基于Pro/E的低破碎玉米脫粒機虛擬建模設(shè)計

【摘 要】用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計玉米播種機需要較長的周期，且二維圖形不能直觀的表達出三維的信息。為此，利用三維設(shè)計軟件PRO/E軟件對低破碎玉米脫粒機進行建立虛擬模型，找到了工作時脫粒裝置的主要設(shè)計參數(shù)，并進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，為在實際應(yīng)用及設(shè)計脫粒裝置時關(guān)鍵點位置的確定提供了理論依據(jù)，從而確定出一套具有低破碎、低損傷的優(yōu)選方案， 有效的幫助工程技術(shù)人員縮短研制周期，提高設(shè)計水平和工作效率。

【關(guān)鍵詞】低破碎玉米脫粒機 脫粒裝置 PRO/E軟件 虛擬模型 關(guān)鍵點

隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)及特征建模技術(shù)的發(fā)展，CAD已從單純的模仿二維工程圖樣飛躍到三維實體造型。同時，當(dāng)今虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，使得CAD技術(shù)在工程設(shè)計中呈現(xiàn)越來越重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，齒輪變速箱類產(chǎn)品的設(shè)計90%以上的工作是以修改原有的設(shè)計為主，而對原有設(shè)計的某些局部改動可能會形成迭代關(guān)系，牽涉到大量的變化。因此迫切需要建立產(chǎn)品各數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系，使得局部的修改能自動實現(xiàn)全局修改，以保持產(chǎn)品的整體優(yōu)化狀態(tài)。

一、PRO/E參數(shù)化建模設(shè)計

近年來，隨著三維幾何模型技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員可以直接在計算機顯示器前構(gòu)建和觀察產(chǎn)品的三維型體和結(jié)構(gòu)，設(shè)計結(jié)果可以用三維模型存儲，也可由模型生成二維工程圖。這種以三維幾何模型為基礎(chǔ)的CAD系統(tǒng)稱為三維CAD系統(tǒng)。參數(shù)化設(shè)計是目前CAD應(yīng)用技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。參數(shù)化設(shè)計將零部件圖形的描述分為三部分：圖形的拓?fù)潢P(guān)系、圖形的幾何參數(shù)以及這些幾何參數(shù)與圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。它主要特點是：全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。這種設(shè)計技術(shù)特別適合于標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的設(shè)計以及結(jié)構(gòu)定型的系列產(chǎn)品設(shè)計。本文對變速箱的參數(shù)化特征建模設(shè)計就是基于Pro/ENGINEER這樣的三維CAD系統(tǒng)。

二、PRO/E的主要特征

在Pro/E中，除了采用幾何上的尺寸參數(shù)外，另具有由系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，如體積、表面積、質(zhì)心、空間坐標(biāo)等，以及在設(shè)計過程中由設(shè)計者決定采用的用戶參數(shù)，如密度、厚度等物理量或字符串。Pro/E以參數(shù)化的設(shè)計方式去驅(qū)動零件產(chǎn)品的設(shè)計過程，使設(shè)計過程的修改和產(chǎn)品零件的最終成行具有更大的柔性，使設(shè)計工作較之以前更方便、更靈活。除此之外，它在設(shè)計觀念和方式方面的創(chuàng)新有：

（一）虛擬三維實體模型

Pro/E以計算機構(gòu)造三維實體模型，以虛擬設(shè)計的方式表達了設(shè)計者對產(chǎn)品零件全部的創(chuàng)造構(gòu)想，借助系統(tǒng)的預(yù)設(shè)參數(shù)，設(shè)計人員還可以方便地得到產(chǎn)品零件的體積、面積、質(zhì)心、質(zhì)量、慣性矩等有關(guān)信息，加上材質(zhì)、色彩、燈光的渲染效果，更加逼真地再現(xiàn)或創(chuàng)造了自然界中的物體。這些顯著的特點，彌補了以往面架構(gòu)、線架構(gòu)遠離真實物體的缺陷，并大量減少了設(shè)計中人的計算時間。

（二）同步工程

單一的計算機繪制工程圖或單一的CAD、CAM系統(tǒng)，使同一產(chǎn)品零件需要建立重復(fù)的資料數(shù)據(jù)庫。這使設(shè)計工作繁雜、費工費時，又很容易出錯，不便于同時修改。Pro/E由于在系統(tǒng)構(gòu)造中采用了單一的資料數(shù)據(jù)庫，因而成功地解決了這些問題。

設(shè)計過程中，設(shè)計者可隨時根據(jù)需要更改三維零件尺寸，而二維工程圖、三維組裝件、模具等也會同時做正確的改變，這種同步相關(guān)性完全保證了各階段的設(shè)計資料的一致性，并且延續(xù)到數(shù)控加工時相應(yīng)的刀具路徑均會自動改變，同時減少許多人為改圖所消耗的工作時間，并避免因人的疏漏而產(chǎn)生重大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)錯誤。此特性稱為雙向關(guān)聯(lián)性，亦稱為同步工程。這種特性避免了以往因各處重復(fù)修改而耗費時間的問題，并有效地保證單一資料數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的可靠性。

（三）自然的特征設(shè)計方式

Pro/E以貼近工程自然結(jié)構(gòu)的單元特征，輔以靈活強大的編輯修改、變換手段，完成產(chǎn)品的建模設(shè)計過程，如鉆孔、挖槽。這樣的特征構(gòu)建實體模型除具有幾何特征外，本身還包含著加工的信息，十分符合工程技術(shù)人員的日常習(xí)慣，因此，便于設(shè)計人員學(xué)習(xí)和掌握，設(shè)計人員可以用模型樹、工具條以及其他位置的編輯操作，對特征單元進行順序調(diào)整、插入、刪除、重新定義等修改操作。

三、PRO/E環(huán)境下三維實體建模

常用的Pro/E創(chuàng)建零件模型的方法主要有以下兩種：

一種是 “積木”式的方法：

這是大部分機械零件的實體三維模型的創(chuàng)建方法。即先創(chuàng)建一個反映零件主要形狀的基礎(chǔ)特征，然后在基礎(chǔ)特征上添加其他的一些特征，如伸出、切口、倒角、圓角等。

另一種是由曲面生成零件的實體三維模型的方法：

先創(chuàng)建零件的曲面特征，然后把曲面轉(zhuǎn)換成實體模型。

在設(shè)計過程中，多種設(shè)計方法結(jié)合使用，不但可以提高建模速度，而且可以保證尺寸的準(zhǔn)確性。將各個零件都裝配到一起組成子裝配，再將各子裝配組裝到一起，最后就形成了整機模型和整機裝配的模型如圖1所示。

四、PRO/E模型的質(zhì)量與重心計算

在Pro/E的零件模式和裝配模式下，都可以進行模型分析。通過分析可以計算出模型的體積、質(zhì)量、重心、慣性張量、轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩等。本設(shè)計中強調(diào)在保證脫粒機正常工作的前提下，盡量減輕其重量，并使其重心盡量在中間以減小脫粒機電機引起的振動，因此在模型建立完成后，計算模型的質(zhì)量和重心位置對于分析整體結(jié)構(gòu)的合理性具有一定意義。首先對原始設(shè)計的模型進行分析。總裝配模型的坐標(biāo)系原點在機架的左上角點部位（如圖2所示的ASM_DEF_CSYS），模型分析結(jié)果中的尺寸值都是相對于這一坐標(biāo)系而言的。在總裝配圖完成以后，通過模型分析進行質(zhì)量與重心的分析計算。設(shè)置過程中會彈出對話框要求輸入各零件的比重，完成全部的零件的比重輸入后Pro/E即開始計算。在本模型中，幾乎全部材料都同一采用密度為7.8×10-9 t/mm3 45鋼材（除皮帶外）。故計算的重心坐標(biāo)如圖7-3所示。

將模型的材料（不包括皮帶），密度（7.8×10-9 t/mm3 ）輸入進行分析后，分析窗口的結(jié)果欄所顯示的本機模型的分析結(jié)果如圖3所示：

質(zhì)量為1.17t，相對重心坐標(biāo)為：（1014，-126，380），體積是：1.5×108mm3，平均密度：7.8×10-9 t/ mm3，也包括慣性張量、重心的慣性張量等。

整機模型都是在PRO/E軟件環(huán)境下設(shè)計的，設(shè)計過程中充分引用了該軟件的參數(shù)化造型，體現(xiàn)了先進的CAD軟件下能夠完成該機的設(shè)計工作。

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，先進的應(yīng)用工具使得人們的工作效率和工作質(zhì)量得到了大大的提高。采用三維設(shè)計方法取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計方法，使設(shè)計過程可視化，設(shè)計結(jié)果直觀明了，有利于提高設(shè)計質(zhì)量；參數(shù)化設(shè)計使得零件的修改和由原型零件演繹出新的零件更加捷，有利于提高設(shè)效率。

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作者簡介：王云德，男，出生于1981年9月，籍貫：甘肅民勤，職稱：大學(xué)講師，研究方向：機械設(shè)計、制造及其自動化方向。