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基于Pro/ENGINEER的法兰联结液压缸参数化设计

第三章 液压缸参数化设计

3.2 液压缸的参数化设计
3.2.1 零件的三维模型设计
零件的建模是参数化设计的前提和基础。Pro/ENGINEER是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角等完全符合工程设计人员的思维方式，这是区别于以往线框三维造型的最大特点。
下面，以设计中的端盖模型来说明Pro/ENGINEER的实体建模过程。
步骤一：开启Pro/E系统，建立一名为duangai.prt文件，如图3-1所示。

图3_1 New 对话框

步骤二：Creat → Protrusion →Revolve 如图3-2所示，建立端盖胚体。
步骤三：Creat →Hole如图3-3所示，建立光孔。
步骤四：Pattern 如图3-4所示，阵列孔。
步骤五：Creat → Round → Simple→Edge Chain→输入半径3，建立圆角。
步骤六：Creat → Chamfer → Solid→Edge→45 x 2建立倒角。

图3-4 Pattern菜单
图3-3 Hole菜单
图3-2 Revolve菜单

图3-5 端盖效果图

步骤七：保存，效果图如图3_6所示。
至此，零件图就建立完成了。
法兰联接液压缸的零件模型包括带衬套的缸头、法兰式缸体、活塞杆、衬套的耳环、端盖、A型活塞、卡键帽、挡圈、密封圈等。方法均与上例相同。

Pro/ENGINEER的基本建模命令差不多就能把液压缸中的零件建立完成了，另外有一些零部件，存在着外型之外的差异，需要加入一些关系式或程序，这些将在下一章具体介绍。

3.2.2 零件族表的建立

零件模型建立完成之后，就要在零件模型的基础上建立零件库。装配能否实现参数化或参数化程度有多高很大程度上受制于零件库的参数化程度。零件库的参数化程度不能满足装配参数化所需的要求，装配参数化也无法实现。所以，要实现液压缸的参数化，就要先打好零部件参数化的基础。
在机械设计中常常会用到很多标准件，标准件的一个重要特点是外型特征类似性大，且利用率高。对于这些零件Pro/ENGINEER引入了Family Table 模式。这样，在制作标准件或具有标准件特征的一些零部件时，工程师就不用再逐一创建每一个零件了，只要明了该零件群的异同处事先创建一个具有代表性的零件原型，以编辑族表（Family Table）的方式，将相异的尺寸、特征、参数等变化性项目填入此表内，系统就会自动读取此表内容再一一产生每一个零件。这就相当于建立了一个零件库。其流程如图3-6所示。
建造普通零件或组件

执行Family Table功能
填入例证零件名称
决定欲变化之对象
如尺寸、特征等

校验

再生成功
完成

图3-6 建立零件库流程图

建立族表最重要的一个步骤是将上一步建模时尺寸的类型由数值型转变为字符型。这里需要说明的一点是，在建模时，我们采用了Modify这个命令来实现尺寸驱动，但在这个模式下，尺寸仍然是属于数值型的，要建立能由族表驱动的实体模型必须选取字符型的参数，可以通过Modify →Dimcosmetics赋予尺寸变量名，然后才能将这些尺寸加入到族表中进行编辑。实际上，每一个尺寸生成时都具有两个类型，只是数值型的值是用户在进行Modify操作时输入的，而字符型的参数名则是尺寸在生成时，系统随机赋予的。这样，很不利于用户的识别，也不利于将来程序的调用。
给变量起名时，最好能按照工程上的习惯起名，或以易识别为原则起名，方便零件库的共享和分工合作的实现。
下面，以液压缸中的缸头为例说明建立族表的方法：
步骤一：打开已建好的零件模型gt.prt。
步骤二: Modify → Dim Cosmetics → Symbol，如图3-7所示。选取任一尺寸,在提示行中输入要赋予该尺寸的变量名,回车后,继续下一个尺寸的选取、命名，直到相异的尺寸、特征、参数等变化性项目全部命名为止。

图3-8 Family Tab界面

图3-7 Symbol菜单

步骤三: 进入Family Tab，界面如图3-8所示，点击 选取相异的尺寸、特征、参数等变化性项目，也就是上一步命名的变量。这里，可以不用把上一步命名的所有尺寸都选中，因为一些尺寸之间可以通过关系式控制。这一步是将这些项目加入到族表里，使它们成为驱动零部件库尺寸改变的项目。
步骤四：进入Pro/TABLE中记录入缸头尺寸系列，点击 添加新项，随后，按着参数名输入不同零件对应的数值，完成零件族表的建立。
步骤五：保存。
其余零件库的建立步骤相同。
缸头（如图3-9）是液压缸中比较复杂的零件之一，在这个例子里Pro/ENGINEER的参
数化功能将可以体现在将复杂建模简单化上。
图3-9 缸头效果图
图3-9 缸头效果图

3.2.3 参数化装配
装配参数化是通过用Pro/ENGINEER的自身程序模式Pro/Program实现接受缸径这一驱动参数并自动搜索相应的族表找到相应子零部件按照参数装配关系装配出相应的法兰联接液压缸。Pro/ENGINEER中的装配思想是以相互配合的两个零件的位置关系确定的。包括配合、对齐、插入、点在线上、点在面上、坐标对齐、相切和边界在面上等八种关系。与相互间的距离没有数值上的固定关系，因此，可以实现全部零件更换后的准确装配。
下面，将本设计中用到的命令简单介绍一下：
1.定义变量的命令
在Pro/ENGINEER中有三种变量：数值型（NUMBER）、 字符型（STRING）、是非型（YES_NO）型。
格式是：变量名 变量类型 如：
GANGJING NUMBER
就是定义了GANGJING 为数值型变量。
GANGJING STRING
就是定义了GANGJING 为字符型变量。
GANGJING YES_NO
就是定义了GANGJING 为是非型变量。
2.输入给定数值的命令——INPUT
在Pro/ENGINEER中引号包含的字符将会出现在提示行中，在提示行中的字符系统不但不会区分大小写，甚至连语法也不会检查。除开这种情况，Pro/ENGINEER就不再区分大小写，而语法一旦出错系统则会自动提示。
让用户从提示行输入数值的格式为：
INPUT
………………
END INPUT
省略号处是提示行将显示的内容，变量定义和提示行字符将在此输入。如：
INPUT
GANGJING NUMBER
“PLEASE EHTER THE GANGJING（100，160，220）:”
END INPUT
将来执行带该程序段的程序时,信息提示区中将会出现（如图3-10所示）

图3-10 信息提示框

可以看见,引号内的字符出现在了信息提示区的提示行上,需要输入的值就是程序中,提示行上定义的变量。
3.条件命令——IF
这个语法的逻辑和C语言等高级语言的条件语句相似，其格式为：
IF
………………
ELSE
………………
ENDIF
省略号间为执行条件和执行内容，理论上说只要语法没有错误，使用者想嵌套几层IF……ELSE语句都可以，要嵌套几层ELSE语句也都可以。不过嵌套越多维护起来越复杂复杂，且容易发生错误。
这个命令除了具有C语言等高级语言的条件语句具有的功能外还可以用来更改特征或选择某个特征是否出现，让整个设计更具有弹性!
如设计中：
IF TYPE==CT
……………………
ELSE
……………………
ENDIF
4.函数间传递参数命令——EXECUTE
这个命令只能在装配模式（Assemble）中能使用，在零件模式下则不能使用，这是使用者在使用之前必须先记得的。EXECUTE 命令的功能在于为装配件中的输入变量与零件中的变量或是子装配中的变量提供一个连接的桥梁。对于EXECUTE 命令中所传递的变量只能是相邻一层的关系，不能跳过相邻的关系而传递，如图3_11所示
不能传递参数

零件文件I
子装配文件I
装配文件

可以传递参数

零件文件II
子装配文件II

图3-11 EXECUTE 命令

在使用EXECUTE命令时，装配文件中所设置的变量，在想改变的零文件一样要有相对应的变量名称。因此，在设置时，最后都要设置成相同的变量名称。
这仅是出于EXECUTE这个命令的要求，但如果在装配文件中设置的变量和需调用的零件文件中的对应变量有相同的变量名称，会使装配文件和零件文件之间传递参数的效果更好。
这个命令让我产生这么一个设想：当我们将几个参数作为驱动参数时，我们可以把一些参数作为用户给定值而非标准值，这些值则可以由EXECUTE命令传递给零件文件。
这个命令的格式是：
在装配文件中：
EXECUTE PART 零件文件名
A1（零件文件的变量名）=A1（装配文件的变量名）
END EXECUTE
在零件文件中（接受装配文件过来的参数的对应部分）：
INPUT
A1
END INPUT
在这里，零件文件中就不再出现提示行语句的输入。
5.搜索自动适当的零件装配命令——LOOKUP_INST
这个命令是实现本设计的最关键命令。它最主要的功能是能够在由Family Table（族表）所构建得子零件库中自动搜索适当的零件来组装的命令。
其格式为：
LOOKUP_INST
（generic_name,match_mode,param_name_1,match_value_1,
param_name_2,match_value_2,………………)
括号内的各项意义如下：
generic_name：在Family Table中，产生其他子零件的原型，其扩展名为*.prt或*.asm
match_mode：此参数用来设置搜索的条件，主要分为三类：
● -1 在零件库中搜索零件时，零件的尺寸必须小于或等于我们所设置的尺寸。
● 0在零件库中搜索零件时，零件的尺寸必须等于我们所设置的尺寸。
● 1在零件库中搜索零件时，零件的尺寸必须大于或等于我们所设置的尺寸。
param_name_*：在Family Table中的变量名称。
match_value_*：设置要符合的尺寸参数。
命令中，LOOKUP_INST（……）的返回值将赋予一个变量，假定为A则该命令的完整格式为：
A=LOOKUP_INST(……)
6.最终装配程序的说明
版本编号
VERSION
REVNUM 751
指明文件表列
LISTING FOR ASSEMBLY FLGT

INPUT
WAIJING NUMBER
变量输入区
"Enter the waijing(70,110,160):"
NEIJING NUMBER
"Enter the neijing(45,70,109):"
GANGJING NUMBER
"Enter the gangjing(100,160,220):"
GANHUOJING NUMBER
"Enter the ganhuojing(50,90,130):"
变量输入区
M NUMBER
"Enter the M(52,85,125):"
D NUMBER
"ENTER THE D(12,16,24):"
END INPUT

RELATIONS
FLGT=LOOKUP_INST("FLGT.PRT",0,"DIR1",GANGJING)
定义缸体被选中的子零件的变量名
DUANGAI=LOOKUP_INST("DUANGAI.PRT",0,"DIR8",GANGJING)
定义端盖被选中的子零件的变量名
关系输入区
HS=LOOKUP_INST("HS.PRT",0,"DIR2",GANHUOJING)
定义活塞被选中的子零件的变量名
GT=LOOKUP_INST("GT.PRT",0,"DIR2",GANGJING)
定义缸头被选中的子零件的变量名
KJM=LOOKUP_INST("KJM.PRT",0,"DIR2",GANHUOJING)
定义卡键帽被选中的子零件的变量名
LUOSHUAN=LOOKUP_INST("LUOSHUAN.PRT",0,"D",D)
定义螺栓被选中的子零件的变量名
END RELATIONS

EXECUTE ASSEMBLY GAN
传入活塞杆子装配的数据
WAIJING = WAIJING
NEIJING = NEIJING
M = M
END EXECUTE

ADD FEATURE (initial number 1)
INTERNAL FEATURE ID 1
TYPE = DATUM PLANE
NAME = ASM_RIGHT
FEATURE IS IN LAYER(S) :
01__ASM_ALL_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
01__ASM_DEF_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
END ADD

ADD FEATURE (initial number 2)
INTERNAL FEATURE ID 3
TYPE = DATUM PLANE
NAME = ASM_TOP

FEATURE IS IN LAYER(S) :
01__ASM_ALL_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
01__ASM_DEF_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
END ADD

ADD FEATURE (initial number 3)
建立装配基准面
INTERNAL FEATURE ID 5
TYPE = DATUM PLANE
NAME = ASM_FRONT

FEATURE IS IN LAYER(S) :
01__ASM_ALL_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
01__ASM_DEF_DTM_PLN - OPERATION = SHOWN
END ADD

ADD FEATURE (initial number 4)
INTERNAL FEATURE ID 7
TYPE = COORDINATE SYSTEM
NAME = ASM_DEF_CSYS

FEATURE IS IN LAYER(S) :
05__ASM_ALL_DTM_CSYS - OPERATION = SHOWN
05__ASM_DEF_DTM_CSYS - OPERATION = SHOWN
END ADD

生成各零件库的相应子零件
……………………

材质定义
MASSPROP
END MASSPROP

本次设计完成了法兰联接液压缸，上述给出的程序只给出了程序的核心部分，其余的程序已程序清单中列出，如图3-12和3-13所示，系统自动装配出的不同缸径的法兰联接液压缸。

图3-12 缸径为160MM的法兰联接液压缸（3/4剖）

图3-13 缸径为220MM的法兰联接液压缸

第四章 设计中遇到的问题及解决方法

在这次设计中， 遇到了很多在将理论应用于实践之前没有想到的问题，当这些问题得到解决后，又加深了本人对Pro/ENGINEER的认识。其中，在考虑如何实现本次设计的设想这一问题上，本人就试过很多方法，但总是在重新生成时屡屡失败。深入思考之后才领悟到这是Pro/ENGINEER单一数据库造成的结果，因为，在最初，没有意识到重名会带来系统无法正确识别所选文件的后果，出于习惯，就将子零件库中的零件名以型号命名，如此一来，同一个缸的所有零件型号完全相同，系统无法识别，自然就会导致重新生成的失败。
上一章的方案论证，就是在经过了一系列失败后，深刻体会了Pro/ENGINEER与以往3D软件在数据库上的区别，也由此，做出了种种大胆的设想。Pro/ENGINEER中数据库单一这一特点，值得每一个使用者深入体会，并加以应用。
类似这样在设计遇到中的问题，还有很多，在这里，本人将介绍一个具有代表性的问题。建模中关系式的应用：
端盖有一个特点：不同缸径所用的端盖外型相似，但它们的孔的个数是不同的。见图4-1所示。

图4-1 端盖的孔数目各异

在Pro/ENGINEER中建立端盖的孔是通过阵列实现的，进行阵列时，必须给出沿周向的尺寸增量和阵列的数目，这点与以往熟悉的圆周阵列不同，Pro/ENGINEER允许任何不大于360度的周向阵列。然而，习惯上和手册上都是仅给出圆周阵列的数目，如果，我们要建立族表并将这种数目的变化直接填入表中则必须自己算出数目与增量。虽然这只是一个很简单的除法运算，但当库中文件很多时，这不但是一个烦琐的工作，而且容易出错。在Pro/ENGINEER里我们可以加入关系式解决这一问题，如图4_2和图4_3所示。
图4_2 Relations菜单

图4_3 Add菜单

图4_4 关系式行

然后，在关系式行（如图4_4）中输入关系式如下：
IN=360/N
式中IN是增量尺寸的名称，N是孔数目的尺寸名称。
这样，端盖数目各异的的问题就解决了。但是，还有一个问题，当我们选中阵列孔这一特征时，孔数目的参数有时不会显示出来，增量参数更是绝对不选中阵列孔这一特征时，孔数目的参数有时不会显示出来，增量参数更是绝对不会显示出来，即使在Programe中也没有这一参数，这时我们就必须在绘图区中再选中一个阵列出来的特征，因为这两个参数都是在阵列后才出现的有相对意义的尺寸。
在一些情况下，使用关系式可以大大减少工作量提高效率。在这样的程序里，关系式起着不可替代的作用，在某种意义上，可以说，关系式很大程度地丰富了Pro/ENGINEER的参数化、程序化。

第五章 按钮的制作

Pro/E具有强大的映射键功能。映射键就是加速键，通过定义映射键可以录制一段操作过程，当设计者再次按下映射键，系统会按照先前录制的步骤来自动操作。其实现方法为：
步骤1：开启Pro/ENGINEER，进入液压缸的装配文件。
步骤2：Utilities → Mapkeys … ，弹出Mapkeys对话框。

图6-1菜单

图6-2 对话框

步骤3：单击New按钮，弹出Record Mapkeys对话框，在Key Sequence栏中输入G1（键盘操作命令），在Name栏中输入Round。
步骤4：单击“记录”按钮，进入动作记录状态。
步骤5：对长方体倒圆角（Round），半径R1。
步骤6：单击Record Mapkey对话框中的Stop按钮、OK按钮。
步骤7：此时，在Mapkey对话框中会出现新增的Round 选项，单击Save按钮保存。
步骤8：单击Close，关闭Mapkey对话框。

下面为Round快捷键命令定制出工具条图标，方法如下：
步骤1：打开Customize对话框，选取Toolbars标签中Toolbar1工具栏，在屏幕菜单区域出现一空白工具图标，如图6-3所示。

图6-4 Round图标
图6-3空白图标

步骤2：选取Commandes 标签，在Categories栏中点选Mapkeys，在右侧Mapkeys栏中出现定制好的快捷键命令。
步骤3：选中Round选项拖动至Toolbar1的空白图标上，则空白图像变成“笑脸”图像，右键击此图标，在弹出菜单中选取Choose Button Image，屏幕上出现Button对话框。
步骤4：选中一个图象。
步骤5：单击OK，绘制出的图像替代原来的图像。选中Automatically save to复选框，上述结果自动保存，结果如图6-4所示。

结论

本次设计通过Pro/ENGINEER建立了一系列的参数化零件库，最终作出了实现复杂装配参数化的可行性方案。这不但可以在很大程度上避免工程设计人员做大量的重复性高、工作量大的工作，而且可以通过提高工作效率来降低设计成本，更好的协调分工合作。
此外，通过设计，本人加深了对Pro/ENGINEER理论知识的理解，软件应用水平也有了很大提高。培养并提高了学习、理解并接受新知识的能力、独立思考的能力、动手能力和将理论应用于实际的能力等各项综合能力受益菲浅。基本上了解了工程设计从接到课题开始到查资料、设计出若干方案、选择最终方案，直到最后解决问题完成课题的总流程，发现了自己的薄弱环节及需要培养能力的方面，这些，对今后接受新知识、解决新课题都有很大的帮助。

致 谢

在这次毕业设计过程中，得到了指导老师董黎敏的大力支持和很多帮助。尤其是在董老师十分繁忙的情况下，能够抽出宝贵时间，对我们进行无微不至的关怀与指导，在此，表示由衷的感谢。
同时，对于机械工程学院的全体老师和课题组成员的全力协助，也表示十分的感谢。

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天津理工大学本科毕业论文说明书 20