楊 卓，張 凱

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450009）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高以及在飼料機(jī)械市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈。飼料機(jī)械制造企業(yè)面臨比以往更大的挑戰(zhàn)，企業(yè)只有在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)開發(fā)出符合用戶需求的高質(zhì)量的飼料機(jī)械產(chǎn)品,才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。目前在國(guó)際上最有影響的CAD軟件中二維軟件以AUTOCAD應(yīng)用最為廣泛,三維軟件則首推Pro/Engineer。三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer具有了二維CAD設(shè)計(jì)軟件具有的所有功能。在Pro/Engineer中提出了單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用等概念。Pro/Engineer軟件利用此概念能將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的過程集成在一起，讓所有用戶同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，即所謂的并行過程。Pro/Engineer目前共有80多個(gè)模塊，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、功能仿真、加工制造等方面，為用戶提供全套解決方案。如圖1所示。

圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)流程圖

2 Pro/Engineer軟件系統(tǒng)主要功能介紹

Pro/Engineer是美國(guó)PTC公司研制和開發(fā)的軟件，它開創(chuàng)了三維CAD/CAM參數(shù)化的先河。該軟件具有基于特征、全參數(shù)、全相關(guān)和單一數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)，它的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的輸出、數(shù)控加工編程。

Pro/Engineer軟件系統(tǒng)提供了豐富而實(shí)用的實(shí)體造型和裝配功能,通過可視化的三維設(shè)計(jì),保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性、高效性。設(shè)計(jì)人員在較短時(shí)間內(nèi),將設(shè)計(jì)思維在計(jì)算機(jī)中以立體造型的形式轉(zhuǎn)化出來,從而使設(shè)計(jì)人員能將注意力始終集中于創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)活動(dòng)中,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

Pro/Engineer軟件系統(tǒng)將形狀和尺寸結(jié)合起來考慮，通過尺寸約束實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。

Pro/Engineer軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)可使CAD系統(tǒng)不僅具有交互式繪圖功能,還具有自動(dòng)繪圖的功能。Pro/Engineer軟件使用單一數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程任何時(shí)候所做的任何修改,都會(huì)自動(dòng)調(diào)整到整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,如零件圖中有改動(dòng)其裝配圖也會(huì)自動(dòng)發(fā)生更改，做到了所謂全相關(guān),這對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜的裝備尤為重要。

Pro/Engineer還具有主要的Mechanism、Mechanica兩個(gè)分析模塊。前者用于機(jī)構(gòu)分析，后者則是集運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)于一體的大型分析模塊，能夠進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、疲勞、沖擊等多種分析。

3 應(yīng)用實(shí)例

螺旋混料輸送機(jī)是農(nóng)村飼養(yǎng)戶、小型飼養(yǎng)場(chǎng)、中小型配合飼料廠進(jìn)行飼料加工的主要設(shè)備,主要用于預(yù)混料、濃縮料、全價(jià)粉料混合加工等。其設(shè)計(jì)效果的好壞將直接影響到所生產(chǎn)飼料的產(chǎn)量和質(zhì)量，也是飼料機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝水平的一項(xiàng)重要標(biāo)志。螺旋混料輸送機(jī)的設(shè)計(jì),以往還都是二維圖形設(shè)計(jì),難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、系列化,難以實(shí)現(xiàn)零部件和整機(jī)的設(shè)計(jì)，難以分析和反映各零部件形狀及零部件與整機(jī)之間的裝配關(guān)系。因此,筆者對(duì)螺旋混料輸送軸零件及螺旋混料輸送軸裝配的三維實(shí)體模型，說明應(yīng)用Pro/Engineer進(jìn)行CAD/CAE/CAM的一般過程提出其設(shè)計(jì)思路和方法。其設(shè)計(jì)圖形如圖2所示。

圖2 螺旋混料輸送軸 三維圖

4 零件模型的建立

4.1 零部件設(shè)計(jì)

（1）分析實(shí)體。首先須找出設(shè)計(jì)目標(biāo)是由哪些特征組成的,哪個(gè)特征作為基本特征（即最先要建立的特征）,然后決定組成設(shè)計(jì)目標(biāo),各個(gè)特征被創(chuàng)建的順序。特征被創(chuàng)建的順序?qū)Ｐ视休^大的影響。一般將孔、倒角等輔助特征放在最后處理。

（2）創(chuàng)建基本特征：①草圖繪制。用于繪制特征二維輪廓的平面成為草圖平面?？捎肔ine、Circle等2D命令繪制草圖輪廓線。②對(duì)草圖施加約束。約束類型一般有幾何約束和尺寸約束:幾何約束保證圖形的幾何形狀;尺寸約束可以調(diào)整零件的大小。草圖的約束總數(shù)＝尺寸約束個(gè)數(shù)+幾何約束個(gè)數(shù)。應(yīng)該多用幾何約束,如共線、共心、相切、垂直等。③創(chuàng)建基本特征。Pro/Engineer提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等方法將施加了全約束的草圖生成一個(gè)三維實(shí)體,即零件的基本特征。

（3）填加新特征。填加新特征的步驟與基本特征的創(chuàng)建類似,但有以下區(qū)別:如果所要?jiǎng)?chuàng)建的新特征不是孔、倒角、倒圓和陣列,則需要定義新特征草圖平面,因?yàn)椴輬D平面就是一個(gè)暫時(shí)的二維工作坐標(biāo)面,沒有考慮零件在整機(jī)中與其它零件、部件之間的約束。所以只有考慮了這些因素后,才能進(jìn)行零件的草圖繪制工作。

總之，零件的生成是通過平面上草圖的繪制，再有特征生成初始三維形體，之后在形體上重復(fù)以上步驟，逐步深化形成目標(biāo)形狀?？偟膩碚f是尺寸驅(qū)動(dòng)特征的重疊。

4.2 零件的裝配設(shè)計(jì)

在完成零件建模后,利用裝配模塊進(jìn)行裝配。

虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝配.Pro/E的裝配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的產(chǎn)品開發(fā)方法。在自下而上的設(shè)計(jì)模式中，先在零件模塊中構(gòu)造各個(gè)零件的三維模型或者調(diào)用原先做好的三維模型，然后在裝配模塊中建立零部件之間的鏈接關(guān)系，它是通過配對(duì)條件在零部件之間建立約束關(guān)系來確定零部件在產(chǎn)品中的位置。在虛擬裝配中，零部件的幾何體是被裝配引用，而不是復(fù)制到裝配中，不管如何編輯零部件和在何處編輯零部件，整個(gè)裝配部件保持關(guān)聯(lián)性，如果修改某些零部件，則引用它的裝配件自動(dòng)更新，反應(yīng)零部件的最新變化。

進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。在Pro/E中建立裝配關(guān)系是用貼合、平面和基準(zhǔn)面對(duì)齊、坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起。Pro/E是基于特征的建模方式創(chuàng)建零件的三維模型的，每創(chuàng)建的一個(gè)特征都是以一個(gè)虛體特征為參考的，這些虛體特征在實(shí)體造型及裝配方面十分有用，是起輔助作用的。如作為草繪面控制模型中特征之間的夾角、回轉(zhuǎn)軸等，在Pro/E 中把這些虛體特征稱 Datum(如 Plane、Axes、point等)。 在虛擬裝配時(shí)，如果每個(gè)零部件都采用世界坐標(biāo)系進(jìn)行裝配，勢(shì)必牽涉大量的計(jì)算，由于計(jì)算的誤差，還將導(dǎo)致裝配失敗，因此，借助Pro/E提供的虛體特征，可以使裝配過程大大簡(jiǎn)化。

所以，圖3就是用Pro/E構(gòu)建的螺旋混料輸送機(jī)一組上述建模過程中所作的零件或子裝配體，如：螺旋混料輸送軸、葉片、端蓋、軸套、軸承等零件的三維模型和子裝配體按需要添加裝配約束裝配到總裝配體中。我們知道產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法一般分為兩種： 自底向上（Down-Top） 和自頂向下（Top-Down）。自底向上是從零件開始，然后到子裝配、總裝配、整體外觀的設(shè)計(jì)過程；自頂向下是與自底向上相反，它是從整體外觀（或總裝配）開始，然后到子裝配、零件的設(shè)計(jì)方式。在螺旋混料輸送機(jī)的設(shè)計(jì)中我們將這兩種方法同時(shí)進(jìn)行，這樣可使設(shè)計(jì)周期大大縮短。

圖3 螺旋混料輸送機(jī)的三維裝配圖

4.3 利用Mechanism和Mechanica模塊進(jìn)行分析

在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性,再利用優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理。虛擬樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化優(yōu)勢(shì)條件下以及可進(jìn)行交互式探索虛擬物體的功能,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行材料、幾何尺寸、功能、制造等諸多方面進(jìn)行交互式的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)方法。其過程為：①定義材料；②定義運(yùn)動(dòng)副；③給出初始條件；④進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析；⑤根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析,可以檢查機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中是否會(huì)產(chǎn)生干涉,干涉量有多少,以及各參考點(diǎn)的速度、加速度和受力大小,以便進(jìn)一步改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。通過對(duì)螺旋混料輸送機(jī)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)、模擬動(dòng)態(tài)分析,基本上搞清了輸送軸、螺旋葉片、軸承、箱體等各部位的受力狀況及強(qiáng)度要求。通過優(yōu)化處理，我們更改了輸送軸、軸承和箱體設(shè)計(jì)方案,加厚了箱體的加強(qiáng)筋。

5 結(jié)語

文章簡(jiǎn)要說明了使用Pro/Engineer軟件進(jìn)行螺旋混料輸送機(jī)設(shè)計(jì)的步驟、方法以及數(shù)控加工,其它飼料機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工過程也基本類似。從以上螺旋混料輸送機(jī)的設(shè)計(jì)過程敘述中可以看出，整個(gè)設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM過程。即實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的集成過程,提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量、降低了成本、縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)周期。因此，可以使飼料機(jī)械產(chǎn)品能夠更快地適應(yīng)迅速變化的市場(chǎng)需求，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，即以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本、最優(yōu)的服務(wù)來滿足市場(chǎng)的需求。