引言
面临激烈的市场竞争,每个企业都将产品设计这一环节作为企业的生命线,没有适销对路的创新产品,即使企业设备再先进,管理再科学,也会在竞争中败下阵来。创新产品的开发与研制离不开先进的设计技术,作为先进设计技术核心的CAD技术正从传统CAD技术向现代CAD技术发展。可以说,市场竞争促进了CAD技术的发展。
现代CAD技术不再仅仅是代替手工绘图的一种工具,而是包含了产品方案决策、结构设计、性能分析、功能仿真,直至工艺设计的全部过程,由二维绘图发展为今天基于特征的三维参数化和变量化造型技术。使用三维设计技术更能反映实际产品的设计、构造及制造过程,同时利用CAD软件对机器或机构进行运动仿真与分析,对设计中可能出现的问题做出预测和改进,有利于实现自动化设计,加快产品更新换代的速度,提高企业市场竞争力。
1 三维模型的创建
1.1 特征化造型的概念
特征造型是几何造型技术的发展,它对诸如零件形状、尺寸、工艺、功能等相关信息的综合描述更直观和更具工程含义。基于特征的造型系统一般先将大量的标准特征或用户自定义特征存入数据库,在设计阶段调用特征库中的特征作为基本造型单元进行建模,再逐步输入几何信息、工艺信息,建立零件的特征数据模型,并将其存入数据库。基于特征的造型方法大大地提高了设计效率和质量,同时在设计过程中设计人员可方便地进行特征的合法性、相关性检查,便于组织复杂的特征。特征建模过程实际上是一系列特征的累加过程。
在三维建模中主要有以下3种特征:
(1)实体特征它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征(如实体的突出部分),也可以是负空间特征(如实体上的孔、槽等)。在Pro/E中,根据建模方式和原理的差异,把实体特征进一步分为基础特征和工程特征基础特征是三维模型设计的起点,包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等。工程特征是在基础特征上的附加特征,它的创建依赖于已存在的基础特征,是有一定工程应用价值的特征,包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。
(2)曲面特征它是一种没有质量和体积的几何特征,对曲面的精确描述比较复杂,在目前三维造型中通常采用“B样条曲线”为基础,通过曲率分布图对曲线进行编辑,进而得到高质量的曲面造型曲面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。
(3)基准特征指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说,基准特征主要用于辅助三维模型的创建。
1.2 Pro/E建模的一般过程
Pro/E是美国PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的CAD/CAM/CAE一体化软件,该软件集机械设计、模具设计、加工制造、钣金设计、机构分析、有限元分析和关系数据库管理等功能于一体,是目前国际上专业设计人员使用最为广泛、功能强大的新一代产品造型和动态仿真软件。
利用Pro/E建模首先从整体研究将要建模的零件,分析其特征组成,明确不同特征之间的关系和内在联系,确定零件特征的创建顺序,在此基础上进行建模、添加工程特征等设计。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Pro/E三维模型将线框、曲面和实体三者有机地结合起来,形成一个整体,整个建模过程是基于特征为基本单位的参数化设计过程。其中参数包括几何参数和尺寸参数。几何参数确定了实体特征基本位置的固定关系,尺寸参数决定了产品外观尺寸和相对距离。利用参数可以准确控制和修改所建立的三维模型。
Pro/E建模的一般过程如下:
(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准:如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时,都要利用基准特征作为参照;
(2)建立基础实体特征:拉伸、旋转、扫描、混合等;
(3)建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等;
(4)特征的修改:特征阵列、特征复制等编辑操作；
(5)添加材质和渲染处理。
图1 为一齿轮油泵零件的三维模型图。
图1
1.3 利用族表实现零件系列化设计
系列化设计是指对于某些基本形状相似的零件，通过修改参数即可自动生成新的系列化零件的设计方法，系列化设计可大大节省设计时间，提高设计效率。
Pro/ E提供的族表实质上是一电子表格，该表格由行和列组成。族表中由用户建立的零件为基础零件(父零件)，以基础零件为基础，通过控制参数驱动生成的零件为族成员(子零件)，所有基础零件和族成员的集合即为族表。图2为普通螺栓的族表。
图2
2 产品组装
所有工业产品都是由不同数量的零、部件装配而成的,Pro/E提供的Assembly功能模块专门用来进行零件装配。通常可采用2种装配方法:①自下而上(Bottom-Top)的装配方法。这种装配过程与实际装配过程类似,通过装配约束确定零件几何要素间相对位置,将所有零件逐个定位装配,直到完成整个产品的组装。②自顶向下(Top-down)的装配方法,这种方法基于自顶向下的设计思想,先在宏观上建立装配规划,然后再按规划逐步设计每个零件,这种方法适用于由团队相互分工协作完成的大型项目。由于Pro/E所有设计模块采用单一的数据库,因此在装配过程中可以随时调整设计方案,根据需要改变零件参数,改变后的参数变化将体现在所有模型当中。为了显示产品各部分零件的结构关系,可以在保持约束关系不变的情况下生成爆炸图,还可以实现装配过程的仿真动画,把组装过程通过每一个装配状态的快照实现自动的动态视频演示,客户可以通过观看该视频文件了解产品的结构和组装过程。图3为齿轮油泵的装配模型图。
3 运动仿真与分析
运用Pro/E软件进行三维建模后还可利用计算机模拟系统在真实环境下运动和功能特性,以验证设计方案是否合理,运动和力学性能参数是否满足设计要求,运动构件是否发生干涉等,通过运动仿真和分析可及时发现问题并不断改进和完善设计,严格保证设计质量。
机构运动分析模块(Mechanism)是Pro/E提供的集运动仿真和机构分析于一身、功能强大的模块。当各零件通过装配模块组装成一个完整的机构后即可进入机构运动分析模块。在该模块中,根据设计意图定义机架及构成运动副的零件或组件之间的连接(注意把固定约束的定位约束解除),然后定义伺服电机。伺服电机的作用是对机构施加力或力矩,为机构提供指定的运动。最后执行运动,并对运动结果进行分析。
4 结语
Pro/Engineer Wildfire版本更加完善了软件的用户界面和功能,其中包含了目前国际上先进的工程设计理念和设计思想,如To-down设计、并行设计、柔性设计,系统灵敏度设计技术,在进一步推广和使用Pro/E软件的同时,这些先进的设计技术也将引入到工业产品造型设计中,与其他三维造型设计软件相比,Pro/E在结构设计上具有特殊的优势,将Pro/E运用到产品造型设计和结构设计的各个环节必将全面推动产品设计的发展和进步,与世界先进计算机辅助设计技术接轨
