本章主要讲解机械零件设计的方法bfdc.docx

第1章Pro/ENGINEER机械零件设计基础本章主要要讲解机机械零件件设计的的方法，介介绍了机机械设计计的基本本要求和和顺序、机械零件设计和计算机辅助设计方法。重点介绍了利用Pro/ENGINEER进行机械零件设计的步骤和技巧，从而使读者对设计方法有了初步的认识和了解，为后面讲解具体的零件设计奠定基础。1.1 机械械零件设设计概述述在现代化化生产中中，机械械是不可可缺少的的组成部部分，它它是由若若干个机机械零件件组成，机机械零件件简称为为零件。下下面介绍绍一下机机械零件件和设计计方法。1.1.1 机械零零件简介介零件通常常分为两两大类，一一类是通通用零件件，它的的特点是是经常、大大量、反反复出现现在各种种机械的的组成结结构中，如如螺栓与与螺母、带带与带轮轮、轴与与轴承、齿齿轮或蜗蜗轮、弹弹簧等零零件。另另一类是是专用零零件，它它的特点点是在专专用机器器上使用用，如起起重机的的吊钩、发发动机的的曲轴、汽汽轮机的的叶片等等。本书书后面所所讲的机机械零件件设计的的实例也也包括了了这两大大类的零零件。下面讲一一下零件件的三化化：第一个是是标准化化，是指指在不同同类型、不不同规格格的各种种机械中中，将同同类零件件的结构构形式、尺尺寸、材材料等限限定在合合理的数数量范围围内。第二个是是系列化化，主要要是指根根据要求求，按照照一定规规律优化化组合零零件系列列。第三个是是通用化化，主要要是指最最大限度度地减少少和合并并零件的的传动形形式、尺尺寸和材材料品种种等。多采用三三化，能能在设计计中减少少过失、节节省时间间、加快快进程、提提高设计计质量；同时为为专门工工厂集中中大量生生产创造造了条件件，有利利于节能能节材，提提高产品品质量，降降低生产产成本。1.1.2 机械设设计的基基本要求求和顺序序机械设计计的基本本要求，首首先要满满足它在在工作中中的职能能要求，即即在预期期寿命内内，能够够高效率率地完成成它的工工作使命命，而本本身具有有体积小小、重量量轻、易易于加工工、成本本低廉、维维修方便便、安全全可靠、操操作灵活活等特点点。1机械械设计的的顺序机械设计计没有固固定的顺顺序，常常因具体体条件不不同而异异，但一一般的设设计顺序序如下。1 / 任务分分析、调调查研究究、拟定定方案对所接受受的设计计任务，首首先应明明确机械械的工作作条件和和工作要要求、职职能范围围和技术术指标、制制造的技技术条件件和设备备条件等等，带着着问题进进行深入入的调查查研究。根根据设计计要求和和调研资资料进行行分析，拟拟定设计计初步方方案。2 / 建立力力学模型型、计算算零件主主要参数数和尺寸寸初步方案案拟定后后，根据据力学理理论和方方法，建建立尽可可能与设设计系统统一致的的力学模模型，进进行模拟拟分析与与验证，其其主要内内容为运运动学、动动力学、零零件载荷荷和计算算工作能能力。当当然如果果有需要要和可能能还要考考虑摩擦擦学、优优化和可可靠性问问题，以以提高方方案先进进性和可可靠程度度，继而而确定机机械所需需功率和和工作效效率，选选择材料料，算出出主要参参数和尺尺寸。3 / 结构设设计、制制图和编编写设计计说明书书当主要参参数和尺尺寸确定定以后，就就应描绘绘机械的的结构方方案图纸纸（草图图），草草图的设设计计算算、结构构设计、修修改描绘绘应是穿穿插交叉叉、反复复校正的的过程。待待正式的的装配图图完成以以后，再再绘制零零件图，最最后补充充说明书书和其他他技术文文件。2机械械零件设设计的步步骤下面来介介绍一下下机械零零件设计计的步骤骤。 根据机机械的工工作要求求和工作作条件，选选定零件件的类型型。按照力学学方法去去确定零零件的载载荷，选选用适合合的材料料，拟定定零件的的工作能能力准则则计算出出满足工工况要求求的主要要尺寸。进行结构构设计，将将计算所所得的尺尺寸结合合整体部部件在使使用上、结结构上、工工艺上的的要求予予以协调调。绘制零件件工作图图纸，图图上应注注明配合合公差、加加工要求求，材料料及技术术条件要要求等。1.1.3 计算机机辅助零零件设计计随着计算算机的普普及，机机械零件件设计越越来越多多地利用用计算机机的辅助助设计方方法。例例如利用用计算机机绘制零零件图纸纸，进行行零件的的各种参参数计算算等，PPro/ENGGINEEER就就是这些些计算机机辅助设设计软件件中的佼佼佼者。Pro/ENGGINEEER是是由美国国参数技技术公司司（Paarammetrric Tecchnoologgy CCorpporaatioon）公公司19989年年推出的的，目前前，Prro/EENGIINEEER在220011版本的的基础上上推出了了全新的的Willdfiire版版本，该该版本的的操作在在20001版本本的基础础上进行行大幅度度的改动动，极大大简化了了用户操操作步骤骤，更加加方便人人机交流流，界面面紧凑合合理，并并将当今今领先的的设计思思想融入入到整个个设计流流程中，极极大地提提高了工工作效率率，实测测数据显显示，较较之20001版版，其操操作性方方面的提提高使设设计效率率最高可可提高440%。Pro/ENGGINEEER在在机械零零件设计计上最重重要的一一个特点点是参数数式设计计，就是是将零件件尺寸的的设计用用参数来来描述，并并在设计计修改时时通过修修改参数数的数值值来更改改零件的的外形。Pro/ENGINEER中的参数不只代表设计对象外观的相关尺寸，还具有实质上的物理意义。例如可以运用系统参数(如体积、表面积、重心、三维坐标等)，或用户按照设计流程需求将自己定义的用户定义参数(如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符)加入设计构思中，来表达设计思想。这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，还将设计的便捷性推进了一大步。下面，就就来介绍绍一下PPro/ENGGINEEER参参数式设设计的特特性，主主要有以以下几个个方面。1真实实3D模模型在Proo/ENNGINNEERR中，设设计出的的模型是是真实的的3D模模型，弥弥补了传传统面结结构、线线结构的的不足。这这些3DD实体模模型除了了可以将将用户的的设计思思想以最最真实的的模型在在计算机机上表现现出来之之外，借借助于系系统参数数，用户户还可随随时计算算出产品品的体积积、面积积、重心心、重量量、惯性性大小等等，以了了解产品品的真实实性，并并可以进进行进一一步的组组件装配配等的运运算。用用户在产产品设计计过程中中，可以以随时掌掌握以上上重点，设设计物理理参数，并并减少人人为计算算时间。2以特特征作为为设计的的单位Pro/ENGGINEEE的特特征方式式是基于于人性化化设计的的，初次次使用PPro/ENGGINEEER的的用户肯肯定会对对特征感感到亲切切，Prro/EENGIINEEER正是是以最自自然的思思考方式式从事设设计工作作，如孔孔、开槽槽、做成成圆角等等均被视视为零件件设计的的基本特特征。除除了充分分掌握设设计思想想之外，它它还在设设计过程程中导入入实际的的制造思思想；也也正因为为以特征征作为设设计的单单元，所所以可随随时对特特征做合合理、不不违反几几何原理理的顺序序调整、插插入、删删除、重重新定义义等修正正动作。3单一一数据库库Pro/ENGGINEEER 可随时时由3DD实体模模型产生生2D工程程图，而而且自动动标识工工程图尺尺寸。不不论是在在3D还是是2D图形形上进行行尺寸修修正，其其相关的的2D图形形或3DD实体模模型均自自动修改改，同时时组合、制制造等相相关设计计也会自自动修改改，这样样可确保保数据的的正确性性，并减减少反复复修正所所耗费的的时间。由由于采用用单一数数据库，提提供了所所谓双向向关联性性的功能能，这也也正符合合了现代代产业中中同步工工程的思思想。4参数数式设计计配合单一一数据库库，所有有设计过过程中所所使用的的尺寸(参数)都存在在数据库库中，修修改CAAD模型型及工程程图不再再是一件件难事，设设计者只只需更改改3D零件件的尺寸寸，2DD工程图图、3DD组合、模模具等就就会依照照尺寸的的修改做做几何形形状的变变化，以以达到设设计修改改工作的的一致性性，避免免发生人人为改图图的疏漏漏情形，且且减少许许多人为为改图的的时间和和精力消消耗。也也正因为为有参数数式的设设计，用用户才可可以运用用强大的的数学运运算方式式，建立立各尺寸寸参数间间的关系系式，使使得模型型可自动动计算出出应有的的外型，避避免尺寸寸逐一修修改造成成的繁琐琐费时，并并减少错错误的发发生。1.2 Prro/EENGIINEEER零件件设计方方法对于使用用Proo/ENNGINNEERR Wiildffiree中文版版进行零零件设计计的设计计师来说说，掌握握好的设设计方法法和设计计习惯是是很重要要的。下下面就来来介绍一一下Prro/EENGIINEEER零件件设计的的通用方方法。1.2.1 设置设设计环境境一般来说说，用户户通常是是在按默默认设置置安装完完成Prro/EENGIINEEER WWilddfirre中文文版后，就就直接通通过双击击桌面图图标或通通过“开始”程序菜菜单来启启动Prro/EENGIINEEER WWilddfirre中文文版了。但但是，此此时Prro/EENGIINEEER WWilddfirre中文文版默认认的工作作目录一一般在操操作系统统安装盘盘上的DDocuumennts andd Seettiingss当前前用户名名目录录下，而而并不是是用户希希望的目目录。另另外，即即使初始始工作目目录设置置合理了了，在PPro/ENGGINEEER Willdfiire工工作时，还还会产生生很多轨轨迹跟踪踪文件ttraiil.ttxt.x，这这样的文文件会随随着工作作的持续续而不断断地增多多，虽然然可以手手工删除除，但是是同样会会影响到到工作目目录的直直观以及及轨迹文文件的重重用。这这些问题题的解决决都可以以通过初初始化配配置文件件来实现现，下面面来具体体讲解。1设置置工作目目录设置工作作目录在在大多数数的书籍籍和帮助助中都告告诉用户户在启动动Proo/ENNGINNEERR Wiildffiree中文版版后，选选择“文件”“设置工工作目录录”命令来来设定，但但是，当当用户关关闭Prro/EENGIINEEER WWilddfirre中文文版，下下次再启启动后以以及每次次启动后后都还得得再设置置一次，从从长远来来看并不不方便。实实际上在在Winndowws中，只只需更改改桌面图图标的属属性就可可以“永久”设定需需要的工工作目录录了。具具体操作作如下。 首先在在桌面图图标上右右击，在在弹出的的菜单中中选择“属性”命令，如如图1-1所示示。图1-11打开“快快捷方式式 到pproee 属性性”对话框框，在其其中的“起始位位置”文本框框中输入入希望的的工作目目录后单单击“确定”按钮即即可，以以后只要要用此快快捷方式式启动即即可直接接设定需需要的工工作目录录。根据据此思想想，如果果用户当当前有nn个项目目，需要要经常性性地使用用不同的的工作目目录，只只需在桌桌面上建建立n个个快捷方方式即可可方便地地调用了了，如图图1-22所示。图1-222设置置轨迹文文件目录录所谓轨迹迹文件是是指在PPro/ENGGINEEER Willdfiire中中文版运运行时，根根据用户户的操作作将所有有的操作作过程同同步记录录在硬盘盘上的一一种方式式，可以以看作是是用户整整个操作作过程的的全程录录像，即即跟踪轨轨迹文件件。这个个文件的的作用一一是可以以使其他他工程师师极为直直观地了了解某一一模型的的制作过过程、制制作思想想，二是是可以在在一个模模型一直直未存盘盘的情况况下，当当出现突突然事件件（如断断电）时时，不会会丢失数数据，因因为用户户可以通通过重放放“录像”（即重重载轨迹迹文件）的的方式将将断电前前的模型型数据完完整地恢恢复。前面讲过过，这个个轨迹文文件的默默认存放放目录就就是用户户所设定定的工作作目录，根根据轨迹迹文件的的生成特特点，可可以知道道轨迹文文件的增增加速度度远大于于模型文文件的增增加速度度，这样样用户在在工作目目录中想想找一个个模型文文件时会会比较繁繁琐，所所以本节节的目的的就是说说明如何何将轨迹迹文件统统一放到到一个目目录中去去。具体体操作如如下。在工作目目录下新新建一个个文本文文件，命命名为cconffig.proo，然后后用记事事本打开开，在其其中设定定一个参参数trraill_diir的值值为轨迹迹文件存存放目录录，其格格式如图图1-33所示，为为：traiil_ddir ee:xxxx编辑完成成后保存存即可。图1-33conffig.proo文件就就是Prro/EENGIINEEER WWilddfirre的配配置文件件，这个个文件中中可以配配置几百百项用于于控制PPro/ENGGINEEER Willdfiire运运行的参参数，并并且文件件本身还还有三种种不同的的权限版版本用于于针对不不同级别别的设计计师的参参数优先先级控制制。关于于配置文文件具体体的功能能介绍在在市面上上其他书书籍的高高级部分分以及PPro/ENGGINEEER Willdfiire自自身的帮帮助中均均有详细细的描述述。限于于本书的的编制目目的，本本节只介介绍最基基本的配配置项。3设置置界面语语言Pro/ENGGINEEER Willdfiire的的界面语语言本身身就是一一个模块块，可以以通过配配置文件件来定义义其显示示方式，共共有三种种显示方方式：只只显示英英文，只只显示中中文，同同时显示示中英文文。其设设置方式式如下。在connfigg.prro文件件中设置置参数mmenuu_trransslattionn的值：menuu_trransslattionn nno只显示示英文menuu_trransslattionn yyes只显示示中文menuu_trransslattionn bbothh同时显显示中英英文1.2.2 选择特特征类型型在基本环环境设置置好之后后，就可可以启动动Proo/ENNGINNEERR Wiildffiree开始零零件设计计。那么么在设计计之前，首首先要确确定要设设计的是是什么样样的特征征，然后后才能根根据选择择的特征征来进一一步设计计。一般般有两种种情况，一一是刚开开始设计计，界面面中什么么特征（指指实体特特征）也也没有，这这时选择择的特征征就称为为第一特特征；二二是已经经有了第第一特征征或几个个特征，要要在此基基础上继继续建立立特征，这这时选择择的特征征可以叫叫后续特特征，这这种情况况下可选选的特征征类型比比较多。事实上，任任何复杂杂的机械械零件，都都可以看看成是由由一些简简单的特特征经过过相互之之间的叠叠加、切切割或相相交组合合而成。一一个零件件的建模模过程，实实际上就就是许多多个简单单特征相相互之间间的叠加加、切割割或相交交的操作作过程。一个零件件的三维维实体建建模的工工作流程程图如图图1-44所示。启动Pro/ENGINEER进入零件设计模式分析零件特征确定特征创建顺序创建与修改基本特征创建与修改其他构造特征完成所有特征保存零件模型图1-44特征的生生成顺序序很重要要，不同同的建模模顺序虽虽然可以以构造出出同样的的实体零零件，但但构造出出来的实实体零件件结构却却具有不不同的稳稳定性、可可修改性性、可理理解性及及使用性性。通常常，实体体零件越越复杂，其其稳定性性、可靠靠性、可可修改性性、可理理解性就就越差。因因此，在在技术要要求允许许的情况况下，应应尽量简简化实体体零件的的特征结结构，即即在实体体零件建建模过程程中，能能用单个个体素定定义特征征时，就就应尽量量使用单单个体素素。在零件建建模过程程中，PPro/ENGGINEEER最最先建立立的那个个特征就就是基本本特征，一一般使用用零件的的第一个个实体特特征作为为该零件件的基本本特征，它它代表零零件最基基本的形形状，零零件其他他特征的的创建往往往依赖赖于基本本特征。因因此，基基本特征征应能反反映零件件的主要要形状。在在创建基基本特征征时还要要注意要要方便创创建其他他特征。除除了实体体特征作作为基本本特征外外，实际际上，PPro/ENGGINEEER建建模时常常用3个个默认正正交基准准平面作作为基本本特征。尤尤其当第第一个实实体特征征是球体体、圆环环等特征征时，更更需要首首先定义义正交基基准平面面，因为为这些特特征本身身没有平平面，无无法为后后面的特特征创建建提供帮帮助。另外，默默认基准准平面可可在零件件装配等等许多方方面为用用户提供供方便。鉴鉴于正交交基准平平面的诸诸多优越越性，PPro/ENGGINEEER系系统建议议用户使使用正交交基准平平面特征征作为零零件建模模的基本本特征（注注意与第第一特征征的概念念区别）。第一特征征可选的的类型如如图1-5所示示，后续续特征可可选的类类型如图图1-66所示。图1-55图1-6但不管是是选择插插入第一一特征还还是后续续特征，其其操作界界面基本本是相同同的。1.2.3 绘制截截面在确定了了进行哪哪一种特特征的设设计后，下下一步的的工作一一般就是是针对这这种特征征进行截截面的绘绘制，因因为所有有的三维维特征都都是由二二维截面面通过一一定的空空间运动动产生的的，所以以要生成成三维实实体，首首先就要要绘制合合适的截截面。接接下来以以拉伸为为例说明明如何进进入到截截面绘制制。拉伸（EExtrrudee）在PPro/ENGGINEEER Willdfiire中中文版中中的打开开方法有有两种。方法一：在界面面右边的的工具栏栏中单击击按钮，进进入拉伸伸的操作作界面。方法二：选择“插入”“拉伸”命令，则则进入拉拉伸的操操作界面面。拉伸具体体操作步步骤如下下。 在工具具栏中单单击按钮钮，打开开“新建”对话框框，在其其中选择择“零件”、“实体”单选按按钮，在在“名字”文本框框栏中输输入p11，取消消选择“使用缺缺省模板板”复选框框，如图图1-77所示。单击”确确定”按钮，打打开“新文件件选项”对话框框，在“模板”选项区区域中选选择mmmns_parrt_ssoliid选项项，这表表示此零零件模型型为实体体零件，其其单位制制为毫米米/牛顿顿/秒，如如图1-8所示示。图1-77图1-8单击右边边工具栏栏中的按按钮，或或选择“插入”“拉伸”命令，进进入拉伸伸的操作作界面，如如图1-9所示示。在Proo/ENNGINNEERR的实体体建模中中，特征征是每个个实体零零件的组组成部分分。在建建立特征征时，先先要确定定建立什什么特征征，而后后进行特特征的具具体操作作过程。具具体到此此例中，是是建立拉拉伸特征征，首先先确定草草绘截面面，然后后确定拉拉伸方向向以及拉拉伸的深深度，从从而得到到实体。图1-99单击按钮钮，开始始草绘截截面。打打开“剖面”对话框框，此时时“剖面”对话框框中，淡淡黄色所所示区域域为当前前正在等等待定义义状态，如如图1-10所所示。开开始选择择草绘平平面，在在显示区区中选择择FROONT基基准面作作为草绘绘平面。Pro/ENGGINEEER中中草绘平平面的方方向是由由与草绘绘平面垂垂直的参参考面来来定位的的，参考考面可以以是基准准面或实实体上的的平面，例例如选某某个面作作为RIIGHTT（右）参参考面时时，就是是指此参参考面的的正法线线方向在在截面绘绘制的时时候指向向右方。草草绘视图图方向为为确定草草绘截面面的成长长方向，参参照为参参考面，即即一个垂垂直于草草绘平面面的面，方方向为参参考面的的定向，可可以将参参考面定定义为相相对于草草绘平面面的左、右右、上或或下4个个方向，从从而惟一一地定义义了草绘绘平面的的视角方方向。系统默认认RIGGHT为为参考面面，其方方向为右右，如图图1-111所示示。图1-110图1-1121