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1、目 录1 绪论12 设计任务13 设计理念13.1 钟表的发展状况23.2 钟表的分类和基本工作原理33.3 选择钟表的类型33.4 确定工艺闹钟的元件44 实体建模44.1 工艺闹钟上盖设计44.2 下盖的绘制94.3 表盘的绘制105 闹钟的装配106 运动仿真126.1 进入机构模块136.2 设置驱动、定义伺服电动机136.3 创建并运行运动分析146.4 进行干涉检验、结果回放及捕捉157 结束语17致谢17参考文献18附图191 绪论随着机械设计行业竞争的日益加剧和CAD/CAM技术的不断完善，三维设计技术已经发展到了一个很高的阶段，它为工程技术人员提高设计效率和产品质量做出了很大
2、的贡献，所以现在Pro/E、UG、Solidworks等一系列三维CAD/CAM软件应用日益广泛，并逐渐渗透到产品设计全过程中，作为一种流行的高端三维CAD/CAM软件，Pro/E功能强大，操作灵活，设计理念优越1。Pro/E是美国PTC（Parametric Technology Corporation,参数技术公司）开发的大型CAD/CAM集成软件，自1989年问世以来，Pro/E软件经历了二十年的发展，凭借其优越的性能，在与同类软件的激烈竞争中占据了主导地位，成为机械设计领域主流三维设计软件，越来越受到工程技术人员的欢迎。Pro/E软件在工业产品造型设计、机械设计、模具设计、加工制造、有
3、限元分析、功能仿真以及关系数据库管理等方面都有广泛的应用，是当今优秀的三维实体建模软件之一3。2 设计任务对于闹钟大家都很熟悉，它已经成为人们日常生活中不能缺少的物品，其外观造型多种多样，其基本功能也就是计时和定时，从而成了上班族和学生族的必须品，随着社会商品的不断丰富以及人们对产品审美追求的日益提高，现在的闹钟除了实现基本功能外，设计精良的闹钟更是一件不可多得的房屋装饰品。Pro/E作为一款高效快捷的CAD/CAM软件，在产品的外观造型设计方面应用十分方便，它能将所有数据放置在单一数据库上，即在整个设计过程中的任何一处发生参数改动，都可以反应到整个设计过程的相关环节上，大大提高了设计效率4。
4、本文将以篮球作为整体造型的闹钟为例，以Pro/E的实体建模、虚拟装配、机构仿真等功能对其进行设计，设计的具体要求为：（1）实现闹钟各零部件的设计（2）零件和部件的装配（3）闹钟的运动仿真3 设计理念使用Pro/E软件进行虚拟产品设计总的来说有俩种设计方法，它们分别是由底向上的产品设计和自顶向下的产品设计。由底向上的的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零部件逐一装配成完整产品的设计方法。由底向上的设计方法是一种比较简单、低级的方法，其设计思路比较清楚，设计原理也容易被广大用户接受，但是其设计理念还不够先进，设计方法不够灵活，还不能完全适应现代设计的基本要求。这种方法主要应用于一些
5、已经比较成熟的产品的设计过程，可以获得比较高的设计效率5。由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时，首先从整体上勾画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。在现实的虚拟产品设计中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件5。由顶向下的产品设计方法因其设计方法灵活和修改容易等优点，深受设计者喜爱。同时这种设计方法对设计者的要求较高，设计者不仅要熟练掌握Pro/E的各种应用技巧，而且要对产品有完整的构思。本文将采用由底向上的方法进行闹钟的设计。3.1 钟表的发展史闹钟是由钟表
6、演化而来，公元1300年以前，人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如，日晷是利用日影的方位计时；漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。东汉张衡制造漏水转浑天仪，用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚好转一周，这是最早出现的机械钟。北宋元祜三年(1088)苏颂和韩公廉等创制水运仪象台，已运用了擒纵机构10。1350年，意大利的丹蒂制造出第一台结构简单的机械打点塔钟，日差为1530分钟,指示机构只有时针；15001510年，德国的亨莱思首先用钢发条代替重锤，创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟；1582年前后，意大利的伽利略发明了重力摆；1657年，荷
7、兰的惠更斯把重力摆引入机械钟，创立了摆钟10。1660年英国的胡克发明游丝，并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构；1673年，惠更斯又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上；1675年，英国的克莱门特用叉瓦装置制成最简单的锚式擒纵机构，这种机构一直沿用在简便摆锤式挂钟中。695年，英国的汤姆平发明工字轮擒纵机构；1715年，英国的格雷厄姆又发明了静止式擒纵机构，弥补了后退式擒纵机构的不足，为发展精密机械钟表打下了基础；1765年，英国的马奇发明自由锚式擒纵机构，即现代叉瓦式擒纵机构的前身；17281759年，英国的哈里森制造出高精度的标准航海钟；17751780年，英国的阿诺德创造出精密
8、表用擒纵机构10。1819世纪，钟表制造业已逐步实现工业化生产，并达到相当高的水平。20世纪，随着电子工业的迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世，钟表的日差已小于0.5秒，钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期10。3.2 钟表的分类和基本工作原理钟表的应用范围很广，品种甚多，可按振动原理、结构和用途特点分类。按振动原理可分为如下两种：（1 利用频率较低的机械振动的钟表，如摆钟、摆轮钟等；（2）利用频率较高的电磁振荡和石英振荡的钟表，如同步电钟、石英钟表等；按结构特点可分为如下几种（1）机械式的，如机械闹钟、自动、日历、双历、打簧
9、等机械手表；（2）电机械式的，如电摆钟、电摆轮钟表等；（3）电子式的，如摆轮电子钟表、音叉电子钟表、指针式和数字显示式石英电子钟表等。机械钟表有多种结构形式，但其工作原理基本相同，都是由原动系、传动系、擒纵调速器、指针系和上条拨针系等部分组成。机械钟表利用发条作为动力的原动系，经过一组齿轮组成的传动系来推动擒纵调速器工作；再由擒纵调速器反过来控制传动系的转速；传动系在推动擒纵调速器的同时还带动指针机构，传动系的转速受控于擒纵调速器，所以指针能按一定的规律在表盘上指示时刻；上条拨针系是上紧发条或拨动指针的机件10。钟表要求走时准确，稳定可靠。但一些内部因素和外界环境条件都会影响钟表的走时精度。内
10、部因素包括各组成系统的结构设计、工作性能、选用材料、加工工艺和装配质量等。例如，发条力矩的稳定性，传动系工作的平稳性，擒纵调速器的准确性等都影响走时精度。外界环境条件包括温度、磁场、湿度、气压、震动、碰撞、使用位置等。例如，温度变化会引起钟表内润滑油和摆轮游丝性能的变化，从而引起走时性能的变化；湿度大会引起部分零件氧化和腐蚀等等。3.3 选择钟表的类型在现在讲求分秒的快节奏生活中，钟表成为生活中必不可少的角色，对于钟表人们不但看重它的功能，但同时也很追求它的外观造型，一个造型完美的钟表可以成为自己卧室里的一道亮丽风景，本文以工艺闹钟为例进行研究，闹钟是钟表的一种，它除了计时以外，还有定时的功能
11、，可以在设定的时间到达时叫醒主人。所谓工艺闹钟就是一种外观设计精美别致的闹钟，外观酷似一中工艺品。它的形式多样，外观精美，在现在的钟表行业中占据重要地位。下面以篮球作为整体造型的闹钟为例，介绍使用Pro/E进行产品设计的一般过程。3.4 确定工艺闹钟的元件由于该设计只注重闹钟的外观造型，对其内部结构的设计本论文不作介绍，现将闹钟外观零件以结构图形式表示，如下图1所示。工艺闹钟灯 泡支撑杆螺 钉表 针表 盘链接附件下 盖上 盖图1 工艺闹钟结构图4 实体建模三维实体建模是Pro/E中最富有特色的一个部分，它具有强大的功能。相对于二维草绘来说，三维建模涉及的知识面更加广泛，其理论知识更加丰富。其建
12、模方式最常用的就是基于特征建模和参数化设计建模。基于特征是指用户可以通过定义特征来创建零件，这些特征包括拉伸、旋转、扫描、打孔、切削和倒角等，应用十分方便。本设计主要应用基于特征建模的方式来进行实体建模16。4.1 工艺闹钟上盖设计闹钟上盖外形为一篮球，因此上盖的设计实际上就是篮球的设计，首先使用曲面的方法为篮球表面造型，包括造出下凹的条文，接下来将曲面实体化，在模型内部再使用拉伸、旋转等方法进一步创建其他特征。具体设计过程如下:（1）创建旋转曲面在Pro/E的三维建模环境下，单击按钮打开设计图标板，在图标板中单击按钮打开参照面板，单击其中的 按钮打开草绘对话框，选者基准平面TOP作为草绘平面
13、，其他设置接受系统缺省参数，单击 按钮进入二维草绘模式，绘制如图2的旋转剖面，完成后单击按钮，退出草绘模式。图2 旋转截面图完成以上操作后，在旋转图表中按照如图3所示设置特征参数，完成后单击按钮，生成如图4所示的旋转曲面特征。图3 旋转特征面板图4 旋转曲面（2）创建下凹条纹创建本特征时主要应用扫描和合并功能。首先利用草绘工具 绘制如图5所示的投影曲线。完成投影曲线后，利用编辑菜单中的投影工具 将上一步所绘制的曲线投影到图4所示的曲面上，投影结果如图6所示图5 投影曲线图6 投影后得到的曲线然后利用插入菜单中的扫描 曲面工具进行创建下凹曲面特征。具体操作如下：选折插入 扫描 曲面，打开扫描曲面
14、对话框，在菜单管理器的扫描轨迹下选择选取草绘，打开菜单管理器的链菜单，在链菜单中进行如下图所示的操作。完成上述操作后，在菜单管理器中单击完成，在方向下拉列表中选择正向，在属性下拉列表中依次选择开放终点、完成选项，然后在随后打开的草绘页面中绘制如图7所示的扫描截面图7 扫描截面完成后单击 ，生成如图8所示的曲面图8 扫描完成的曲面其他几个曲面的扫描方法与上述过程一样，这里不在具体介绍，最后得到的扫描结果如图9所示。图9 所有扫描的曲面各个曲面画好之后，利用合并工具使各个曲面合并成一个曲面，以便进行实体化和加厚操作，具体操作如下：首先选择图9所示黑色箭头所指的两个曲面，然后单击右侧工具栏上的合并
15、按钮，调整箭头方向以得到所需的合并面如图10所示。图10 合并曲面其它三个曲面的合并方法与上述合并方法一样，在这里不在一一作介绍。完成合并后，选中合并后所得到的曲面，然后选中编辑菜单中的加厚按钮 ，打开加厚控制面板，按照下图11进行设置，同时注意调整箭头方向是向曲面的内侧增加材料的。图11 加厚控制面板调整好箭头方向后，单击右下侧的完成按钮 ，得到加厚的实体如下图12所示。图12 加厚得到的实体完成以上操作后，闹钟上盖绘制的难点部分已经完成，剩余的其内部结构比较简单，都是通过拉伸、旋转而得到的，其设计过程不再一一介绍，经着色后上盖的绘制结果如下图13所示。图13 上盖4.2 下盖的绘制由于下盖
16、与上盖基本相似，所不同的是下盖多出一个底座，该底座通过旋转和拉伸命令绘制，其它部分的绘制方法与上盖绘制方法基本相似基本相似，经着色后下盖绘制结果如下图14所示。图14 下盖4.3 表盘的绘制该表盘主要的绘制比较简单，主要通过拉伸命令来建模，同时也用到了元件的阵列和镜像命令，绘制结果如下图15所示。图15 表盘以上是闹钟的主要零件，对于其剩余零件（表针、灯泡）和连接附件（支撑杆、螺钉）的设计过程这里不在介绍，设计结果详见附图。5 闹钟的装配在Pro/E中，装配是通过定义参与装配的各个零件之间的装配约束来实现的。简而言之零件之间的装配约束关系就是实际工作环境中零件之间的装配关系在虚拟设计环境中的反
17、映。因此合理的定义零件之间的装配约束关系是产品虚拟装配的关键，也是产品后续开发的关键。Pro/E提供了匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、自动9种约束方式。利用着9中约束方式可以对零件进行装配，如果想让某些零件装配后可以模拟运动仿真，那么就要对这些零件进行连接装配，Pro/E提供了刚性、销钉、滑动轴、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常规、6DOF、槽 11种连接类型。利用这些连接类型可以实现机构之间的模拟运动仿真17。本例后面还要做机构仿真，所以在此用连接方式装配。该闹钟的装配思路是先将其各个零件分别装配成子装配件，然后再将这些子装配装配成总装配，以完成闹钟的装配设计。
18、在这里主要介绍总装配的过程。（1）单击新建组件实体，取消使用缺省模板复选框，选择mmns_asm_design选项，单击确定（2）单击右工具箱中的 按钮，添加xiagai子零件，在元件放置对话框中的【约束】类型中选择缺省选项，使零件缺省放置。（3）单击右工具箱中的 按钮，添加biaopanzhichengzhuangpei子装配，在【用户定义】选项卡中选择销钉连接，然后分别选择如图16所示的两轴和两平面作为约束参照，进行相应的装配图16 装配参照一（4）单击右工具箱中的 按钮，添加shanggai子零件，在【用户定义】选项卡中选择销钉连接，然后分别选择如图17所示的两轴和两平面作为约束参照进行
19、装配。图17 装配参照二（5）装配螺钉和灯泡，在装配螺钉和灯泡时，分别应用了【元件放置】对话框中【约束类型】中的对齐和匹配。最后生成的总装配效果如图18所示。该闹钟上盖与下盖合在一起的效果图详见附图。图18 总装配图6 运动仿真使用Pro/E不仅可以进行零件建模、装配建模，还可以进行运动仿真，PRO/E中的机构分析模块（Mechanism）就是一个集运动仿真和机构分析于一身、功能强大的模块。使用该模块，可对设计模型进行仿真和分析，模拟真实环境中的工作状况对模型进行分析和判断，以验证设计的正确性，尽早发现设计中的潜在缺陷，提早进行改善和修正，缩短设计周期，降低研制成本17。 Mechanisam
20、 Design eXtention(MDX，机构设计扩展)是Pro/E包含的运动分析模块，能够对设计进行模拟仿真显示、运动干涉检测、运动轨迹、速度和加速度等。当各个零部件通过装配模块根据设计者的设计意图定义机构中的连接组成一个完整的机构后就可以在Pro/E中直接启动机构运动分析模块Mechanism，设置伺服电动机，再定义并运行机构分析，观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动，检测零部件间的干涉，还可进行各种测量，最后将分析结果保存成影片的形式17。Pro/E中运动仿真的大致过程如下：（1）在装配环境下，建立运动连接（2）进入机构运动分析环境（3）设置驱动，定义伺服电动机（4）设定分析条
21、件并运行（5）获取分析结果下面介绍对闹钟仿真的具体过程：6.1 进入机构模块在【应用程序】主菜单中选取【机构】选项，进入机构仿真界面，如下图19所示：图19 机构界面6.2 设置驱动、定义伺服电动机（1）单击【机构】工具栏的【伺服电动机】按钮 ，系统弹出【伺服电动机定义】对话框，如图20所示，同时消息区提示 。图20 选取运动轴（2）选择如图20所示箭头所指的销钉连接轴为运动轴，更改运动方向为顺时针方向，指向以洋红色箭头显示，驱动图元（主题1）以橙色加亮，参照图元（主题2）以绿色加亮。（3）单击【轮廓】选项卡，如下图21所示，在【规范】选项卡中设置类型为“速度”，【初始位置】使用默认值，【模】
22、设置为6。（4）单击 按钮，完成伺服电动机的定义，并将创建结果添加到结构模型树【电动机】/【伺服】下。图21 定义电动机对话框6.3 创建并运行运动分析（1）单击【机构】工具栏的【机构分析】按钮 ，系统弹出【分析定义】对话框，其包括三个选项卡。（2）在【类型】下，选取【运动学】命令，保留默认名称AanlysisDefinitionl，在【优先选项】选项卡上，设置终止时间为60，其它项为默认值。如图22所示。图22 分析定义对话框（3）在【电动机】选项卡上，确保列出了ServoMotor 1(伺服电动机1)。如果未列出，单击对话框右侧的 按钮，将其添加上，设置时间从开始到终止，如图22所示。（4
23、）单击 按钮，结构将根据【分析定义】对话框中的设置结果进行运动仿真，图形工作区显示机构运动的画面，在模型窗口的右下侧显示进度，如图23所示。（5）单击 按钮，完成运动分析，并将运动结果添加到机构模型树【分析】下，如图23所示图23 运行对话框以上是秒针的仿真设置过程，分针、时针设置与之类似，不在一一介绍。6.4 进行干涉检验、结果回放及捕捉（1）单击右侧工具栏上的【回放】按钮 ，打开【回放】对话框，如图24所示， AnalysisDefinition 3显示在【结果集】字段中。图25 检测设置图24 回放对话框（2）进行干涉检验。单击 按钮，打开【冲突检测设置】对话框，在【一般设置】选项中可设
24、置干涉检测的范围，进行如上页图25所示的设置，单击 按钮，系统开始进行干涉检验，一般需进行较长的时间运算，经检测该装配仿真无干涉现象。（3）回放分析结果，单击【回放】对话框中的回放按钮 ，打开【动画】对话框，单击【运行】按钮，图形区开始回放运动分析，同时显示机构中是否存在干涉区，如有干涉，干涉部分将以红色高亮显示，动画对话框如图26所示。图26 动画对话框（4）保存为影视文件，单击 按钮，打开捕获对话框，如图27所示，按图示设置完后，单击 按钮图形工作区回放分析结果，将结果保存为.mpg影视文件。图27 捕获对话框（5）回放完毕，单击 按钮，退出【动画】对话框，返回到【回放】对话框。（6）保存
25、分析结果，单击保存按钮，打开【保存分析结果】对话框，如图28所示，默认目录为当前工作目录，也可以浏览其它目录来保存文件，将结果保存为.pbk文件，接受默认名称，单击 按钮，保存分析结果。图28 保存分析结果对话框（7）单击【打开】按钮 ，并选取回放文件，可在后续进程中打开.pbk文件。（8）单击 按钮，关闭【回放】对话框。7 结束语经过几个月的努力，毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中，我学到很多有用的知识，不但了解了闹钟的基本情况和未来的发展趋势与前景,而更重要的是通过这次毕业设计，使我能够将大学期间所学的专业知识得到系统的综合应用和回顾学习，通过对闹钟外观的造型设计,使我对Pro/E操作
26、更加熟练，对Pro/E的各个模块有了更进一步的了解。我想对我以后的学习工作一定会有很大的帮助。致谢同时本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，由于他们的辛勤教育，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的悉心帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终使我的毕业论文工作顺利完成，借此机会，我向那些大学五年来关心过、指导过、给予我以帮助的老师一并表示感谢,感谢他们五年来对我的辛勤栽培。参考文献1 赵秋玲. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 机械设计实例教程M.
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28、06.38 杨青，陈东祥，胡冬梅等. 基于Pro/Engineer的三维零件模型的参数化设计J.机械设计，2006.99 张沛颀,裴建昌.Pro/ E 野火版进阶设计M.北京:人民邮电出版社，200410 张遐龄. 钟表工业史及发展趋势J .钟表工业发展史，200111 曾振祥.工业工程三维造型设计M.北京:化学工业出版社，200512 林华.工业设计造型基础M.北京:清华大学出版社，200513 刘芒果,孙玉霞. 机械CAD三维设计的研究J . 煤矿机械,2005.914 杨时兴. 基于Pro/E环境下的仿真技术浅析J .大众科学(科学研究与实践),2008.815 王军辉. 产品的虚拟装配过程J . 南京理工大学,200216 魏雪萍.Pro/ENGINEERWildfire 2.0中文版完全自学手册M .北京：人民邮电出版社，2005.517 江征风, 陈益涵. Pro/E中装配仿真的实现方法J . 自动化与仪表.2008附图附图1 灯泡附图2 表 针附图3 支撑杆附图4 合上盖后的闹钟
