的前提是先运用AUTO/CAD 软件绘制出顶尖座的零件图和装配图，了解各零件的特征和要求以及需要的材料，然后运用 Pro/E 软件绘制出各零件的三维实体模型。通过了解装配图各零部件的配合以及技术要求，在 Pro/E 环境下把已经绘制好的各零件的三维实体模型装配成完整的顶尖座模型。2.1 绘制零件图时要注意的问题(1) 零件草图是画装配图和零件图的依据，一般是先画好图形，然后再进行尺寸分析，画出尺寸界线以及尺寸线、箭头; 再世界测量尺寸，将所得数值填写在画好的尺寸线上（2）画非标准件的草图时，所有工艺结构如倒角、圆角、凸台、都要画出。但制造时产生的误差和缺陷不应画在图上。例如对称形状不太对称，圆形吧圆已经沙眼、缩孔、裂纹等。（3）零件上的标准结构要素， 如螺纹，键槽等的尺寸都应查阅有关手册，核对确定。零件上的非加工表面和非主要的尺寸应圆整为整数，并尽量符合标准尺寸系列。（4）零件的技术要求如表面粗糙度、热处理的方式和硬度要求、材料牌号等可根据零件的作用、工作要求确定，也可参阅同类产品的图纸和资料类比确定。（5）标准件可不画草图，但要测出主要尺寸，辨别形式，然后查阅有关标准后列表备查。下面给出的是底座和顶尖的零件图：图 2.1 底座零件图图 2.2 顶尖零件图2.2 绘制装配图要注意的问题（1）主视图按工作位置放置， 取全剖视是为了突出表达松夹工作的顶紧结构，以便反映顶尖座的主要结构特点。顶尖座局部剖是因为左边是实心的，不便用全剖。图 2.3 主视图（2）左视图通过定位螺杆的轴线取全剖视A-A，突入表达升降结构的情况。B-B 剖视主要补充夹紧结构的情况。图 2.4 B-B 剖视图图 2.5 左视图（3）其他视图俯视图中的局部剖，说明定位板15 依靠螺栓 M10 35 把它和尾架体 5 固定起来。主视图和左视图联系起来，可以说明顶尖在正平面内转动一个角度，转动的极限角度，可以在装配图的 C-C视图中表明。 K局部视图说明锁紧螺栓M10 35 的活动范围，俯视图中还表示了注油孔。图 2.6 俯视图图 2.7 K 局部视图3 Pro/E 三维参数化设计3.1 Pro/E三维参数化设计意义Pro/E 三维参数化设计是在Pro/E 环境中通过修改图形的某一部分或几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。在三维参数化设计中零件的几何外形是由受约束的数学关系式来定义的，而不仅仅取决于简单的、孤立的尺寸参数。主要技术特点在于：基于特征，全尺寸约束，尺寸驱动设计修改以及全数据相关。三维参数化设计， 在提高设计水平和设计效率上发挥着积极的作用。Pro/E 三维参数化设计是一种高效的三维设计方法，为工程技术人员探索了一条更快更新的产品设计道路，对提高设计、装配效率与节省制造成本有着重要的现实意义。它提出了真正的全相关性、单一的数据库、基于特征的参数化造型，已经成为当今机械领域的新标准。它能及时响应市场需求，缩短生产周期和制造成本，一定程度上减慢了环境的污染和资源的浪费，减轻了劳动强度，改善了工作条件，部分实现了劳动密集型向知识密集型的转变。参数化设计将在我国的汽车、航空、机械、电子、家电、塑料模具等行业得到广泛的应用3.2 Pro/E三维参数化应用研究在早期的 CAD 软件中，为了获得准确形状的几何图形，设计时必须依次定位组成图形的各个图元的大小和准确位置。系统根据输入信息生成图形后，如果要对图形进行形状改变则比较闲难，因而设计灵活性差。在Pro/E创建的模型以尺寸数值作为设计依据，如果某个特征的尺寸有所变更，相应的实现模型也自动更新，这种变更会自动传递到模型中的其他特征上，从而更新整个零件。参数与模型尺寸建立相关联，驱动尺寸变化能够根据设计人员的意图，用参数驱动实现图形大小的自动改变、关联尺寸与形状的自动适应的CAD 技术，这样的技术就是通常所说的参数化设计技术。Pro/E引入了参数化设计思想，大大提高了设计灵活性。根据参数化设计原理，绘图时设计者可以暂时舍弃繁琐的设计限制，只需抓住图形的某些典型特征绘出图形，然后通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生后即可获得理想的图形，这就是重要的“尺寸驱动”理论。例如在参数化的设计环境下绘制一个边长为8的正五边形，按照以下操作即可完成：绘制首尾相接的任意5条线段：在 5条线段上加入相等约束条件，使5条边的边长相等；修改各边之间的夹角，使之成为正五边形；修改边长为最后的尺寸“ 8” 。在整个图形创建过程，设计者基本上不需要关心线段的尺寸和位置准确与否，图形绘制过程轻松快速，真正体现了人性化设计。除了通过模型上的尺寸作为模型编辑入口之外，还可以通过参数和关系式创建参数化模型，修改各个参数后再生模型即可获得新的设计结果。这样创建的模型就能快速变更形状和大小，从而大大提高模型利用率。参数化设计的一个重要特点就是设计过程中将在各特征之问引入父子关系。父子关系是在建模过程中在各特征之间自然产生的，在建立新特征时，所参照的现有特征就会成为新特征的父特征，相应的新特征会成为其子特征。如果更新了父特征，子特征也就会随之自动更新。父子关系提供了一种强大的捕捉方式可以为模型加入特定的约束关系和设计意图。在零件设计时，如果某些零件结构一样，只是尺寸不同，那么这些零件就不必一一单个建立，可建立一个父零件，定义各个控制零件形状大小的参数，在设计时通过改变各个参数的值来得到所需要的衍生件，从而建立一系列的零件，这些零件组成的集合称为族表。由于标准件的结构形状和尺寸都已经标准化，故零件设计系统中的标准件库采用族表技术开发，从而方便快捷地达到设计目的。基于三维参数化技术的零件变型设计是PRO/E三维参数化设计的另外一个重要应用方面。产品变型设计是指根据客户需求和概念设计，确定定制产品设计参数信息，通过修改产品变型设计主模型的参数值和尺寸关系，生成相似的产品或零部件。基于参数化技术的变型设计是将参数化技术应用于产品变型设计。首先通过参数化造型系统建立产品主模型，即基于参数化CAD系统的三维产品模型；然后对模型进行参数分析，建立参数间的关联和约束；最后应用尺寸变型设计的思想，对某些尺寸参数或产品的局部结构进行修改，更新某些尺寸参数值和约束关系以驱动模型生成新的相似产品，达到变型设计的目的。Pro/E 软件系统就是参数化造型系统的典型代表之一，基于三维 CAD 系统进行二次开发的零件参数化变型设计在国内得到了广泛的研究。如：徐国权等人提出的基于SolidWorks 的参数化设计二次开发研究，杨青等人提出的基于Pro/E 的三维零件模型的参数化设计，李世国等人提出的基于Pro/E 零件模型的参数化设计技术研究，张义智等人提出的摆动滚子从动件圆柱凸轮参数化设计等等。研究人员主要是采用三维模型与程序控制相结合的方式，根据零件或组件的设计要求，建立一组能控制三维模型形状和拓扑关系的设计参数，参数化程序通过对零件或组件的设计参数编程，来实现设计参数的检索、 修改并利用 Pro/E 系统的高级开发工具包Pro/TOOLKIT提供的 UI 对话框、菜单以及 VC的可视化界面技术，设计方便的人机交互界面来实现三维模型的再生。3.3 Pro/E三维参数化设计方法综述3.3.1 利用软件自带的参数化造型方法包括方程式驱动、 系列零件设计表、 配置、特征和一些插件提供的标准件选用功能。3.3.2 Pro/E二次开发Pro/E 的参数化设计实际是 Pro/E 二次开发的目的之一。虽然Pro/E 软件功能非常强大，通用性非常好，然而在具体的使用过程中不可能满足各种设计要求，特别是国外的CAD 等系统在设计标准、规范及标准件库等方面和国内存在较大的差异，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的要求，更大限度地发挥Pro/E 的作用。对 Pro/E进行二次开发的目的就是要把Pro/E 进一步充实、完善、改进成为用户实用的CAD/CAE/CAM应用系统。PRO/E的二次开发工具比较多，常用的二次开发工具有：族表（Family Table） 、用户定义特征（ UDF ） 、Pro/Program 、J-link、Pro/toolkit等。1）族表（ Family Table ） 通过族表可以方便的管理具有相同或相近结构的零件，特别适用于标准零件的管理。族表通过建立通用零件为父零件，然后在其基础上对各参数加以控制生成派生零件。整个族表通过电子表格来管理，所以又被称为表格驱动。2）用户定义特征（ UDF ） 用户定义特征是将若干个系统特征融合为一个自定义特征，使用时作为一个整体出现。系统将UDF特征以 gph文件保存。 UDF适用特定产品中的特定结构，有利于设计者根据产品特征快速生成几何模型。3）Pro/E 软件对于每个模型都有一个主要设计步骤和参数列表Pro/Program 。它是由类似 BASIC的高级语言构成的，用户可以根据设计需要来编辑该模型的Program，使其作为一个程序来工作。通过运行该程序，系统通过人机交互的方法来控制系统参数、特征出现与否和特征的具体尺寸等。4）J-link是 Pro/E 中自带的基于 JAVA语言的二次开发工具。用户通过JAVA编程实现在软件 PRO/E中添加功能。Pro/E 二次开发的原理是利用 Pro/T 在VC 的平台上制作出应用程序与Pro/E 之间的接口，然后由 Pro/E调用VC 生成的动态链接库文件， 在Pro/E系统中注册应用程序并启动应用程序。Pro/E二次开发是基于 Pro/ToolKit的二次开发， Pro/T 是Pro/E软件系统提供的用户化工具箱， 也称为用户接口 (API) ，利用Pro/T 所提供的库函数 / 可以用 C语言进行二次开发工作。3.3.3 基于三维模型的参数化程序设计Pro/E 二次开发应用最广的方向是基于三维模型的参数化程序设计。通常，二维参数化程序设计可以采用程序自动生成工程图的方式实现。但在零件的三维设计中。 由于三维模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体等各类的特征，直接利用程序生成三维模型是非常困难的，参数化程序的设计必定十分繁琐和复杂。参数化造型是用交互方式创建三维模型，再利用Pro/E的参数功能建立设计参数。然后由 Pro/T 应用程序检索出模型的设计参数、并提供参数的编辑功能和根据新的设计参数再生三维模型的功能。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的三维模型相同，但必须注意以下几点：(1) 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、同心、共线、垂直及对称等关系实现对几何图形的全约束。(2) 正确设置控制三维模型的设计参数。设计参数可分为两种情况：一是与其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补关系，后者可用以独立参数为自变量的关系式表示。实际上，参数化设计程序采用的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。(3) 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ProE中创建草图、加减材料和其他修饰特征时，系统将会以d0、dl 、d2? 等默认的符号给特征的约束参数命名。系统的约束参数命名是由Pro/E系统自动创建的，其值控制三维模型的几何和拓补关系，与用户建立的参数无关。要使用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：1) 在创建或修饰特征需要输入参数时，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。2)利用ProE的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。开发者可以根据自身的条件、工具的特点，选择一种合适的开发工具。开发者通过编程建立用户界面，接受用户的参数输入与指令输入，通过函数实现零件造型、尺寸驱动等一系列自动化工作，使用一种交互的、程序的方程式实现参数化设计。第一种方法相对易于掌握， 适合一般的工程技术人员。 在此利用 Pro/E 软件自带的参数化功能来研究铣床顶尖座三维参数化设计。4 铣床顶尖座的三维参数化设计过程4.1 基于 Pro/E 的三维参数化特征造型利用 Pro/E 进行三维参数化特征研制， 主要分为两个部分进行。 单个零件进行三维参数化设计；在零件三维参数化的基础上，对整个装配体进行参数化设计。4.2 顶尖座三维参数化设计过程4.2.1 单个零件的三维参数化单个零件主要有两大类：标准件和非标准件。4.2.2 标准件三维参数化铣床顶尖座的标准件包括垫圈、螺栓和螺母、销。在PRO/E中对这些标准件进行三维参数化，有两种方法可以很容易实现：用插件生成单个零件，供装配时使用；构建三维标准零件库在装配过程中参数化。在此重点研究非标准件的参数化设计问题。4.2.3 非标准件三维参数化非标准件的参数化，采用方程式，为了便于设计和装配，我们选择在方程式对零件的尺寸关系建立三维参数化关系式。关系式体现了PRO/E 软件的尺寸关联性。（1）基体建模，根据零件草图利用拉伸、切除特征建立顶尖基体模型。在建立基体模型中必须做到基于特征，全尺寸约束。 在基体模型中建立足够的约束关系和足够的尺寸。如圆与直线相切的地方一定要添加相切约束，如果缺少这么一个约束关系，那么在改变基准尺寸后驱动出来的模型就很可能不是圆柱，而是一头大一头小的圆锥体，或者驱动成不可预测的模型结果，所以，正确建立基体模型是三维参数化的前提条件。（2）以基体模型为载体建立所需的方程式，在“基于特征，全尺寸约束”基础上实现“尺寸驱动设计修改以及全数据相关”。底座的参数化设计首先建立底座的基体模型如下图：图 4.1 底座的基本模型然后确定底座各尺寸间的关系式图 4.2 底座各尺寸间关系是以14 孔的尺寸做为基准尺寸， 在各个尺寸间建立的关系式， 通过改变改孔的直径，可以直接生成相应的模型，如下图所示。图 4.3 参数化后生成的模型顶尖的三维参数化设计首先建立顶尖的基体模型如下：图 4.4 顶尖的模型然后建立顶尖 16 与其他尺寸的关系式图 4.5 顶尖的尺寸关系以尺寸 16 作为基准尺寸，和其他尺寸之间建立所需的方程式，那么尺寸 16可驱动整个零件的三维参数变化，即只需要按国标改变尺寸16，就可以建立所需的符合国标的顶尖三维模型，实现“尺寸驱动设计修改以及全数据相关”。从而实现对非标准件的正确参数，下图是把 16 改为30 后生成的图像。图4.6 参数后生成的顶尖模型4.2.4 装配体的参数化装配体三维参数化设计基于关联的设计方法。装配体中各个零件所包含的各种几何信息为数据源头，通过几何继承、数学推导等方式获取其他所需信息，选用适当的约束传播和求解模型， 来构筑一个具有实时响应能力的信息资源高度共享的体系。在装配体中，以顶尖装配体的某个零件作装配体的基准件，达到改变零件的基准尺寸，装配体其它零件的尺寸都作相应的协调变化，并且维持原有的装配关系不变，在此不做论述。5 总结Pro/E 是包含了 CAD/CAM/CAE功能的集成化软件，满足设计、分析、制造、产品数据管理的一体化要求。 Pro/E系统在工程图和零件或装配体三维模型之间提供全相关的功能，全相关意味着无论什么时候修改零件或装配体的三维模型，所有相关的工程视图将自动更新，以反映零件或装配体的形状和尺寸变化；反之，当在一个工程图中修改一个零件或装配体尺寸时，系统也将自动地将相关的其他工程视图及三维零件或装配体中的相应尺寸加以更新。参数化设计的实质就是利用每个特征
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