基于proe的万向摇头风扇的结构设计及运动仿真分析 46页

湖北文理学院毕业设计(论文)正文题目万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真专业机械设计制造及其自动化班级机制0812班姓名学号指导教师职称2012年5月20日\n基于PRO/E的万向摇头风扇的结构设计及运动仿真分析摘要：电风扇的主要部件是：交流电动机。其工作原理是：通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为热能。　电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。现在市场上的许多风扇都有摇头功能，但是摇头的角度是90度固定不变的，而有时候人们希望风扇摇头的角度可以调节，摇头的速度可以调节，这时候原来固定摇头角度的风扇就不能满足人们的需要。在高温季节里,电风扇是一种重要的降温工具。它有固定式和摇头式等式样，摇头式的也只能在180°范围内转动，但由一般电动机改装成的电风扇,通常是固定式的。本次毕业设计针对这个问题，提出了设计一个可以调节电风扇摇头角度，并且可以调节电风扇的摇头速度的万向摇头风扇。这个装置做好之后还可以应用到比如太阳能采光板的跟踪采光系统、园林的只能灌溉系统等其他应用领域中。关键词：风扇；Pro/Engineer；摇头；运动仿真；调节；应用\nStructuralDesignandMotionSimulationoftheUniversalshakinghisheadfanbasedonPRO/EAbstract:Theelectricfanmaincomponentsare:ACmotor.Itsworkingprincipleis:theelectriccoilinamagneticfieldforce.Theconversionofenergyformis:electricenergyisconvertedintomechanicalenergy,atthesametimeasthecoilhasaresistor,soinevitablythereisapartofelectricenergytobeconvertedintoheat.Electricfanwork(assumingtheroomwithnoexternalheattransfer)indoortemperatureisnotreduced,itwillrise.Letustogethertoanalyzetemperaturerisereason:electricfanwork,duetothecurrentthroughthecoilofwireelectricfan,thereisresistance,sowillinevitablyproduceheatfromheat,thetemperaturewillrise.Butwhydopeoplefeelcool?Becausethehumanbodyhasalotofsweat,whenthefanworks,theindooraircanflowtogether,sowecanpromotetherapidevaporationofsweat,combinedwith"evaporationneedstoabsorbalotofheat",sopeoplewillfeelcool.Manyfansonthemarkettodayhaveshookhisheadfunction,Butshakinghisheadangleis90degreesfixed,Sometimespeoplewanttofanshookhisheadanglecanbeadjusted,Shakinghisheadspeedcanbeadjusted,Whentheoriginalfixedshookhishead,theangleofthefancannotmeetpeople'sneeds..Inhightemperatureseason,theelectricfanisakindofimportantcooltools.Ithasafixedtypeandheadshakingtypestyle,headshakingtypecanonlywithintherangeof180DEGrotation,butbythegeneralmotorsisconvertedintoelectricfan,isusuallyfixed.Thegraduationprojectaddressthisissue,theproposeddesignwithanadjustablefanshakinghisheadangle,andcanadjustthefanspeeduniversalshakingoftheheadshakinghisheadfan.Thisdevicetodocanalsobeappliedtootherapplicationareassuchastracklightingsystem,solarlightingpanels,gardenonlyirrigationsystem,etc.Keywords:Fan；Pro/Engineer；Shake；Motionsimulation；Adjusted；Applyto\n目录1绪论11.1本课题研究的目的和意义11.2国内外的研究现状及发展趋势21.2.1CAD产品及相关信息的可视化表达51.2.2CAD数据库的建立61.3主要研究内容、途径及技术路线71.3.1主要研究内容71.3.2主要研究途径和技术路线72Pro/E在工程产品设计中的应用简介92.1Pro/E在产品中的设计思路92.2Pro/E自顶向下的产品设计原则和方法92.3Pro/E常用的设计流程103万向摇头风扇零件的结构设计123.1万向摇头风扇总体结构分析123.2电扇电机外壳设计123.3风扇叶片设计204万向摇头风扇的装配与运动仿真244.1万向摇头风扇的装配244.2万向摇头风扇机构运动仿真分析284.3本章小结405本文总结41参考文献42致谢43\n1绪论1.1本课题研究的目的和意义中国已经加入WTO，我国将获得一个更加稳定的国际经贸环境，大量外资企业将进入中国，各行各业将面临重大的机遇和挑战，随着我国汽车、摩托车、家电等工业的迅速发展，工业产品的外形在满足性能要求的同时，变得越来越复杂，而这些产品的制造离不开模具，这就要求模具制造行业以最快的速度，最低的成本，最高的质量生产出模具，为了达到上述要求，模具企业只有运用先进的管理手段和CAD/CAM集成制造技术，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。同时由于国内多数模具企业在技术上和质量上与国外先进水平存在较大差距，如何在最短时间内缩小这种差距，是关系到国内多数模具企业生存的关键问题。人大量类发展历程的背后是设计的发展历史，而设计工具决定着设计的水平。在远古时代，人类只能用粗糙的打制石器创作原始壁画，设计的概念尚未形成;而刻刀与竹简的繁琐，鹅毛笔与羊皮卷的脆弱，木炭笔与莎草纸的易变，无一不让设计工作成为一种漫长而又艰辛的历程。甚至直到上世纪80年代，大量设计师还在使用快干钢笔、丁字尺和硫酸纸进行简单、低效率的重复作业，很少有时间从容考虑创新设计。是计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)软件的诞生彻底改变了设计的方式，让设计出现了质的飞跃。计算机辅助设计技术的应用推广得到政府和各界的普遍关注，是因为它作为电子信息技术的一个重要组成部分，是实现产品设计自动化，推动科技进步，改造传统产业,加快国民经济发展各现代化的一项关键技术，是企业提高自主创新能力和市场竞争能力的重要条件,也是进一步向计算机辅助制造、计算机集成制造系统、发展的重要基础。作为可以在个人电脑上运行的计算机辅助设计(CAD)软件，CAD软件让计算机技术走入设计师的日常工作,大幅提升了设计的速度与精确度，释放了设计师的灵感，数字化的设计平台与标准的设计格式也让设计协作成为可能。在工程和产品设计中，计算机通过cad软件\n可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量.1.2国内外的研究现状及发展趋势本世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新更快，但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加，使一般的很难保持市场份额。在这种背景下，CAD/CAM技术得到迅速普及和极大发展，海湾战争结束当年，美国评出的最具影响的十大技术中，CAD/CAM技术便榜上有名。在为数众多的CAD/CAM软件中，主流软件包含种类繁多，PRO/E、UG、CIMATRON、MDT、I-DEAS、MASTERCAM都是各种极品，但PRO/E工业解决方案地位显赫，它是美国PTC公司的拳头产品，技术领先，在机械、电子、航空、航天、兵工、纺织等各行各业都有应用，是CAD/CAM领域少有的顶尖“人物”、PRO/E软件包的产品开发环境子支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同事致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。其中PRO/EV2001更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。近两年是国内信息化发展都非常迅速的一年，国内大环境和政府的强力推动促进CAD行业的有效普及。在整体市场健康成长的推动下，CAD厂商致力于下一步技术推动的步伐迈得更大，三维、协同等作为CAD下阶段技术发展趋势的关键词频频出现。正是这种对行业的挖潜，体现出CAD专业化趋势。CAD软件的发展一方面需要更加通用化、更加便于学习和使用；另一方面，还需要针对一些特别领域的特别需要，定制面向特别应用的专家系统，以实现特别行业的快速应用。专家系统包括：机箱设计专家系统、钢结构设计专家系统、注塑模具设计专家系统、注塑成型分析专家系统、级进模具设计专家系统、孔槽腔类加工编程专家系统等。\n随着全球一体化经济下激烈的市场竞争和日益注重沟通协作的商业环境，企业必须集中精力整合各种资源，打造高效合作协同的运作体系。因此，应运而生的协同应用，因其能够帮助企业适应新的市场环境，迅速成为软件发展的趋势。经过几年的发展，目前，具有协同功能的软件，已不仅是工作的平台，同时还支持ERP、CRM、人事管理，甚至财务管理等，完美解决了多种信息资源的整合问题。协同应用的开展，可以使业务人员随时随地进行业务操作，而不受地域与时间的限制，管理者可以随时监控各项业务的执行情况，及时解决流程执行中发生的问题，提高业务执行的效率，还可规范企业的业务执行流程，提高企业业务执行的成熟度。因此，在软件行业内，协同应用的浪潮愈演愈烈。       协同设计CAD未来发展方向。随着协同概念的火热，在CAD行业内，协同设计逐渐成为CAD应用的下一个焦点。协同设计，主要是指企业内不同设计部门、不同专业方向上或者同一项目的不同设计企业之间进行协调和配合。发展协同设计，与国际CAD市场的发展趋势是相符的。国内外专家通常把CAD的发展，划分为4个阶段：第一阶段是只能用于二维平面绘图、标注尺寸和文字的简单系统；第二阶段是将绘图系统与几何数据管理结合起来，包括三维图形设计及优化计算等其他功能接口；第三阶段是以工程数据库为核心，包括曲面和实体造型技术的集成化系统；而第四阶段是基于产品信息共享和分布计算、并辅以专家系统及人工神经网络的智能化、网络协同CAD系统。目前，国内CAD应用主要集中在第三阶段，大部分的CAD产品，由一些基础的设计绘图平台，结合专业方面的规范和数据进行二次开发，并且集成相关的计算、分析等其他软件，形成设计人员独自完成设计工作的专业集成化工具。与此同时，国外的应用基本处于第三到第四阶段之间，除了一般的集成化系统，在一些设计需求发展较快的领域，也开发了一些专门的cad产品，实现了集设计工具、知识管理、专家系统于一体，具有一定协同工作能力的智能化集成系统。而基于产品信息共享和分布计算的网络CAD系统，则被认为是CAD未来的发展方向。目前，尽管CAD软件已经得到广泛应用，但说到底还是“单兵作战”。随着信息化的逐步深入，设计领域越来越需要大规模的分工与合作，未来CAD软件的发展，将适应企业提高市场响应能力和产品设计水平两方面的需要。随着企业信息化的发展，跨专业、跨地域的基于网络化协同设计，可以大幅缩短产品设计周期，快速地研发出满足市场变化和需求的产品，提高企业的竞争能力。因此，借助网络平台实现这一目标，已是大势所趋。\n过去，限于硬件条件的限制，协同设计只能是“纸上谈兵”，而随着高速CPU处理器、大容量存储设备及宽带通信网络等现代计算机、通信硬件技术的成熟，协同设计具有了现实的可能。”    网络化协同系统，将完全改变传统的工作模式，可以大幅缩短产品设计周期，快速地研发出满足市场变化和需求的产品，提高企业的竞争能力。因此，网络协同设计系统成为国内外各CAD厂商开发的重点方向，在技术上的争夺也愈演愈烈。此外，更重要的是，在此领域，国内外CAD厂商，包括曾经在二维CAD方面一支独秀的Autodesk公司，目前都处于研究发展阶段，还没有比较成熟和领先的产品出现。这为国产CAD带来了前所未有的发展契机，国产CAD终于和国外CAD站在了同一起跑线上，国产CAD厂商，完全有望成为下一代CAD应用的“主角”。ParametricTechnologyCrop公司（PTC）的Pro/Engineer以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于CAD界。该软件的应用领域主要是针对产品的三维实体模型建立、三维实体零件的加工、以及设计产品的有限元分析。该公司新推出的Pro/Engineer2000i2是在原Pro/E的产品上新增了柔性工程技术，包括可视化检查（VisualSearch），行为建模技术（BehaviorModeling），形状索引（ShapeIndexing），特征灵活性（FeatureAgility），CDRE渲染（CDRERendering），疲劳预测（FatiguePnediction）。实践证明，CAD(计算机辅助设计)技术的应用在制造业中正发挥着越来越重要的作用，已成为现代企业在市场激烈竞争中获胜的关键因素之一。随着计算机网络技术的迅猛发展和日益成熟，基于Internet的CAD技术将成为制造业发展的方向。Internet和Intranet技术为不同地理位置的设计人员之间提供了通讯与协作的可能。我们可以把基于Internet的CAD用户分成两类:一类是使用CAD软件进行协同设计的用户;另一类是使用WWW浏览器进行浏览的用户。因此，我们认为一个真正意义上的基于Internet的WebCAD系统应该具有以下几个特征:①以网络化的计算机系统为平台的设计系统;②以完善的数据库为核心的知识查询系统;③产品结构和加工过程的仿真技术系统;④三维实体建模技术系统。对我国目前大多数中小企业的CAD用户来说，选择WWW(WorldWide\nWeb)来建立自己的WebCAD系统是一个很好的办法。在Internet上，WWW是一个多信息组合的信息系统，能够方便地被用户访问。WWW服务采用的应用层协议标准是HTTP协议，其通信模式采用开放的标准，可支持不同的操作平台，因此这种模型非常适合支持CAD的协同工作。WebCAD系统的总体体系结构如下图1-1所示。图1-1WebCAD系统的总体体系结构1.2.1CAD产品及相关信息的可视化表达CAD产品的实体建模及图形数据交换是WebCAD系统的关键技术之一。目前流行的各种CAD软件，其图形的数据结构较为复杂，标准也不尽相同，如:SolidWorks的Parasolid文件格式、AutoCAD的DXF文件格式等等。其突出的问题在于，在不同的CAD平台之间进行数据交换时易产生数据的丢失或畸变，且这种静态表达的结构不支持基于虚拟现实的图形实时表达。三维虚拟现实建模语言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)是在WWW上用于进行三维交互模拟的标准编程语言，通过VRML语言描述的三维产品与零部件信息可以在Internet上通过WWW浏览器进行访问，十分方便和快捷。在CAD的应用中，开发者是通过矢量化的工程图来表达设计思想，而过去的Internet界面提供的只是位图形式，不能直接采用。Autodesk公司在R14以上的版本中采用WHIP技术，使AutoCAD的图形可以直接进入Web，通过Web浏览器观察DWG或DWF(DrawingWebFormat)文件，将DWF文件嵌入到HTML网页中，充分地利用了DWF文件基于矢量的性质，且具有较高效率的文件存储和显示性能,但缺陷也十分明显，DWF文件的图形只能静态显示,其主要目的是为工程设计人员提供一个观察和下载工程图形或标准件库的环境,而无法实现模型的三维动态显示,以及详尽表述产品或机构运动的功能,而VRML技术有力地克服了HTML在三维表达方面的缺陷，通过VRML可以实现网络环境下的实体建模，构造虚拟的场景，建立仿真系统和实时参与等等，为设计者提供了直观、形象的设计环境。\n1.2.2CAD数据库的建立数据处理是工程CAD开发工作中的一个重要组成部分，其数据库的功能完善和使用方便与否，将直接关系到CAD系统的使用效果。区别于一般的商业数据库，工程数据具有数据量大、种类多、结构复杂等特性。我们可以根据其性质将工程数据分为图形数据和非图形数据;从应用上可以分为产品定义数据和设计与控制数据两种数据。从建立数据库的方面出发，将工程数据分为以下三种:(1)标准数据主要由国家标准和行业标准组成，基本表现为静态数据形式，多以图表或曲线图形式表达，经过数据化处理后可建成关系数据库。(2)设计及工艺技术参数由于产品和工艺的多样化和随机性，根据具体情况，经过计算而得到的数据往往呈现动态模式，需要在设计或制造过程中随机存储，相互间关系较为复杂，建库比较复杂。(3)图形几何参数由于设计过程的不确定性和产品的复杂性，将设计参数变成几何数据，以确定产品的形状、尺寸等，这类数据的动态模式也十分明显。以机械制造业所用的共性技术数据为例，包括设计基础数据、工艺数据和产品质量数据等。对广大中小企业来说，选择较为成熟的关系数据库来开发是一个可行的方案，这样可以减少开发时间，降低开发成本。如:不少企业和单位利用MicrosoftAccess、VisualFoxPro、VisualBasic、C++等数据库开发软件和AutoCAD等图形软件综合开发出大量行业基础数据库，为数据库的Web化奠定了基础。Web数据库是将传统数据库移植到Internet中的一种新技术，是数据库发展的趋势。Web数据库是一种动态的数据库，而非传统的单向浏览的静态方式。Microsoft公司的ASP技术是基于ActiveX技术的Web应用程序开发技术，它是服务器端的脚本文件，可以是HTML，也可以是VBScript或JavaScript。\n上述的数据库，包括办公系统中的文档数据，均可以利用ASP技术Web化，使用户可以根据需要在浏览器界面获得和参与。当客户需要访问Web数据库时，客户既可以使用本地浏览器下的APPLET，也可以使用独立运行的应用程序，通过客户端的编程接口，对远程的数据库进行访问。此时，作为数据库服务器端，除了安装ODBC、相应的数据库驱动程序、TCP/IP协议外，还需要安装Internet数据库服务器，并通过它进行发布。客户端也要安装相应的客户端程序，将用户应用程序信息按照DBTP协议提交给数据库服务器，该服务器通过ODBC与后台数据库交互，并将相应的数据按照DBTP协议反馈给客户端。1.3主要研究内容、途径及技术路线1.3.1主要研究内容本课题主要以万向摇头风扇整体结构为研究对象，进行万向摇头风扇各个零件参数化的基础建模、并进行装配和修改，研究内容如下：①风扇组成零件的三维模型设计。万向摇头风扇的三维装配图。万向摇头风扇的运动仿真。万向摇头风扇的结构方案的优化设计。1.3.2主要研究途径和技术路线1、对国内外现有风扇的技术水平、生产过程、控制等进行调研，归纳，调查国内风扇情况和国内需求情况，采用本行业专家建议结合本课题的设计，采用Pro/E建模成型及其仿真原理设计风扇。2、查阅有关风扇、机械原理、Pro/E软件功能等与设计相关方面的资料，研究国内外相关的设计手册或书籍，在保证设计方案可行性的基础上，用Pro/E设计出万向摇头风扇的结构。3、利用计算机三维造型软件对机构进行三维造型和运动仿真，及时发现问题，及时修改。实行边研究、边设计，这样信息反馈快、整改及时、从而提高工作效率。\n2Pro/E在工程产品设计中的应用简介2.1Pro/E在产品中的设计思路有些产品看起来相当复杂，造型时感到无从下手，但只要能合理地对产品进行分解，确定产品结构的主要特征，也就是将设计者构思的初步轮廓用Pro/ENGINEER强大的三维实体造型功能，生成三维实体模型，即提供一个可视化界面，再在该界面上逐步进行详尽的设计造型；分清哪些是基本特征（如配合面，保证产品外形轮廓的特征），哪些是构造特征（如面与面之间的过渡、凸台、凹腔、倒圆、倒角等）。首先从基本特征入手，保证重点，产生一个合理的造型“基体”或称之为“毛坯”，再在这“毛坯”上完成细节部分，如过渡面、局部凸台、凹槽、孔、筋条等。这样主次分明，先做什么，后做什么，问题就迎刃而解了。在设计中，我们用Pro/ENGINEER作为设计平台，利用它来完成产品的三维实体造型：将一个产品的所有零部件都通过Pro/ENGINEER软件进行三维建模，并按一定的装配关系进行组装，由部件到小的装配件再到大的装配组件最后成为整机。利用Pro/ENGINEER简单的鼠标操作，立体直观地展现零部件形状和内容结构，以及零部件之间的装配关系，运用Pro/ENGINEER来完成造型和模拟装配，使我们可以简便、快捷的勾勒出设计思路，并可有效的进行可行性分析，检验各装配零件间有无干涉，使我们能够及时发现和解决问题，为后续的模具设计、NC加工等奠定了基础。根据计算机的辅助设计，再结合市场及用户的要求完成对产品的设计，从外观造型到色彩配置，从功能组合到结构设计，从加工工艺到使用条件的讨论和分析，优化设计方案。2.2Pro/E自顶向下的产品设计原则和方法自顶向下就是先制作产品的总体框架，然后对框架中的每一项内容由上到下逐步细化，分阶段，分步骤自上而下地一步一步完成产品的过程。Pro/E中可以由设计上层将数据传递至下层的次组文件中。它提供各种方法和各种工具，使用这些方法可在自顶而下的环境中进行成功设计，使用这些工具可获取资讯，查询组件及确定如何建立设计。（1）使用装配骨架\n使用骨架可以在不开放元件的情况下，创建组件的3D布局、模拟运动。空间设计并显示组件，而后，使用改骨架作为中心参照，通过将信息经组件结构向下传递的方法，就可以改变改骨架以更新元件。（2）在模型间复制几何参照几何在组件模式中修改零件或子组件时，可以使用“复制几何”特征将参照几何从一个模型复制到另外一个模型。在自顶而下设计中使用此特征，可进行通过重定义“复制几何”特征的依赖关系来控制变化的传递。2.3Pro/E常用的设计流程(1)方案设计:由造型设计师进行概念草绘,可用二维平面软件进行方案效果图绘制，或者进行手绘。(2)三维造型设计:方案确定后,由设计师利用Pro/E进行曲面设计。(3)三维造型设计确认:将Pro/E里面的模型直接转入CNC,或RP做出实物模型进行造型检验。(4)结构设计:在Pro/E里进行细节结构设计。(5)结构设计确认:进行装配和结构模拟分析,确认结构。(6)模具设计:将Pro/E里的产品传递给模具厂进行数控编程。(7)生产:将三维图转化为二维工程图,进行工艺设计,进行生产。具体的设计流程如图2-1所示:\n图2-1设计流程图\n3万向摇头风扇零件的结构设计3.1万向摇头风扇总体结构分析电风扇的建模设计总体上来说是使用了有底向上得到产品设计方法，在电风扇底座的设计过程中渗透了由顶向下产品设计方法的基本思想，我们在学习电风扇的建模设计过程中出了学习建模方法外，更多的是学习这种建模的思想。电风扇的设计综合运用到了拉伸、扫描、混合等基本建模方法，曲面修剪、合并、偏移、曲面替换实体等复杂曲面建模方法，剖面圆顶等高级建模方法。3.2电扇电机外壳设计摇头风扇的电机主要由三部分组成：电机外壳、电机的电器部分（包括定子和转子）及驱动风扇摇摆的曲柄连杆。电机外壳的功能就是包容和承载后两个部分，这里介绍风扇电机外壳的设计过程。风扇电机外壳又由风扇电机主体和后盖两部分组成，二者可以拆开，以便在其内部安装电机的定子、转子及电刷等电器部分。风扇电机主体和后盖可以先进行整体建模，完成后用平面将其分割开来，再进行细部修饰。（1）新建一个名为motor.prt的文件。绘制如图3-1所示的草绘，将其拉伸14mm，并进行抽壳出来，设定壁厚2mm，如图3-2，抽壳后如图3-3，然后对背面进行拔模处理，操作过程如图3-4，顶面为拔模枢轴，拔模斜度为5，得到图3-5所示的特征。图3-1motor.prt草绘\n图3-2图3-3图3-4图3-5（1）在草绘环境下，使用草绘工具条上的使用功能，绘制图3-6所示的草绘，拉伸8mm，得到图3-7，然后绘制如图3-8的草绘，用曲线拉伸而成的曲面对其进行修剪并进行倒圆角处理得到图3-9。图3-6图3-7\n图3-8图3-9（3）以FRONT面为草绘平面，绘制如图3-10所示的草绘，将其拉伸20mm，然后对其正面，背面及上方面板均进行拉伸减料处理，减料深度分别为16.5、2、1mm。得到如图3-11所示的特征，接着在正面添加直径为Φ48mm、壁厚1mm、高度3mm的薄壁圆环得到图3-12。图3-10\n图3-11图3-12（4）使用抽取功能，设定偏移量为0.5mm，绘制如图3-13所示的草绘，将其拉伸65mm，得到如图3-14所示的曲面片。图3-13图3-14\n（5）对曲面片进行修剪。1）以RIGHT面为草绘平面，绘制如图3-15所示的斜线及旋转中心线，将该曲线旋转60，得到如图3-16所示的旋转曲面。图3-15图3-162）以RIGHT面为镜像平面，通过镜像操作获得旋转曲面的镜像。3）将过滤器设置为“面组”，选中旋转曲面原型和镜像曲面，单击特征工具条上的按钮，将它们合并为一张曲面。4）按下Ctrl键，先后选中刚合并的曲面及步骤（4）生成的曲面，单击特征工具条的按钮，在预览中注意黄色箭头的指向【见图3-17】，满意后单击合并操控板上的按钮完成合并，得到两张曲面互相修剪的实际效果，如图3-18所示。图3-17图3-18\n5）对合并后的曲面进行加厚处理，设定厚度为1.5mm，加厚方向指向内部。（6)抽取图3-18圆环内侧Φ40的圆，将其拉伸为80mm长的圆柱体，并对其左端棱边进行R18mm倒圆角，得到如图3-19所示的特征。(7）以RIGHT面为草绘平面，绘制如图3-20所示的旋转截面及旋转中心线。通过旋转减料操作获得电机外壳的内部空腔，如图3-21所示。图3-19图3-20图3-21(8)使用拉伸操作在外壳底部创建两个Φ8的安装孔和高30mm的安装导柱，如图3-22所示。图3-22（9）在电机外壳正面创建直径Φ6mm，长30mm的叶片压紧螺杆，并分别创建M24*2及M6*1的螺纹，如图3-23和图3-24所示。\n图3-23图3-24（10）使用拉伸减料操作在外壳正面及面板上创建通风散热窗口，经过阵列和镜像后的窗口如图3-25所示。图3-25（11）分割电机外壳主体和后盖。1）选取曲面拉伸操作，以FRONT面为草绘平面，绘制一条直线，将其双向拉伸成一个曲面，然后再点击拉伸操控板上实体按钮，拉伸曲面成为切割工具，注意预览中黄色箭头的指向，水平箭头指向外侧表示将把曲面外侧部分剪除（见图3-26）。单击拉伸操控板上的按钮完成电机外壳主体的分割（如图3-27）。\n图3-26图3-272）创建摇杆曲柄基座。以外壳底面为参照创建基准面DTM1，设定距离为3mm，以DTM1为草绘平面，绘制Φ35mm的圆将其向上拉伸减料10mm，得到曲柄基座。接下来创建Φ8mm摇杆通孔。3）对外壳主体进行倒圆角等修饰处理。完成后以motor-body为文件名保存副本备用。4）右击模型树上的拉伸26，在快捷菜单中选取“编辑定义”，即又返回到步骤1）的状态，点击拉伸控制板上的按钮，使水平黄色箭头指向内侧，（图3-28），将要修剪掉的是外壳的主体部分，单击拉伸操控板上的按钮，得到电机外壳后盖部分，如图3-29所示。图3-28图3-295）在后盖平面上创建两个Φ4.5mm的螺钉孔，并使用【插入】/【高级】/【唇】功能创建唇部，以保证可靠地装配。最后保存副本以motor-cover为文件名存盘备用。\n3.3风扇叶片设计电风扇叶片一般为一螺旋面，应满足一定的空气动力学要求。当其高速旋转的时候，叶片推动空气能形成较强的气流，可达到凉爽降温的目的。适当改变螺旋面的翘曲程度，可以将叶片用于航空发动机或摩托艇螺旋推进器上。现利用曲面建模方法实现电风扇叶片的整体建模。（1）创建螺旋面。新建一个名为blande-fun的文件。选取主菜单上的【插入】/【螺旋扫描】/【曲面】命令，弹出如图3-30所示的“曲面：螺旋扫描”控制框和菜单管理器，接受系统对属性的默认设置，单击“完成”；根据系统的提示选择FRONT面为扫描轨迹的草绘平面。绘制如图3-31所示的直线作为扫描轨迹和扫描中心线。单击草绘工具条上的按钮，退出草绘。在弹出的“输入节距值”输入框中输入130，单击按钮或按下“回车”键，再次进入草绘，绘制如图3-32所示的直线作为扫描截面，单击草绘工具条上的按钮，退出草绘。最后单击控制框上的“确定”按钮，创建螺旋曲面如图3-33所示。图3-30\n图3-31图3-32图3-33\n（2）阵列生成三个螺旋曲面。单击特征工具条上的按钮，在阵列操控板上选择阵列类型为“方向”，旋转阵列，并选择坐标系上的Y轴为阵列中心线，输入阵列个数3，角度增量为120，如图3-34图形区出现阵列预览，如图3-35单击操控板上的按钮，获得阵列后的三个螺旋曲面如图3-36图3-34图3-35图3-36（3）单击特征工具条上的“拉伸”命令，以TOP为草绘平面，绘制一个直径Φ80mm的圆，退出草绘，将该圆拉伸为高40mm的圆柱，作为叶片的中心部分。（4）绘制叶片轮廓草图并复制。单击草绘按钮，进入草绘环境，以TOP面为从草绘平面绘制如图3-37曲线轮廓，退出草绘。选取主菜单上的【编辑】/【几何阵列】命令，在阵列操控板上的选项及输入数据与步骤（2）完全相同，通过几何阵列得到另外两个曲线轮廓如图3-38。图3-37图3-38\n（5）进行拉伸减料，获得叶片特征。首先选中选取曲线轮廓的原型，然后单击特征工具条上的拉伸按钮，在拉伸操控板上选择曲面，设定拉伸方向和距离，注意水平黄色箭头指向曲线轮廓的外侧，单击操控板上的按钮，获得一个叶片曲面特征。采用类似的方法将另外两个由阵列复制而来的曲线轮廓也分别进行拉伸减料操作，获得第二和第三个叶片特征[如图3-39]。注意：用于拉伸的曲线轮廓需要在TOP面图3-39用抽取命令抽取获得。（6）加厚操作，形成实体。将过滤器设置为“面组”，选中第一个叶片特征，选取主菜单上的【编辑】/【加厚】命令，输入加厚值为1mm，单击操控板上的按钮，获得一个叶片实体特征。接着按照同样的方法对第二和第三叶片曲面进行加厚，随后使用倒圆角命令对叶片实体模型的边进行倒圆角，设定圆角半径为R0.5mm。（7）对叶片部分进行修饰。拉伸减料形成内腔后拉伸减料形成安装孔再设置加强肋并进行阵列[见图3-40]。由于操作过程比较简单，这里就不再赘述。图3-40\n4万向摇头风扇的装配与运动仿真4.1万向摇头风扇的装配该摇头风扇机构的运动部分为杆系结构，主要运动副为“销钉”连接关系。基座（pedestal.prt）与地刚性固结，可视为“主体”，支柱（cylinder.prt）与基座、连接杆（connecter.prt）与支柱均为“刚性”连接，在该机构中，基座、支柱、连接杆三者为固定不动的构件；摇臂（rod-1.prt）与连接杆、电动机（motor.prt）与摇臂、叶片（blande-fun.prt）与电动机均为“销钉”连接；后网罩（netty-cover-1.prt）与电动机、前网罩（netty-cover-2.prt）与后网罩均为“刚性”连接，前/后网罩随电动机一起绕运动轴旋转。根据以上连接关系，采用本节开始所说的第二种方法，即按照运动副连接关系来创建一个新的“万向摇头风扇”装配体模型，为该机构的运动仿真分析做好准备。具体装配和仿真过程如下：1.采用“连接”关系创建电风扇装配模型（1）启动Pro/E野火5.0，新建一个名为fun-Sim.asm的“组件”文件，进入装配环境。单击右工具条上的按钮，将基座零件pesestal.prt加载到图形区。（2）在弹出的“元件放置”操控板上选取连接关系为“刚性”，分别选中pedestal.prt的坐标系PRT-CSYS-DEF及装配体的坐标系asm-def-csys为“对齐”关系。单击操控板上的“确定”按钮，基座零件被定位在装配体模型上，并作为下一步装配的基础构件。（3）装配支柱。单击右工具条上的按钮，将支柱零件cylinder.prt加载到图形区，同样选取“刚性”连接关系，分别选中支柱和基座的中心轴为“对齐”关系，再选中支柱的内圆柱底面和基座的圆环顶面为“配对”关系，并令二者重合，单击“确定”按钮，完成支柱的装配。装配过程如图4-1所示。\n图4-1装配支柱（4）装配连接杆。单击右工具条上的按钮，将连接杆零件connecter.prt加载到图形区，同样选取“刚性”连接关系，分别选中连接杆和支柱的中心轴为“对齐”关系，再选中连接杆的内圆柱底面和支柱的圆环顶面为“配对”关系，并命二者重合。单击“确定”按钮，完成连接杆的装配。装配过程如图4-2所示。图4-2装配连接杆（5）装配摇杆。单击右工具条上的按钮，将摇臂零件rod-1.prt加载到图形区，选取“销钉”连接关系，分别选中摇臂和连接杆的中心轴为“对齐”关系，再选中摇臂的侧面和连接杆的内侧面为“配对”关系，并令二者重合；此外还要设置“旋转轴”以确定摇臂的初始位置；分别选中摇臂的TOP面和连接杆的RIGHT面，并在当前位置栏中输入0并选取“设置零位置”选项。单击“确定”按钮，完成摇臂的装配。装配过程如图4-3所示。\n图4-3采用“销钉”连接装配摇臂（6）装配电动机。单击右工具条上的按钮，将电动机零件的motor.prt加载到图形区，选取“销钉”连接关系，分别选中电动机斜孔和摇臂的中心轴为“对齐”关系，再选中电动机上斜孔的底面和摇臂销轴的顶面为“配对”关系，并令二者重合，单击“确定”按钮，完成电动机的装配。装配过程如图4-4所示。图4-4采用“销钉”连接装配电动机（7）装配电动机后盖。由于电动机后盖是从电动机模型上修剪下来的，其坐标系与电动机体位统一坐标系，所以只要先设定“刚性”连接，然后采用坐标系对齐的方式就可以将其准确定位。（8）装配后网罩。单击右工具条上的按钮，将后网罩零件netty-cover-1.prt加载到图形区，选取“刚性”连接关系，分别选中后网罩和电动机的中心轴为“对齐”关系，还要增选后网罩上安装板背面和电动机的正面为“配对”关系，并令二者重合，单击“确定”按钮，完成后网罩的装配。装配过程如图4-5所示。\n图4-5装配后网罩（9）装配叶片。单击右工具条上的按钮，将后叶片零件blande-fun.prt加载到图形区，选取“销钉”连接关系，分别选中叶片和电动机的中心轴为“对齐”关系，再先后选中叶片顶面和电动机轴的顶面为“配对”关系，并令二者之间的偏移量为5mm，单击“确定”按钮，完成叶片的装配。装配过程如图4-6所示。图4-6采用“销钉”连接装配叶片（10）装配前网罩。单击右工具条上的按钮，将前网罩零件netty-cover-2.prt加载到图形区，选取“刚性”连接关系，分别选中前网罩和后网罩的中心轴为“对齐”关系，再选中前网罩圆环曲面及后网罩圆环平面，并设置二者为“相切”关系，单击“确定”按钮，完成前网罩的装配。装配过程如图4-7所示。图4-7装配前网罩\n至此万向摇头风扇机构的主要零件已装配完毕，为下一步进行机构运动仿真分析做好了准备。4.2万向摇头风扇机构运动仿真分析（1）选取主菜单上的【应用程序】/【机构】命令，进入机构仿真分析环境。（2）定义伺服电动机。该机构共需要设置3个伺服电动机，其中伺服电动机1位于摇臂与连接杆的连接轴上，用以控制摇臂的周期性摆动；伺服电动机3位于叶片与电动机中心轴上，再以驱动叶片进行旋转运动，产生风源。1）定义伺服电动机1。单击右工具条上的按钮，打开如图3-1所示的“伺服电动机定义”对话框，接受“类型”选项卡上默认的“运动轴”类型选项，在图形区内点选摇臂与连接杆的连接轴，打开对话框上的“轮廓”选项卡，接受“规范”栏内默认的“位置”选项（因为摇臂为左右摆动，需限定其左右极端位置），在“模”栏目内选择“余弦”（摇臂的摆动为周期性变化），参照表中关于“余弦”运动规律公式中A、B、C及T各参数的意义，分别设定A=75、B=30、C=0、T=1.如图4-8全部设置完毕后单击对话框上的“应用”按钮，然后单击“图形”栏内的按钮，弹出伺服电动机1按照余弦规律旋转的曲线如图4-9。点击“确定”按钮予以确认，完成伺服电动机1的定义。\n图4-8图4-9\n2）定义伺服电动机2。为实现本机构的“万向摇头”，电动机自身也需要绕摇臂的销轴做摆动运动，所以伺服电动机2与伺服电动机1的定义相类似，点选电动机与摇臂销轴的连接轴为“运动轴”，如图4-10，运动“规范”为“位置”，在“模”为“余弦”，设定A=180、B=20、C=0、T=2，如图4-11。完成伺服电动机2的定义。图4-10\n如图4-113）定义伺服电动机3。单击右工具条上的按钮，打开如图4-12所示的“伺服电动机定义”对话框，接受“类型”选项卡上默认的“运动轴”类型选项，在图形区内点选叶片与电动机轴的连接轴，（见图4-13中鼠标箭头所指的运动轴标识）；打开对话框上的“轮廓”选项卡，选取“规范”为“速度”，在“模”栏目内选择“常数”，设定A=2000。全部设置完毕后，点击“确定”按钮予以确认，完成伺服电动机3的定义。\n图4-12图4-13（3）设置运动参数和控制参数。\n1）单击右工具栏上的按钮，弹出如图4-14所示的“分析定义”对话框。在“类型”选项中选择“运动学”，接受“首选项”选项卡上“长度和帧频”方式，设定终止时间为60s，帧频为30。图4-142）单击“电动机”选项卡，设置伺服电动机1（ServoMotor1）的开始时间为5s，如图4-15，此举可令摇臂在开始5s前为静止，使风扇从零位开始送风，5s后实现万向摇头。\n图4-15完成以上设置后，单击“运行”按钮，系统进入运动分析解算过程。如果所有的装配连接关系、运动副设置及伺服电动机定义都是正确的，经过解算之后，将会动态地、完全逼真地显示出万向摇头风扇在60s内的整体运动状况。但此时尚未进行动态干涉或碰撞检查。如果整体运动状况与设计方案预期的效果一致（若不一致，则必定存在这样或那样的问题，需要返回到装配环境甚至建模环境中进行仔细修改），单击确定按钮，系统将把解算结果记录下来，可供“回放”之用。（4）回放和导出视频文件。1）单击右工具栏上的按钮，弹出如图4-16所示的“回放”对话框。系统自动导入AnalysisDefinition1结果集，接受“影片进度表”中系统默认的“显示时间”和“缺省进度表”勾选项。\n图4-162）单击“碰撞检测设置”按钮，系统默认的是“无碰撞检测”。本例中风扇叶片位于前、后网罩之间的有限空间内，与后网罩发生干涉碰撞的可能性较大。为此需要进行部分碰撞检测：勾选“部分碰撞检测”选项，接着在图形区或模型树上（按下Ctrl键）先后选择叶片和后网罩，在“可选设置”栏中勾选“发生碰撞时会响起消息铃声”，单击确定按钮，返回到“回放”对话框状态。如图4-17图4-173）单击对话框上的按钮，因为系统要进行干涉碰撞检查，在经过稍长一段时间之后，出现如图4-18所示的“动画”\n控制框。在播放过程中，会同时播发“局部碰撞检测”信息；如果在检查中发现构件之间发生碰撞，那么当运动至发生碰撞之处时，将会同步发出“滴嘟、滴嘟”铃声。如图4-184）导出视频文件。单击“动画”控制框上的“捕获”按钮，弹出“捕获”对话框，如图4-19，系统自动地为视频文件命名为fun_sim.mpg，其他保持默认状态即可。图4-19（5）测量。\n1）单击右工具条上的按钮，弹出如图4-20所示的“测量结果”对话框，单击按钮，导入结果集AnalysisDefinition2。图4-202）单击“测量”栏内的按钮，创建一个测量对象。弹出图4-21中的“测量定义”对话框，系统自动将此项测量命名为mesure1，并提示选取“一个点或运动轴”。将过滤器设置为“旋转轴”，然后再图形区选择光标指向的摇臂和连接杆之间由“销钉”连接关系定义的连接轴：connection-6.axis-1，在图形区出现一个双箭头图标指向该连接轴的轴线。\n图4-213）在“评估方法”栏中选择“每个时间步长”选项，单击“确定”按钮，返回到“测量结果”对话框。此时，该对话框上方的按钮被激活，单击该按钮，即输出如图4-22所示的摇臂摆动的位置-时间轨迹曲线。利用轨迹曲线图上方的菜单命令，可以对该图的背景颜色、线条及数据点的颜色、字体等进行编辑；用放大镜放大观看等操作。由该轨迹曲线可以看出：摇臂在运动的前5s时间段内处于0的位置，此后在-75到75范围内往复摆动，是符合设计意图的。图4-224）再次单击“测量”栏内的按钮，增添一个测量对象。弹出图4-23中的“测量定义”对话框，系统自动将此项测量命名为mesure2，并提示选取“\n一个点或运动轴”，将过滤器设置为“旋转轴”，然后在图形区选择光标指向的电动机斜孔和摇臂销轴之间由“销钉”连接关系定义的连接轴：connection-17.axis-1，图形区出现一个双箭头图标指向该连接轴的轴线。图4-23\n5）仍然选择“每个时间步长”为“评估方法”，单击“确定”按钮，再次返回到“测量结果”对话框单击按钮，即输出如图4-24所示的摇臂摆动的位置-时间轨迹曲线。图4-24由该轨迹曲线可以看出：电动机从运动一开始便在-180-180范围内做360的往复摆动，是符合设计意图的。4.3本章小结本章对万向摇头风扇进行了运动仿真，先对万向摇头风扇主要零件进行伺服电动机设置，接着进行运动分析，并对结果测量，以检测某些装配运动可能存在干涉现象。\n5本文总结本文从最初的背景介绍，课题分析拓展出基于proe的万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真分析。在文中，详细介绍了万向摇头风扇的风扇叶片和电机等零件的工作原理和制作过程，参阅各种结构设计的方法，尽可能多的尝试不同设计方法以达到学习目的。除了设计方法运用，还运用了PROE绘制出了各部分的零件图和装配图，以及运动仿真情况，以便对各部分的结构情况都有更直观的了解。随着现代科技的快速发展，各种机械设备的数量和种类越来越多，性能越来越先进，各种各样的不同类型的电扇大量应用于我们的生活中，本文所设计的万向摇头风扇也应用于火车等人员众多的场合，给大家带来凉爽和便利。万向摇头风扇比一般的风扇吹风面积更大一些，角度更大，更方便。\n参考文献[1]杨可桢.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2006.[2]和清芳，徐征.PRO/ENGINEERWildfire产品设计与机构动力学分析[M].北京：机械工业出版社，2004.[3]彭国希.精通Pro/ENGINEER中文野火版家电产品设计[M].北京：中国青年出版社，2006.[4]高秀华等.机械三维动态设计仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2004.[5]胡仁喜.实战Pro/ENGINEERWildfire4.0工业设计[M].北京：电子工业出版社，2008.[6]蔡润林.Pro/EWildfire3.0玩具设计实例精讲[M］.北京：人民邮电出版社,2008.[7]林清安.Pro/ENGINEERWildfire零件设计．基础篇［M］.北京：中国铁道出版社,2004.[8]博创设计坊.Pro/ENGINEERWildfire4.0注塑产品造型设计[M］.北京：清华大学出版社，2008.[9]韩玉龙.Pro/EWildfire组件设计与运动仿真专业教程[M］.北京：清华大学出版社,2004.[10]胡蓉，胡如夫.机械产品虚拟样机协同开发技术[J].机床与液压2003.NO.3.[11]李雷，黄恺.Pro/E产品装配与机构仿真.[12]和青芳，王立波，周四新.Pro/ENGINEERWildfire4.0精选50例详解.[13]齐从谦，Pro/ENGINEERWildfire5.0产品造型设计与机构运动仿真.[14]王咏梅，康显丽，王瑞萍.Pro/ENGINEERWildfire5.0中文版零件设计实践教程.[15]韩玉龙.Pro/ENGINEERWildfire4.0零件设计高级教程.[16]辛栋，刘艳龙，谢龙汉.Pro/ENGINEERWildfire4.0中文版三维造型视频精讲.\n致谢本课题研究及论文撰写过程中，得到了导师李梅的悉心指导和帮助。特别是我外出参加复试的一段时间，返校后深感时间的紧迫，李梅老师给予了我很大的照顾，帮助我快速赶上进度，这一切甚是感动。在此次写论文期间，除了参考传统的书本，杂志，还在网络上搜索了不少专业成果，为了解决设计中遇到的问题，我浏览了国内外许多机械设计及CAD制图的专业网站，收获了很多书本上学不到的东西，这也开阔了眼界，让我对机械行业有了进一步认识，他人的关心和自己的努力得以今天论文的完成，在此对所有人表示衷心感谢！其实，论文的结束，也标志着大学生活即将结束，除了感谢导师，还要感谢机械与汽车工程学院的其他老师，他们在大学四年间或多或少为我服务过，感谢大学期间，有你们的每一天。感谢师兄弟(姐妹)以及同学，与他们一起交流学习经验，论文写作期间进行有益的讨论，使我开阔了视野、激起了灵感。四年的日子，必将是我人生中最充实的一段时光！