Pro/Engineer Wildfire三维设计软件在螺旋混料输送机设计中的应用

杨 卓，张 凯

（郑州旅游职业学院，河南 郑州 450009）

1 概述

随着科学技术的不断进步和人们生活水平的不断提高以及在饲料机械市场竞争的日益激烈。饲料机械制造企业面临比以往更大的挑战，企业只有在最短的时间内设计开发出符合用户需求的高质量的饲料机械产品,才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。目前在国际上最有影响的CAD软件中二维软件以AUTOCAD应用最为广泛,三维软件则首推Pro/Engineer。三维设计软件Pro/Engineer具有了二维CAD设计软件具有的所有功能。在Pro/Engineer中提出了单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用等概念。Pro/Engineer软件利用此概念能将产品从设计至生产的过程集成在一起，让所有用户同时进行同一产品的设计工作，即所谓的并行过程。Pro/Engineer目前共有80多个模块，涉及机械设计、功能仿真、加工制造等方面，为用户提供全套解决方案。如图1所示。

图1 机械设计流程图

2 Pro/Engineer软件系统主要功能介绍

Pro/Engineer是美国PTC公司研制和开发的软件，它开创了三维CAD/CAM参数化的先河。该软件具有基于特征、全参数、全相关和单一数据库特点，它的内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的输出、数控加工编程。

Pro/Engineer软件系统提供了丰富而实用的实体造型和装配功能,通过可视化的三维设计,保证了产品设计合理性、高效性。设计人员在较短时间内,将设计思维在计算机中以立体造型的形式转化出来,从而使设计人员能将注意力始终集中于创造性的设计活动中,提高设计质量和设计效率。

Pro/Engineer软件系统将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。

Pro/Engineer软件的参数化设计可使CAD系统不仅具有交互式绘图功能,还具有自动绘图的功能。Pro/Engineer软件使用单一数据库设计，设计人员在设计过程任何时候所做的任何修改,都会自动调整到整个设计过程中,如零件图中有改动其装配图也会自动发生更改，做到了所谓全相关,这对设计复杂的装备尤为重要。

Pro/Engineer还具有主要的Mechanism、Mechanica两个分析模块。前者用于机构分析，后者则是集运动、结构、热力学于一体的大型分析模块，能够进行静态、动态、疲劳、冲击等多种分析。

3 应用实例

螺旋混料输送机是农村饲养户、小型饲养场、中小型配合饲料厂进行饲料加工的主要设备,主要用于预混料、浓缩料、全价粉料混合加工等。其设计效果的好坏将直接影响到所生产饲料的产量和质量，也是饲料机械设计制造工艺水平的一项重要标志。螺旋混料输送机的设计,以往还都是二维图形设计,难以实现参数化、系列化,难以实现零部件和整机的设计，难以分析和反映各零部件形状及零部件与整机之间的装配关系。因此,笔者对螺旋混料输送轴零件及螺旋混料输送轴装配的三维实体模型，说明应用Pro/Engineer进行CAD/CAE/CAM的一般过程提出其设计思路和方法。其设计图形如图2所示。

图2 螺旋混料输送轴 三维图

4 零件模型的建立

4.1 零部件设计

（1）分析实体。首先须找出设计目标是由哪些特征组成的,哪个特征作为基本特征（即最先要建立的特征）,然后决定组成设计目标,各个特征被创建的顺序。特征被创建的顺序对建模效率有较大的影响。一般将孔、倒角等辅助特征放在最后处理。

（2）创建基本特征：①草图绘制。用于绘制特征二维轮廓的平面成为草图平面。可用Line、Circle等2D命令绘制草图轮廓线。②对草图施加约束。约束类型一般有几何约束和尺寸约束:几何约束保证图形的几何形状;尺寸约束可以调整零件的大小。草图的约束总数＝尺寸约束个数+几何约束个数。应该多用几何约束,如共线、共心、相切、垂直等。③创建基本特征。Pro/Engineer提供的拉伸、旋转、扫描、放样等方法将施加了全约束的草图生成一个三维实体,即零件的基本特征。

（3）填加新特征。填加新特征的步骤与基本特征的创建类似,但有以下区别:如果所要创建的新特征不是孔、倒角、倒圆和阵列,则需要定义新特征草图平面,因为草图平面就是一个暂时的二维工作坐标面,没有考虑零件在整机中与其它零件、部件之间的约束。所以只有考虑了这些因素后,才能进行零件的草图绘制工作。

总之，零件的生成是通过平面上草图的绘制，再有特征生成初始三维形体，之后在形体上重复以上步骤，逐步深化形成目标形状。总的来说是尺寸驱动特征的重叠。

4.2 零件的装配设计

在完成零件建模后,利用装配模块进行装配。

虚拟装配就是利用零部件的链接关系建立装配.Pro/E的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。在自下而上的设计模式中，先在零件模块中构造各个零件的三维模型或者调用原先做好的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的链接关系，它是通过配对条件在零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配引用，而不是复制到装配中，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联性，如果修改某些零部件，则引用它的装配件自动更新，反应零部件的最新变化。

进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。在Pro/E中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐、坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。Pro/E是基于特征的建模方式创建零件的三维模型的，每创建的一个特征都是以一个虚体特征为参考的，这些虚体特征在实体造型及装配方面十分有用，是起辅助作用的。如作为草绘面控制模型中特征之间的夹角、回转轴等，在Pro/E 中把这些虚体特征称 Datum(如 Plane、Axes、point等)。 在虚拟装配时，如果每个零部件都采用世界坐标系进行装配，势必牵涉大量的计算，由于计算的误差，还将导致装配失败，因此，借助Pro/E提供的虚体特征，可以使装配过程大大简化。

所以，图3就是用Pro/E构建的螺旋混料输送机一组上述建模过程中所作的零件或子装配体，如：螺旋混料输送轴、叶片、端盖、轴套、轴承等零件的三维模型和子装配体按需要添加装配约束装配到总装配体中。我们知道产品的设计方法一般分为两种： 自底向上（Down-Top） 和自顶向下（Top-Down）。自底向上是从零件开始，然后到子装配、总装配、整体外观的设计过程；自顶向下是与自底向上相反，它是从整体外观（或总装配）开始，然后到子装配、零件的设计方式。在螺旋混料输送机的设计中我们将这两种方法同时进行，这样可使设计周期大大缩短。

图3 螺旋混料输送机的三维装配图

4.3 利用Mechanism和Mechanica模块进行分析

在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,再利用优化系统进行优化处理。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化优势条件下以及可进行交互式探索虚拟物体的功能,对产品进行材料、几何尺寸、功能、制造等诸多方面进行交互式的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。其过程为：①定义材料；②定义运动副；③给出初始条件；④进行静态和动态分析；⑤根据优化结果改进设计。通过静态和动态分析,可以检查机构在运动中是否会产生干涉,干涉量有多少,以及各参考点的速度、加速度和受力大小,以便进一步改变设计参数,优化设计结果。通过对螺旋混料输送机进行仿真运动、模拟动态分析,基本上搞清了输送轴、螺旋叶片、轴承、箱体等各部位的受力状况及强度要求。通过优化处理，我们更改了输送轴、轴承和箱体设计方案,加厚了箱体的加强筋。

5 结语

文章简要说明了使用Pro/Engineer软件进行螺旋混料输送机设计的步骤、方法以及数控加工,其它饲料机械产品的设计和加工过程也基本类似。从以上螺旋混料输送机的设计过程叙述中可以看出，整个设计过程实现了CAD/CAE/CAM过程。即实现了产品从设计到制造的集成过程,提高了设计效率和质量、降低了成本、缩短了产品设计和开发周期。因此，可以使饲料机械产品能够更快地适应迅速变化的市场需求，提高产品的竞争力，即以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本、最优的服务来满足市场的需求。