基于proe的自顶向下设计的研究-毕业设计

本科毕业设计论文题目基于PRO/E的自顶而下设计研究学院机电工程学院专业机械设计制造及自动化学生姓名导师姓名摘要随着CAD/CAM/CAE一体化的三维软件的飞速发展，PRO/ENGINEER成为现代机械设计三维建模的一种重要工具，作为PRO/ENGINEER中的传统设计方法，自底向上的设计方法显然满足不了人们对于三维设计由简至繁的要求，自顶向下设计逐渐有了新的应用领域。本文以PRO/E软件为平台，分析了自顶向下设计与自底向上设计方法的区别。详细的介绍自顶向下的主要设计方法骨架模型和布局。介绍了骨架模型和布局的概念和特点以及创建方法。通过概念设计、骨架模型设计、产品的布局设计、零件和子组件设计的流程完成模型设计。通过在PRO/E的环境下,以顶层骨架模型为纽带，采用自顶向下的设计方法设计直齿轮二级圆柱减速器的实例来加以论述。事实证明，基于PRO/E的自顶向下设计方法符合设计者的主观感受，支持协同设计和并行工程，能提高设计的效率，缩短设计周期。关键词PRO/E顶层骨架模型布局自顶向下减速器ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFCAD/CAM/CAEINTEGRATIONOF3DSOFTWARE,PRO/EINCREASINGLYBECOMEAKINDIMPORTANTMETHODOFMODERNMECHANICALDESIGNOF3DMODELING,ANDASATRADITIONALDESIGNMETHODOFTHEDESIGNMETHODANDOBVIOUSLY,DOWNTOPDESIGNCANTSATISFYTHEPEOPLEFORREQUIREMENTSOFJANETONUMEROUS,TOPDOWNDESIGNTOPDOWNGRADUALLYANEWAPPLICATIONFIELDTHISPAPERFIRSTINTRODUCEDTHECONCEPTANDTHEDEVELOPMENTOFTHEPRO/ESOFTWARE,ANALYZESTHEDIFFERENCEBETWEENTHETOPDOWNDESIGNANDTHEDESIGNMETHODOFTHEBOTTOMUPDETAILEDINTRODUCESTHETOPDOWNMAINDESIGNMETHOD,NAMELYTHESKELETONMODELANDLAYOUTINTRODUCESTHECONCEPTANDCHARACTERISTICSOFTHEMANDCREATEMETHODANDTHROUGHTHECONCEPTDESIGN,SKELETONMODELDESIGN,PRODUCTDESIGN,PARTSANDTHELAYOUTOFTHECHILDCOMPONENTDESIGNPROCESSFINISHSTRAIGHTGEARREDUCERDESIGNTHEMODELTHROUGHPRO/EINTHEENVIRONMENT,TOTOPSKELETONMODELASTHELINK,USINGTHETOPDOWNDESIGNMETHODTODESIGNACYLINDRICALGEARREDUCERGEARLEVEL2STRAIGHTTHEEXAMPLESOFTHEDISCUSSEDFACTSPROVE,PRO/EBASEDONTHETOPDOWNDESIGNMETHODCONFORMTOTHEDESIGNERSSUBJECTIVEFEELING,SUPPORTSCOOPERATIVEDESIGNANDCONCURRENTENGINEERING,CANIMPROVETHEDESIGNEFFICIENCY,SHORTENTHEDESIGNCYCLEKEYWORDSPRO/ETOPSKELETONMODELLAYOUTTOPDOWNGEARBOX目录第一章绪论111PRO/ENGINEER软件概述112基于PRO/E的自顶向下设计1121概念2122主要的设计原理与优点2123设计步骤313自顶向下设计的研究现状与方向4131研究现状4132研究的发展方向514本文的研究内容与设计框架流程6第二章自顶向下组件设计的方法1121自顶向下组件设计概念简述1122骨架模型13221骨架模型的建立方法13221第一种骨架类型13222第二种骨架类型15223第三种骨架类型16225骨架模型的优点1823布局18231关于布局192322D草绘工具20233声明元件与布局的链接21234自动组合22第三章二级圆柱减速器自顶向下建模2431二级减速器的设计方案2432减速器建模步骤26321骨架的建立26322下箱体的建立27323轴的建立28324齿轮模型的建立28325轴承的建立29326上箱体的建立30327设计其他零件和特征30328布局的建立与紧固件的自动装配31329更改骨架参数实验是否能成功再生333210对失效零件进行修改3833减速器建模实例总结38第四章总结与展望3941本文总结3942进一步的工作40致谢41参考文献43第一章绪论11PRO/ENGINEER软件概述PRO/ENGINEER是美国的参数技术公司PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，PTC公司公司的产品，在1988年被发布。20多年来，经历20多次的改版，已经成为了中国地区乃至世界范围内最普及的3DCAD/CAM系统的标准软件，能够广泛应用于机械、电子、工业设计、模具、汽车、家电、航空航天、玩具等行业。功能应用包括实体与曲面设计、零件组装、二维绘图制作、模具设计、同步工程、逆向工程等。目前PRO/E最高版本为PRO/ENGINEERWILDFIRE50野火50。但在目前的市场应用中，不同的公司还在使用着从PROE2001到WILDFIRE50的各种版本，其中WILDFIRE30和WILDFIRE40是目前的主流应用版本。PRO/E还提供了高度集成和全面的产品开发环境，它是一套包含了由设计至生产整个过程的机械自动化软件，是一个集参数化、基于特征于一身的实体造型系统，是一套成熟的产品造型设计系统，并且其是具有单一的数据库功能的综合性MCAD软件。PRO/ENGINEER已经成为世界范围内三维建模软件的领头羊，特别是在国内产品设计领域占据重要位置1。12基于PRO/E的自顶向下设计基于PRO/E的自顶向下设计，首先从概念设计阶段入手，首先应该进行功能分解，即通过设计计算将总组件分解成一系列的第一级子组件，确定每个子组件参数，其次进行结构设计，即根据总的组件及各个子组件的要求，设计出总体组件结构装配及确定各子组件子装配体之间的位置关系、连接关系、配合关系。位置关系、连接关系、配合关系及其它参数通过几何约束或参数约束等来确定。然而产品的实际的设计过程是一个既有创造性又比较复杂的过程2。它可以分为产品功能设计、产品概念设计、产品详细设计以及设计的分析等阶段，又称为自顶向下设计过程，在设计中首先从整体与全局的设计入手，然后在总体结构设计方案的约束下对各个子组件和零件进行详细的设计，自顶向下设计是一种逐步求精的设计的过程和方法。对将要完成的设计进行分解，首先对最高层次中的目标问题进行定义、设计，将其中未能解决的问题作为一个子任务放到下一层中去解决。像这样一层一层、逐一地定义、设计、绘制和检测，直到任意层次上的问题均得到解决，就能设计出来有层次有结构的组件造型。进行自顶向下的设计方法时,设计师先对所设计的组件要有一个全面深刻的理解。然后从顶端层次开始,连续地，逐层地向下分解,直到系统的所有模块都小到便于设计为止3。121概念基于PRO/E的自顶向下设计是利用三维造型软件PRO/ENGINEER的组件设计方法，在实际的设计案例中，处理对象往往不会局限于单一零件，而是数个具有组合关系的零件。因此，再设计产品时往往需要规划出产品的初步整体结构，然后再进一步设计其中的原件，而比较少会遇到零件已经设计好了，但是整个产品结构却还未规划好的情况。例如在素描学生在绘制作品时会先勾勒出图像的外形轮廓，再绘制图像细节。由此可以实现由上至下、由简至繁的设计。122主要的设计原理与优点产品的设计过程是一个产品信息从抽象到具体、逐步细化、反复迭代的复杂过程,它包括从产品需求到产品功能的映射、从产品功能到几何结构的映射,是一种自顶向下TOPDOWN的设计过程4。首先从概念设计阶段入手，应进行功能分解，即通过设计计算将组件分解成一系列的第一级子组件，确定每个子组件参数，其次进行零件设计，即根据总的组件及各个子组件的要求，设计出总体组件装配及确定各子组件子装配体以及零件之间的位置关系、连接关系、配合关系。位置关系、连接关系、配合关系及其它参数通过几何约束或参数约束等来确定。基于PRO/E的自顶向下设计有下列优点1首先符合产品的实际设计过程和设计人员的思维结构。在设计产品时，先要考虑的是产品所应该实现的功能。然后才考虑实现这些功能的几何结构，因此产品的设计过程是一个由抽象到具体的渐进过程，需要由浅入深的设计。2便于实现多个子组件的协同设计，实现其并行设计。在此产品设计的初级阶段，即概念设计的阶段，要将产品的功能、关键约束、配合关系等重要信息先确定下来，在进行任务的分配时，这些关键约束也同时分配给各子组件，只有如此，各子组件和零件才能很好地相互配合，避免发生约束的冲突。3可以将已经画好的零件或子组件的关键约束传递到后续的子组件和零件的设计阶段，在后续设计中就可根据前期设计的约束要求进行参照，从而实现更改骨架就能再生整体产品结构的自顶向下设计。123设计步骤（1）产品的方案设计在产品设计初期，使用PRO/E中的布局功能，用简单的2D草绘工具进行绘制草绘图，来描述零件和子组件之间的位置和装配关系，用来明确设计的意图。在布局中能定义关键的设计参数，并且为这些相关参数建立关系式，然后将这些参数与零件中的尺寸相互关联，便可以利用布局用控制子组件和零件的相关尺寸。使用者可根据整体布局图来进行详细的零件设计（2）设计产品的结构设计产品的结构可以帮助设计者组织规划总的装配设计，方便管理和分配任务到项目组成员，有利于并行设计和设计者之问的更好的沟通。PROE可以创建不含任何零件的子组件以及不含任何几何特征的空零件，而己经存在的子装配或零件也可以添加到产品的结构中去。（3）三维骨架模型三维骨架模型是产品设计的总规划，用来帮助处理大型的组件工具。面向三维设计的“顶层基本骨架”TOPBASICSKELETON，TBS概念5。用以支持在三维设计环境下设计信息的动态传递6。动态传递是指设计信息不仅能够自顶向下传递，且能够自下而上的传递；不仅能够纵向传递，而且能够横向传递；还能够实现对设计信息的共享、控制和信息变更的传递它既可以用来分析产品的设计造型、规划基本的空间设计需求、决定重要的约束，也可指定出产品中各零、组件的位置与空间关系，既可以直接用于零件装配，也可以直接在骨架结构上绘制零件与子组件。此外，通过修改三维骨架模型还可以驱动零件的相关运动，检测零件间是否存在过度约束。（4）传递设计信息最顶层的设计相关信息，比如重要的空间位置和装配位置需求，可以通过布局中的声明将此信息传递到子装配或子组件和零件中去。这样每个子组件都包含与该子组件的相关位置空间信息，使得每个子组件的独立设计团队可以相对独立的进行相关设计工作。子组件的信息也可以通过复制几何特征功能将自身的信息传递到下一级的子骨架或零件中，或利用零件与零件之间建立父子关系，相互约束，最后一级一级的传递其设计信息（5）零件或子组件的详细设计在后部分的设计中，可以直接在组件环境下进行零件设计，设计时可以运用参照方法建立与组件体的父子关系，以确定必要的外部参照关系。也可以在组件中修改已经存在的零件，只需要激活该零件即可，设计时可以利用复制、阵列等特征操作进行零组件的复制，或以合并及切除来设计配合组件，比如螺钉的顶部就需要用到合并实体化和复制来完成。（6）设计的更改当完成整个组件的设计后，PROE即可依据骨架模型图的规划上进行变更；若设计变更涉及多个零件的相对位置或整个组件的骨架模型时，就可在骨架模型上进行必要的修改。当骨架或者布局变动后，则组件也会自动再生，这种由骨架模型和布局驱动产品自动装配及更新的功能能使产品设计者着眼于整体产品结构的规划与更改，而不仅仅是单一的零件的设计与零件之间简单的装配关系7。13自顶向下设计的研究现状与方向131研究现状自顶向下设计所涉及技术的研究,包括自顶向下设计系统、装配模型的表达、模型建立、模型分析,以及装配顺序规划等方面。自顶向下设计系统研究现状自顶向下设计系统设计的主要研究者及现状见表11。说明如下1交互式设计系统WAYT,是由自顶向下（TOPDOWN）的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大学的MMANTYLA提出的,并在1990年在IBM研发中心研制了一套原型系统。主要由功能的设计、几何结构的选择和约束的求解三部分组成。2基于功能理解的设计系统DELTA,是JINKANGGUI等在WAYT基础上,于1993年开发的一套原型系统。该系统改进了产品模型的表达方法,增强了产品功能模型的建模方法,将装配模型分为功能视图和结构视图两部分。增加了专家系统推理功能。3功能与特征集成的产品建模系统GNOSIS,由英国、芬兰、日本、美国等多所大学合作,于1996年研制的智能制造系统IMS的一部分,由功能设计系统SYSFUND和子结构设计系统MCOES两部分构成。4基于面向对象表达的TOPDOWN设计系统CONGEN,是由美国国家标准与技术委员会NIST组织,SRGORTI等人提出的,1998年实现了一个原型系统,主要实现产品的概念设计,并对产品的功能、结构、行为进行统一建模。5PTC公司的PRO/TOPDOWN设计系统,先通过PRO/LAYOUT模块在二维环境下定义产品的装配约束,并将这些约束传递到产品三维装配设计及分析中,是一个实用的产品。表11自顶向下设计的研究现状序号系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员1WAYT关系手动交互式最早的原型系统MMANTYLA82WAYT层次模型专家系统，CBR侧重功能的理解JINKANGGUI93WAYT层次模型专家系统实现抽象结构表达MERVIRANTA104WAYT面向对象模型专家系统侧重产品的建模SREENIVASARGORTI115PRO/TOPDOWN层次模型手动交互式侧重约束传递PTC12132研究的发展方向产品自顶向下设计已经取得了一定的成果,笔者认为还需要在下列方面作进一步的研究1研究产品装配模型的表达方法,建立具有从概念模型到参数化模型再到详细模型演化能力,支持产品TOPDOWN设计,能在并行设计中使CAD、CAPP、CAM进行信息交换的装配模型。2分析产品概念模型中的语义信息与参数化模型中的结构信息间的对应关系,找出一种实现概念模型到参数化模型演化的有效推理方法,实现功能到结构的转换。3分析零件的结构与装配特点,建立产品零件装配特征分类编码表,并找出多个特征同时参与匹配时,求解产品零件装配位置的解析方法。4分析工程约束、尺寸约束在参数化结构模型转化到详细模型过程中的作用,建立工程约束转化成尺寸约束的方法,以及在模型修改优化时保持参数化装配模型尺寸一致性的方法,为参数化装配模型到详细模型的演化提供约束保证。5研究模型中零件的力传递和位置,限定功能在装配顺序规划中的作用,建立一个基于零件功能的装配顺序规划方法,并与已有的装配规划方法相结合,以达到较好的效果13。14本文的研究内容与设计框架流程产品功能要求建立模型设计方案建立零件和子组件的设计方案建立装配设计模型（骨架和布局）建立零件和子组件的详细设计方案设计方案分析产生设计方案修改零件和子组件的设计方案修改模型设计方案修改装配关系模型修改零件和子组件的详细设计方案图11设计流程产品设计是一个从无到有的过程，都是要先进行概念设计，然后再设计装配结构和零部件。概念设计的过程是创造性思维过程，设计的是产品实现其功能的原理和方法。在实际应用中，将概念设计中的设计思想完整正确地传达到每个零件当中，使这些零件最终装配起来能够实现概念设计预期的目标，一直是设计人员竭力追求的。本文根据自顶向下的设计流程见图11，通过利用PRO/E这个平台对二级圆柱式减速器进行3D模型的建立，来研究自顶向下设计在复杂组件中的应用的优点。首先给减速器方案和结构的一个整体的模型设计方案见图12，设计装配结构和零部件的布局排列，设计产品的功能。将概念设计中的设计思想正确地传达到每个零件中，使这些零件装配在一起能够实现概念设计预期的目标，其介绍二级圆柱齿轮减速器的传动布置。减速器本体内的传动零件由低速级和高速级2对齿轮组成,其中高速级为直齿轮传动,低速级采用直齿轮传动这里,齿轮的端面齿形选为最常用渐开线曲线,其模型设计的大致顺序应为1上下箱体的造型设计2传动件设计（3）轴、键和轴承组合零部件的设计4螺母、螺钉、螺塞与油标等其他附件设计。其中箱体、传动件和轴、键、轴承、均可以通过设计好的骨架模型直接在骨架上绘制其零件或者子组件。而对于螺母、螺钉一类装配量大的零件，则选用布局设计来实现自动装配。能初步实现对二级圆柱减速器的自顶向下设计。图12二级圆柱减速器的设计方案图13骨架模型图然后介绍了该3D模型的骨架结构见图13，设计好每个零件在空间中的静止位置。骨架模型是一个独立的PRT文件，他是在零件新建命令中的骨架模型命令新建的，骨架模型中不存在实体造型，只有基准平面、基准点、基准坐标、基准轴以及草绘等。例如其中确定齿轮齿形的基圆、分度圆、齿顶圆、齿根圆和齿形的卡笛尔方程曲线。图14骨架模型如图14所示，其中矩形框架代表了上箱体与下箱体相交的面，可以控制下箱体的长度与宽度，而上箱体可以根据左侧的两个圆与和两个圆相切的直线参照绘制出上箱体侧边的轮廓，而其中A1、A2、A4代表了减速器中的轴的中心轴，中间的将绘制2个面来控制四个齿轮的参照平面DTM7与DTM3见图14，再根据其中草绘出的曲线，通过拉伸、阵列等特征绘制出齿轮。设计好结构图后，可以利用结构将每个零件装配或者直接在其上面绘制，以避免不必要的装配限制冲突。从而实现更改骨架即可使最后的3D图改变的效果，减少修改每个零件的装配或特征的时间。根据骨架模型和已画零件的参照依次对下箱体、上箱体、轴、齿轮、轴承、端盖进行绘制，初步建立了零件和子组件的详细设计见图15。图15没有上箱体和紧固件的方案图再根据画好的零件，建立父子关系，添加约束，绘制出螺栓、螺母、顶盖、以及油标等零件。由于螺母与螺栓绘制比较繁琐，本文使用了先建立单个实体零件，然后绘制布局图，通过布局图与螺钉、螺母、螺栓等紧固件的声明联系，并将油标，螺塞等附属零件利用布局自动装配进行自动装配，实现提高建模效率的目的。根据存在的问题，对设计方案中的布局与骨架进行修改，完成最后的零件与组件的详细设计方案。最后检查是否有未实现的特征并且添加，完成整个二级圆柱减速器的基于PRO/E的自顶向下设计。并根据设计的需要更改骨架模型和布局来实现整体模型的修改与再生。最后通过二级减速器设计实例，总结自顶向下设计对于整个三维产品造型设计的突出作用与优势以及对未来研究方向的总结与展望。第二章自顶向下组件设计的方法21自顶向下组件设计概念简述自顶向下设计有力而稳定地扩展了参数设计，使产品设计更为有效。自顶向下设计见使您可以在产品组件的环境中创建零件，并在创建新零件特征时参照现有几何。该设计方法不同于传统的自底向上设计方法，在自底向上设计方法中，各个元件是独立于组件进行设计的，然后再将这些元件组合到一起来开发顶级组件。产品定义在计算机中形成产品功能模型功能模型分析形成产品参数化结构模型产品分析形成产品详细几何模型修改零件模型修改调整功能模型产品定义在头脑中形成概念模型设计产品中CAD模型将零件装配成产品产品分析调整头脑中的概念模型更改每一个零件（A）B图21自顶向下与自底向上产品的设计是一个渐进的过程,一般经过概念设计、参数化设计和详细设计三个阶段。这种渐进的设计过程,称为自顶向下TOPDOWN设计,而当前的CAD系统还不能支持这种设计,只能支持先设计零件,然后将零件组装成产品的设计方式,即自底向上BOTTOMUP设计图21（B）。产品的自底向上设计与自顶向下设计过程如图21（A）所示。在实际的设计案例中，处理对象往往不会局限于单一零件，而是数个具有组合关系的零件，因此，在设计产品时往往需要先规划处产品的初步整体结构，然后再进一步设计其中的原件，而不较少会遇到零件已经设计好然而整个产品结构仍然未规划好的情况。PROENGINEER软件提供了一整套的自顶向下设计方案，通过定义顶层的设计意图并从产品结构的顶层向下将信息传递到有效的子装配体或零件中。自顶向下设计在工作方式上具有以下几个主要设计理念确定设计意图，规划、创建产品结构。产品的三维空间规划，通过产品的结构层次共享设计信息，装配中的零件设计。在进行产品的概念设计时，自顶向下设计技术是驾御和控制PROE软件相关性设计工具最好的方法。1顶层骨架模型TOPSKELETONMODE1一种在骨架上挂原件的组件设计概念。首先在布局中以基准曲线或者基准轴绘制骨架图，然后再将已完成的元件外挂到骨架上，或者直接顺着骨架外形绘制元件，如此一来，只要改变骨架的几何外型，整个组件也随之改变。骨架模型作为产品装配的三维空间规划，可以被用来描述元件的空间需求、重要的安装位置或运动，也可用来在子系统之问共享设计信息，并作为这些子系统之间一种参考控制手段。仅仅对总体布局进行设计，使设计更加明了，加强了组件之间设计数据的沟通，支持组件之间设计数据的共享和传递，容易确认、控制和观察设计全局，使设计数据的沟通无阻碍，设计出的产品更加柔性化。2布局LAYOUT一种先规划好组件结构再进行元件设计的组件设计概念。在布局中，记录着重要设计参数、元件初步外形与元件组合关系草图。通过创建布局与元件之间的关联，就可以经过修改布局来改变元件与组件的状态。它提供一个2D的草绘环境，让设计者在装配零件时，可以先针对零件装配的约束条件来做规划，将每个装配零件之间的关系与约束先定义出来，以帮助设计者在装配零件时可以不必为了每次加人一个新的零件时都要考虑约束条件，因为利用LAYOUT文件就可以将零件自动地装配起来。如果要修改零件，也只需修改所绘制的LAYOUT文件，就可以自动地将变更的地方加至装配文件中。3装配环境下的零件设计与编辑在进行产品装配的过程中，根据已设计计算好的零、部件和标准件的形状及尺寸，利用零件间的约束条件产生新的零件或对原有零件进行修改。而开始零件的修改只要在组件环境下激活该零件即可。22骨架模型利用一个顶层骨架模型辅助元件的组合或者结构，它只包换基准特征而不添加实体特征。221骨架模型的建立方法有在装配件中用新建骨架模型的方法创建骨架模型文件，系统才能把它自动识别为骨架模型。虽然可以像普通的零件那样，通过“文件”“新建”“零件”命令的方式创建PRT文件，然后把它当作骨架模型使用，但是系统不能自动地把它识别为骨架模型，而应当按照如下步骤创建（1）在装配模式下单击（新建元件）按钮，新建零件。（2）元件创建对话框中选择“骨架模型”，如图22。图22骨架的新建221第一种骨架类型这种类型的元件已经构建完成，只使用骨架模型控制元件的组合状态。此种方式如同肌肉依附在骨头上，将已完成的元件组合到骨架上，不仅可以简化组合的静态位置定义，往后只要更改骨架模型的外形就可以改变组合状态。但是骨架外形的修改只限于相对位置的变更（角度），并不能修改骨架的长度尺寸，因为元件的长度已经被其本身的尺寸限制住，无法随着骨架进行更新再生。因此，此技巧常用于连杆之类的组件中。简易操作步骤1先画好所有实体元件。2以零件架构骨架模型，但是只含有基准特征，并且长度与实体元件相符。新建一个“组件”文件。3以“将元件添加至组件”的方式加载已经绘制完成的骨架文件如图23。4以“增加元件至组件”的方式依序加载元件，并组合到骨架上（以骨架为参考对象）如图24。图23第一类骨架模型图24第一类骨架模型的装配222第二种骨架类型与第一种骨架类型的概念类似，但是有两点差异一是元件尚未创建二是元件的添加和元件的特征都是在组件模式下完成的。图25第二类骨架模型以图25为例该组件共有4个元件，第一个元件是骨架模型，后面3个是实体模型。ASM0004_SKELPRT骨架元件，包含一个曲线特征，他决定其他3个元件的形状与位置，该曲线由3条直线与一个圆组成。PRT0008PRT、PRT0009PRT、PRT0010PRT添加元件，各包含一个拉伸特征，特征的形状、位置与大小都是由骨架曲线控制的。其中PRT0008PRT与PRT0010PRT的特征都是参照一条直线，而PRT0009PRT则是同时参照一条直线与圆。在“组件”模块下创建元件的好处为方便与骨架模型进行参照，当骨架模型的大小、形状产生变化时,元件的外形也可以同步更新再生，这是一种骨架类型所无法实现的。以图26为例更改骨架曲线的大小时，元件的外形可以实时产生变化，这是第一种骨架模型所欠缺的。图26第二类骨架模型此种设计概念的操作步骤如下（所有的操作都是在组件模式下完成）（1）新建一个组件文件。（2）添加骨架文件。（3）创建估计模型的外形，通常骨架模型的外形都是由基准特征组成（曲线、点或轴）。（4）添加元件，并开始创建特征，特征的创建一样是参照骨架模型。为每一个元件建立特征时，必须先“激活”该特征，即指定该特征为工作处理目标。223第三种骨架类型在第二种骨架类型的概念中，元件特征的创建都是参照于骨架模型，所以在骨架与实体元件之间就会产生父子关系，让实体元件的设计完全由骨架模型而定。但是在之前的方法中，由于元件都是参照骨架模型，所以元件之间并没有父子关系。在产品设计的过程中，常常会遇到需要相互配合的零件。以往对于这种配合的零件组，都是先算好尺寸，再分别打开零件进行编辑，当需要更改设计时，就必须手动更新所有尺寸，这样做很不方便。对于大型的配合组件，先创建一个完善的骨架模型是比较适当的，而对于只有两三个元件的小型组件，创建一个骨架模型或许是一种多余的负担，不一定每个人都可以接受，因此第三种骨架类型就派上用场了，在创建元件特征时直接相互参照，不仅达到创建父子关系的目的，也省下创建骨架模型的步骤。以图26的模型为例，该组件只有两个元件（盒子与上盖），盒子与上盖是需要紧密配合的，此时就可以现在另加模式下构建盒子的外形，再加载到组件中，然后直接在组件模式下创建上盖，此时上盖的外观轮廓就可以直接参照盒子的内侧便捷，从而达到紧密配合的目的。图26第三类骨架模型224应用骨架模型时应该注意事项1）骨架文件的两个主要作用可以为产品装配建立装配基准，产品中重要的装配式依靠骨架模型装配的。为零部件设计建立形状基准，重要的外形在骨架模型中确定，零部件设计参考骨架模型完成。比如零件中需要参照的基准面，轴类部件旋转需要的中心轴线等等。完成了这些基准特征的创建，在后面的装配过程中，只要以骨架文件中的基准特征为参照，零件能快速得到相应的参照约束。2）骨架模型文件的默认名称为“ASM_NAME_SKEL0001”，其中ASM_NAME是装配件的名称，建议保留默认的名称，至少保留名称中的SKEL，以便区别骨架模型文件与其它PRT文件。3）只有采用上述方法建立的骨架模型文件才能被系统自动识别为骨架模型文件，具备骨架模型的所有属性和功能。4）骨架模型中只能增加参考点、线、面和坐标系，不能再在架中建立实体特征。225骨架模型的优点（1）集中提供设计数据骨架模型就是一种PRT文件。在这个PRT文件中，定义了一些非实体单元，例如参考面、轴线、点、坐标系、曲线和曲面等，勾画了产品的主要结构、形状和位置等，作为装配的参考和设计零部件的参考。（2）零部件位置自动变更零部件的装配是以骨架模型中基准作为参考的，因此零部件的位置会自动跟着骨架模型变化。（3）减少不必要的父子关系因为设计中药尽可能的参考骨架模型，不去参考其他的零部件，所以可以减少父子关系。（4）可以任意确定零部件的装配顺序零部件的装配是以骨架模型作为基准装配的，而不是依赖其它的零部件为装配基准的，因此可以方便的更改装配顺序。（5）改变参考控制通过设计信息集中在骨架模型中，零部件设计以骨架作为参考，可以减少对外部参考的依赖。23布局在设计产品时，通常会用笔在纸上涂鸦，希望使用一些简单的线条和符号来描绘产品的大概轮廓。而在PRO/E中实现这些操作的工具就是“布局”。布局和骨架模型都是一个组件的整体规划，通过对布局规划的修改，对于组件的结构装配也能起到修改的作用。和骨架不同的是，布局中的草绘工具仅仅提供一个非常简单的布局操作，而没有骨架中的详细约束与参数，只是对整体的产品有一个宏观的设计方向，因此也符合了快速构思，快速布局的设计思想。231关于布局布局和刚刚提到的涂鸦一样，都是用来进行产品的初步规划，但是功能更强，因为布局不仅可以提供产品的初步设计规划，对于往后产品的组合或者修改，都有相当便利的地方，所以布局的功能可以一直延伸到产品开发完成为止。布局的功能如下（1）使用绘图草绘工具描绘出产品的外形。（2D的非参数规划设计）（2）给描述的产品外形批注，使得设计概念更清晰。（3）在工程图中创建参数，借以控制各个零件的几何外形（尺寸）。（4）创建关系式，控制参数之间的关联性。（5）在布局中创建全域基准特征，让产品的各个零件按照布局的规划进行自动装配，而不需要手动组合，即一旦规划布局相当于完成了大半的装配。布局的新建（1）在PRO/E的环境下，点击新建，弹出对话框。（2）在对话框中选中新建“布局”，并命名即可如图27。图27布局的新建布局的工作界面布局是一个独立的模块，和绘图一样，在进入布局工作环境之前，会要求设置图纸大小，见图28。进入布局工作环境之后，可以发现其操作界面和“绘图”十分相似，左侧是2D工作区，右侧为草绘工具栏。图28布局的标准模板2322D草绘工具产品草绘所需要3组工具基本绘图工具。辅助表示工具、图纸设置工具。这些工具与绘图模块提供的一样。下面就介绍这几种布局中所用到的绘图工具。（1）基本绘图工具在不居中，创建的所有的产品几何外形是属于“2D草绘”而不是3D模型。因为只能使用绘图的2D草绘工具进行产品外形的创建。在2D草绘过程中，虽然有修剪与转换等辅助工具可以进行修改，但是并没有明显的尺寸修改以及再生等功能，因此无法创建出精准的产品外形。但是这个并没有关系，因为“简单并且快速”就是快速规划的原始要求，此时的目标是整体的规划，而不是产品的详细设计，所以只要将产品的大致轮廓表现出来即可。（2）辅助标示工具只使用草绘工具来创建产的外形规划是不够的，因为不够明了，借助一些辅助标示工具的帮助，可以让产品的草绘更容易了解。在此介绍三相辅助标示工具注释、球标、填充。注释创建文字注释，分为“无方向指引”与“方向指引”两种。无方向指引煮熟的使用方法选择“插入”“注释”命令，在菜单管理器里选择“无方向引导”“制作注释”选项，点选注释要放置的地方，输入注释的内容就可以显示注释。方向指引注释的使用方法选择“插入”“注释”命令，在菜单管理器里选择“方向引导”“制作注释”选项，点选方向指引要指向的对象，选择“完成”，点选注释要放置的地方，再输入注释内容，即可显示注释。球标为指定的对象创建数字型的注释，PRO/E会将注释内容显示在适当的角落。图标的使用方法选择“插入”“球标”命令，在菜单管理器里选择“方向指引”“制作注释”选项，点选球标方向指引要指向的对象，选择“完成”，点选球标要放置的地方，再输入注释内容，即可显示球标与注释。填充在封闭的区域内，加上泡面先或者填入实体颜色以方便识别3图纸设置工具和“绘图”模块一样，在“布局”里往往需要一次创建许多张图纸，来分别处理众多的对象，以达到清晰的视觉效果。常用的图纸操作命令都位于菜单栏里，操作如下添加图纸选择“插入”“页面”命令。删除图纸选择“编辑”“移除”“页面”命令。跳至某一张图纸选择“视图”“转到页面”，弹出“转至页面”对话框。改变图纸的顺序选择“编辑”“移动页面”，弹出“移动页面”对话框。233声明元件与布局的链接在布局中创建参数后，必须与组件的参数进行链接，使逐渐的参数与布局的参数产生相依的关系，因此只要更改布局的参数值就可以直接控制组件的参数值。声明链接的步骤如下（1）切换至组件的工作窗口。（2）指定要声明的布局（每个模型只需操作一次）选择“文件”“声明”命令，选择菜单管理器的“声明放置”见图210，菜单管理器就会出现新的菜单，里面包含工作目录下的布局名称，学则其中一个布局名称来进行声明。（3）利用关系来链接两者的参数选择“工具”“关系”命令，西安市关系设置对话框，添加关系式，格式如下元件的参数名称布局的参数名称图210布局的声明234自动组合全域基准特征包括全域基准平面、全域基准轴、全域基准点一级全域基准坐标系。他们通用于元件、组件与布局。布局就是利用痊愈基准特征“存在于不同模型的单一特征”的这个特点来进行零件的自动组合。使用布局进行自动组合的步骤为（1）在布局中创建全域基准特征。（2）在每个元件中也都创建该类型的基准类型。（3）经过“声明”，让布局与元件二者之间的基准特征产生相依关系。（4）打开组件文件进行组合，当元件读取进来时，会出现自动组合的选项，如图211，PRO/E会将元件里的全域基准特征自动对齐，而达到自动组合的目的。图211自动装配对话框虽然是自动组合，但是组合的基本前提还是要遵循，即“约束条件要刚刚好”，加入约束条件不足或不当，自动组合动作时无法完成度额，就算是使用手动组合也没有办法完成定义的元件位置。图212布局声明的更改当需要更改自动组合的布局关系时，只需要在声明布局后，对表如图212进行修改，在表中更改零件与布局的关系装配等式，那么修改完成后即能成功对零件进行自动装配14。第三章二级圆柱减速器自顶向下建模31二级减速器的设计方案在二级圆柱减速器的设计过程中首先根据相关的目标方案总体规划设计（包括确定减速器由直齿轮进行传动，选择电机，计算齿轮的传动比，计算各个轴的相关转速、转矩与功率），齿轮的相关的设计。在骨架模型中，确定减速器的大概结构，绘制装配图布局2D草图，进行轴与轴上的齿轮零件和轴承组合的结构设计，并且绘制出减速器的上、下箱体结构，绘制减速器的油标、螺塞、端盖等附件。即先通过上述给定的性能相关参数，设计出基本结构，然后画出布局2D草图或者骨架模型，根据骨架模型使用自顶向下的设计理念画零件或者子组件，并检验是否能根据骨架的改变成功再生，最终完成减速器的设计。在概念设计中就是按照这种步骤进行概念化的设计，将关键的结构和主要的参数添加入骨架模型和布局中，符合设计的相关规律。减速器的主要结构15体、轴系部件（包括传入轴，中轴，传出轴）、传动件齿轮、联轴器以及油标、螺塞等附件等子组件或零件组成，进行减速器的自顶向下设计的主要过程如下1分析、确定传动的方案，设计相关关键零件。关键零件是指影在产品的性能和结构总占有重要作用的零件，在二级圆柱减速器中，可以选择轴为其关键零件，因为轴是轴承、齿轮、定位套筒、联轴器、密封圈等零件的装配基础件，它与多个零件或子组件发生参照约束关系，同时又是受力情况最复杂的、需要进行强度设计和校核的所以必须进行重点控制，因此将轴确定为关键零件。2建立以重要零件的设计为主线的由简至繁的设计过程，确定轴为设计带开端，并行地完成其它主要传动零、部件的主要形状和尺寸的设计。主要有齿轮、轴承、联轴器等的主要尺寸和外形的分析计算。并将计算结果加入到骨架结构中去。3根据轴、齿轮、轴承和箱体问的静态空间位置和连接的关系，可以使用PROE的组件设计中的骨架模型包含了轴、滚动轴承和齿轮的计算结果。如图31所示为此二级圆柱齿轮减速器的骨架模型，其中，较为主要的基准有第1级齿轮齿形曲线草绘、第2级齿轮齿形曲线的草绘、第3级齿轮齿形曲线的草绘，轴线A1、轴线A2和轴线A4，尺寸约束主要有轴线A1与轴线A2之间的中心距，A1与A4之间的中心距，两齿轮端面之间的距离，齿轮端面距离箱体内壁之间的距离，以及箱体外壁到联轴器间的距离，箱壁之间的距离，轴承端面与箱体内壁的距离，以及传入轴和传出轴的外伸长度等，通过对二级圆柱减速器的计算工作才能确定相关参数进行设计。4根据产品的骨架模型，将主要的零件和子组件在其骨架模型上绘制。这些零件或者子组件主要是指轴、齿轮、轴承和箱体，它们之间的相互位关系是依据骨架模型和父子关系来确定的。5分析轴系零件的定位关系，如果发生齿切等现象，可以更改骨架模型中的轴与轴之间的距离来改变齿间距，或者改变齿轮齿形的草绘来直接控制齿轮样式。或者绘制出形成各种装配的孔，并利用装配参照约束关系来产生新的定位件。通过对骨架模型的修改，可以达到对原设计方案的微修改，实现设计的完备。6装配其它的零、部件，比如油标、螺栓、透视器等，并在箱体上产生相适应的特征。并使用布局参照，将螺栓螺母等紧固件自动装配到箱体上16。7检查是否有遗忘的特征，并将这些特征添加到模型中去。图31骨架模型的初步设计32减速器建模步骤321骨架的建立在PRO/E软件中，骨架模型是个独立零件，它只包含了整体组件所需要的平面、轴线、草绘等相关特征。而零件既可以先画好然后再装配到骨架上，也可以直接在骨架上绘制。所以只要把整体构思放到骨架上，我们只要顺着骨架模型，一步一步的设计总组件下的零件和子组件就行了。图32骨架模型的新建骨架的建立，首先在PRO/E环境下，新建组件设计，然后插入、创建、骨架模型（SKELETONMODEL），创建骨架名称如图32。根据要上箱体轮廓，三根轴，啮合的直齿轮的位置关系，以及箱体壁部的关系设计的草图如图33。其中骨架模型定义了上下箱体的接触面，以及表达箱体外壁的平面，在接触平面上有5根轴线，这5根轴线中的两侧的那2根控制着另外两个箱壁之间的距离，中间的3根轴线则控制着三根传动轴的位置，当改变这三根轴的位置关系，则能控制轴与轴之间的距离，乃至控制着传动件齿轮之间的中心距，而当中的4个草绘则表示控制二级圆柱减速器中直齿轮的齿形的齿根圆、齿顶圆、基圆、分度圆、以及笛卡尔曲线、当改变草绘，则能控制以后建立的零件，而当要对某个零件进行编辑时，只需要对零件名右键激活即可开始编辑。骨架模型是整个设计的顶层，是自顶向下组件设计中的建立的第一个PRT文件。图33骨架模型的详细设计322下箱体的建立根据骨架的基准平面DTM2，拉伸向下拉伸出一个实体特征。在对其四边进行倒角，再增加壳特征，上部打通，在箱体底部拉伸出地垫。再根据骨架模型的三根轴线分别旋转绘制出轴承放置处。最后拉筋，端盖打孔，完成附属特征的绘制。完成图如图34。图34下箱体的设计323轴的建立根据骨架模型中的A1、A2、A4三根轴线，以中间两个面和箱体外壁为参照，通过概念设计中的计算，确定轴的特征，完成图如图35。图35轴的设计324齿轮模型的建立图36齿轮的设计齿轮根据骨架中的草绘的齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆，使用笛卡尔方程绘制出曲线，使用镜像操作，在组件模型中选中齿轮零件，通过拉伸齿形并整列到设计方案中的齿数，通过参照轴的特征，拉伸出套筒大小。并且到后期参照键的高度剪切出契合处。完成模型如图36。325轴承的建立根据减速器任务书的要求，选用了深沟球轴承见图37图37轴承，参照轴上轴承的外侧和下箱体的外箱壁，绘制出深沟球轴承，新建新组建，将轴承分为三部分设计，外圈和内圈、钢球和保持架。所以根据下箱体的圆托和轴外侧的内圆确定外圈和内圈的尺寸，根据钢球大小，绘制出保持架该切割的圆。最后完成模型如图38。图38轴承的设计326上箱体的建立上箱体以下箱体的一侧箱壁为基准，根据骨架模型的两个大圆与中间的切线草绘为参照，向下箱体的另一侧箱壁作为拉伸基准拉伸。再以下箱体放置轴承的圆托和延伸出为参照，绘制出对称的参照，并且在顶端打上观察口，然后再后来的操作中，完成孔的特征操作，最终在组件环境下，上箱体的完成模型如图39所示。图39上箱体的设计327设计其他零件和特征完成箱体上的孔特征，以整体骨架或者直接以箱体添加父子关系，绘制出顶盖、油标、螺塞、以及端盖、透视盖与通气盖。特别值得注意的是，可以根据轴上画好的轮廓为父子关系，直接在轴上完成键的特征，并且将轴上键的特征信息传递给齿轮。完成模型如图310。例如位于上箱体顶部的端盖可以参照上箱体上端的透视口为草绘参照，进行拉伸特征的操作，再进行倒角即可完成顶盖的设计。而漏油口的螺塞可以根据漏油口为草绘参照进行拉升操作，再在外部进行螺栓顶部的绘制即可。这些特征的实现均可以以箱体上的特征为参照进行绘制，绘制过程十分方便。图310端盖以及其他特征的设计328布局的建立与紧固件的自动装配以箱体和端盖上的孔特征，创建出螺栓、和螺母和螺钉。由于如果每一个螺钉。螺栓和螺母都手工直接在骨架上绘制的话，反而降低了建模效率，所以可以使用PRO/E的“布局”工具实现自动装配。图311新建布局首先，在PRO/E环境下，新建一个布局如图311。在布局环境下使用基准轴工具与基准面工具。定义出布局如图312，一个基准面P1，和基准轴线AA、L1、L2、L3、L4、L5。然后对布局进行声明。图312为紧固件装配的布局例如螺栓的装配中，将上箱体的螺栓与箱体接触面DTM3，与孔的轴线A7、A8、A9、A10、A11、A12、A13、A14与声明布局建立关系式如图313，然后再组件环境下，插入、装配，选择螺栓，屏幕会出现“自动装配”与“手动装配”的选项，选择“自动装配”，那么八个螺栓将自动装配到上箱体上。图313更改声明中的表同理，可以将螺母，和螺钉，利用所建立的布局实现自动装配。完成组件图如图314。而端盖上的螺钉，由于它们都是轴阵列，所以可以手动装配，然后利用阵列操作对螺钉进行阵列。所以并不是一定要在自顶向下设计中使用自动装配，自顶向下的本质是去繁求简，所以什么操作简便而能达到装配目的我们就可以优先使用这种操作，但在主线模型的建立上还是要使用自顶向下的设计方法。图314最终装配图329更改骨架参数实验是否能成功再生在PRO/E的环境下，通过自顶向下设计方法设计出的减速器，和传统自底而上装配色减速器的不同在于，在更改骨架模型之后，整个装配图不用重新装配和定义，只要激活需要改变的零件，点击“右键”，点击“再生”按钮，即可使得零件位置效果和特征的改变，下面通过对骨架模型中控制箱体长度和宽度的矩形的长度的重新定义，实现整个减速器箱体以及轴承、端盖。等零件位置的变化。下面将通过两组骨架改变与骨架改变后组件的效果图来证实自顶向下设计中骨架确实能够控制整个组件的再生与零件与子组件位置关系。（1）激活骨架，在草绘环境下通过改变骨架模型中控制箱体的宽度和长度的矩形，将骨架模型原矩形如图315，宽度增大75MM如图316。图315原骨架中控制箱体宽的矩形草绘图图316将骨架中控制箱体宽的矩形的宽增长后的草绘图通过PRO/E的再生功能，实现了整体模型的成功再生，原模型（隐藏上箱体）见图317，而成功再生的模型（隐藏上箱体）见图318。图317原减速器模型图318骨架更改后的减速器模型（2）激活骨架，在草绘环境下对控制箱体上部的草绘进行修改，由原来控制箱体长与上箱体形状的草绘图见图319，通过修改箱体长度，并且修改控制上箱体的骨架见图320。图319原骨架中控制箱体长度和上箱体形状的草绘图图320骨架中控制箱体长度增大后的草绘图由于骨