2010 届毕业（设计）论文
题 目 基于Pro/ENGINEER的齿轮泵虚拟装配与运动仿真
专业班级 06级机制2班 学 号 2006500113 学生姓名 李跃 指导教师 刘青山 指导教师职称 副教授 学院名称 武汉工程大学
完成日期： 年 月 日
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基于Pro/ENGINEER的齿轮泵虚
拟装配与运动仿真
Virtual Assembly and Motion Simulation of the Gear Pump Based on Pro/E
学生姓名 李跃
指导教师 刘青山
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目 录
摘 要 Abstract 第一章 绪论 1.1 课题背景 1.2 齿轮泵概述
1.3 基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
1.3.1 Pro/Engineer概述
1.3.2 基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真 1.4 本文研究的内容
1.4.1 本课题要求 1.4.2 本文的主要工作 第二章 齿轮泵建模 2.1 齿轮泵骨架设计 2.2 齿轮泵主体设计 2.3 齿轮泵主体的设计 2.4 齿轮泵右盖设计 2.5 齿轮轴的设计 2.6 其它零件的设计
第三章 齿轮泵虚拟装配与干涉检测 3.1 虚拟装配
3.1.1 元件放置控制板 3.1.2 装配约束类型 3.1.3 装配连接类型 3.1.4 零件装配与连接 3.2 干涉检测 3.3 生成爆炸图
第四章 机构仿真及工作原理动画 4.1 定义齿轮副
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4.2 添加伺服电动机 4.3 运动分析 4.4 结果回放及捕捉 4.5 结果分析 第五章 总结 致谢 参考文献
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摘 要
本文介绍了利用Pro/E软件，来完成齿轮油泵三维建模设计。齿轮油泵设计主要从零件建模、装配设计、机构运动仿真、工作原理动画几个方面展开。利用Po／Engineer进行了齿轮泵的虚松装配和动态仿真，并进行复杂运动学分析，利用这种方法能及早发现设计缺陷，降低产品开发成本，缩短设计周期，可以大大提高产品的设计开发效率。
关键词：齿轮泵；虚拟装配；运动仿真
Abstract
This article describes how to use Pro/E to complete the design of three-dimensional modeling of gear pumps．The design of gear pumps， mainly began from parts modeling, assembly design，simulation of body movement， the work of several aspects of the principle of animation．Established virtual assembly mode1 of gear pumps and achieved motion simulation and analysis based on Pro/Engineer．in this way，the designer can find the disfigurement earlier，the cost of product development is reduced，and the efficiency of gear pumps design advanced greatly．
Key words：gear pump；virtual assembly；motion simulation
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第一章 绪论
1.1课题背景
本设计主要围绕齿轮泵设计这个实例展开。液压泵作为一种重要的液压元件，其规格和型号比较繁多，传统的开发过程繁琐、 效率低下、 绘图量大，Pro/E作为一款高效快捷的CAD/CAM软件，克服了以上的不足之处，大大提高设计人员的开发速度，齿轮泵因结构简单、制造方便、质量轻和体积小等特点已获得广泛应用。它是依靠密封空间在齿轮转动时容积的变化，实现机械能与工作油液输出压力能的转化，主要由端盖、泵体、传动齿轮轴、螺钉和垫片等零部件组成。随着CAX(CAD／CAM／CAE)技术的发展，3D技术在齿轮采设计过程中发挥着越来越重要的作用。本文将着重就Pro/E的实体建模、虚拟装配、机构仿真等功能进行齿轮油泵的设计。齿轮油泵包含多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法。
虚拟装配技术是利用计算机工具，而不需产品或者支持过程的物理实现，通过分析、预建模、可视化等进行或者辅助进行装配，根据产品设计的形状特征和精度特性，真实地模拟产品三维装配过程。Pro／E软件中的机构模块Mechanism，能够对设计进行模拟、仿真、校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度和加速度计算等。本文利用Pro／E进行了齿轮泵机构的虚拟装配和运动仿真，分析了装配中的干涉情况以及机构运动过程中的位移、速度和加速度情况，为齿轮泵的开发设计提供参考。
Pro/E系统是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，
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简称PTC)的产品。本软件采用单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械CAD／CAE／CAM 的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD／CAE／CAM 领域的新标准。
1.2 齿轮泵概述
齿轮泵是依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送液体或使之增压的回转泵。由两个齿轮、泵体与前后盖组成两个封闭空间，当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，而将液体挤入管路中去。吸入腔与排出腔是靠两个齿轮的啮合线来隔开的。齿轮泵的排出口的压力完全取决于泵出处阻力的大小，如图1.1。
图1.1
外啮合双齿轮泵的结构。一对相互啮合的齿轮和泵缸把吸入腔和排出腔隔开。齿轮转动时，吸入腔侧轮齿相互脱开处的齿间容积逐渐增大，压力降低，液体在压差作用下进入齿间。随着齿轮的转动，一个个齿间的液体被带至排出腔。这时排出腔侧轮齿啮合处的齿间容积逐渐缩小，而将液体排出。齿轮泵适用于输送不含固体颗粒、无腐蚀性、粘度范围较大的润滑性液体。泵的流量可至300米3/时，压力可达3×107帕。它通常用作液压泵和输送各类油品。齿轮泵结构简单紧凑,制造容易,维护方便，有自吸能力，但流量、压力脉动较大且噪声大。齿轮泵必须配带安全阀，以防止由于某种原因如排出管堵塞使泵的出口压力超过容许值而损坏泵或原动机。
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1.2.1齿轮泵工作原理
齿轮泵的概念是很简单的，即它的最基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，这个壳体的内部类似“8”字形，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间，并充满这一空间，随着齿的旋转沿壳体运动，最后在两齿啮合时排出。
在术语上讲，齿轮泵也叫正排量装置，即像一个缸筒内的活塞，当一个齿进入另一个齿的流体空间时，液体就被机械性地挤排出来。因为液体是不可压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，这样，液体就被排除了。由于齿的不断啮合，这一现象就连续在发生，因而也就在泵的出口提供了一个连续排除量，泵每转一转，排出的量是一样的。随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。泵的流量直接与泵的转速有关。
实际上，在泵内有很少量的流体损失，这使泵的运行效率不能达到100％，因为这些流体被用来润滑轴承及齿轮两侧，而泵体也绝不可能无间隙配合，故不能使流体100％地从出口排出，所以少量的流体损失是必然的。然而泵还是可以良好地运行，对大多数挤出物料来说，仍可以达到93％～98％的效率。
对于粘度或密度在工艺中有变化的流体，这种泵不会受到太多影响。如果有一个阻尼器，比如在排出口侧放一个滤网或一个限制器，泵则会推动流体通过它们。如果这个阻尼器在工作中变化，亦即如果滤网变脏、堵塞了，或限制器的背压升高了，则泵仍将保持恒定的流量，直至达到装置中最弱的部件的机械极限(通常装有一个扭矩限制器)。
对于一台泵的转速，实际上是有限制的，这主要取决于工艺流体，如果传送的是油类，泵则能以很高的速度转动，但当流体是一种高粘度的聚合物熔体时，这种限制就会大幅度降低。
推动高粘流体进入吸入口一侧的两齿空间是非常重要的，如果这一空间没有填充满，则泵就不能排出准确的流量，所以PV值(压力×流速)也是
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另外一个限制因素，而且是一个工艺变量。由于这些限制，齿轮泵制造商将提供一系列产品，即不同的规格及排量(每转一周所排出的量)。这些泵将与具体的应用工艺相配合，以使系统能力及价格达到最优。
PEP－II泵的齿轮与轴共为一体，采用通体淬硬工艺，可获得更长的工作寿命。“D”型轴承结合了强制润滑机理，使聚合物经轴承表面，并返回到泵的进口侧，以确保旋转轴的有效润滑。这一特性减少了聚合物滞留并降解的可能性。精密加工的泵体可使“D”型轴承与齿轮轴精确配合，确保齿轮轴不偏心，以防齿轮磨损。Parkool密封结构与聚四氟唇型密封共同构成水冷密封。这种密封实际上并不接触轴的表面，它的密封原理是将聚合物冷却到半熔融状态而形成自密封。也可以采用Rheoseal密封，它在轴封内表上加工有反向螺旋槽，可使聚合物被反压回到进口。为便于安装，制造商设计了一个环形螺栓安装面，以使与其它设备的法兰安装相配合，这使得筒形法兰的制造更容易。
PEP－II齿轮泵带有与泵的规格相匹配的加热元件，可供用户选配，这可保证快速加温和热量控制。与泵体内加热方式不同，这些元件的损坏只限于一个板子上，与整个泵无关。
齿轮泵由一个独立的电机驱动，可有效地阻断上游的压力脉动及流量波动。在齿轮泵出口处的压力脉动可以控制在1％以内。在挤出生产线上采用一台齿轮泵，可以提高流量输出速度，减少物料在挤出机内的剪切及驻留时间，降低挤塑温度及压力脉动以提高生产率及产品质量。
1.3基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
1.3．1 Pro/Engineer概述
Pro/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作，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能够让多个部门同时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/E V2000I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。
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1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/Engineer已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/Engineer2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
Pro/E共有六大主模块： 1.工业设计(CAID)模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用3DS可以生成实体模型，但用3DS生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用PRO/E生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上，PRO/E后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。
包括： PRO/3DPAINT(3D建模)、PRO/ANIMATE(动画模拟)、 PRO/DESIGNER(概念设计)、PRO/NETWORKANIMATOR(网络动画合成)、PRO/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、PRO/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。
2．机械设计(CAD)模块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图1中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E生成曲面仅需2步～3步*作。PRO/E生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此PRO/E可以迅速建立任何复杂曲面。
它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。包括：PRO/ASSEMBLY（实体装配）、PRO/CABLING
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（电路设计）、PRO/PIPING（弯管铺设）、PRO/REPORT（应用数据图形显示）、PRO/SCAN-TOOLS（物理模型数字化）、PRO/SURFACE（曲面设计）、PRO/WELDING（焊接设计）
3. 功能仿真(CAE)模块
功能仿真(CAE)模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近20％，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。
包括：PRO/FEM~POST（有限元分析）、PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、PRO/MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接）、PRO/MECHANICA MOTION（指定环境下的装配体运动分析）、PRO/MECHANICA THERMAL（热分析）、PRO/MECHANICA TIRE MODEL（车轮动力仿真）、PRO/MECHANICA VIBRATION（震动分析）、PRO/MESH （有限元网格划分）。
4． 制造(CAM)模块
在机械行业中用到的 CAM制造模块中的功能是NC Machining(数控加工)。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件CAMMAX，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的CAMMAX软件就是一种数控模块。
PRO/ES的数控模块包括：PRO/CASTING（铸造模具设计）、PRO/MFG（电加工）、PRO/MOLDESIGN（塑料模具设计）、PRO/NC-CHECK（NC仿真）、PRO/NCPOST（CNC程序生成）、PRO/SHEETMETAL（钣金设计）。
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5. 数据管理(PDM)模块
PRO/E的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像PRO/E家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。
它包括：PRO/PDM（数据管理）、PRO/REVIEW（模型图纸评估）。 6. 数据交换(Geometry Translator)模块
在实际中还存在一些别的CAD系统，如UGⅡ、EUCLID、CIMATRTON、MDT等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的CAD数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。
PRO/E中几何数据交换模块有好几个，如：PRO/CAT（PRO/E和CATIA的数据交换）、PRO/CDT（二维工程图接口）、PRO/DATA FOR PDGS（PRO/E和福特汽车设计软件的接口）、PRO/DEVELOP（PRO/E软件开发）、PRO/DRAW（二维数据库数据输入）、PRO/INTERFACE（工业标准数据交换格式扩充）、PRO/INTERFACE FOR STEP（STEP/ISO10303数据和PRO/E交换）、PRO/LEGACY（线架/曲面维护）、PRO/LIBRARYACCESS（PRO/E模型数据库进入）、PRO/POLT（HPGL/POSTSCRIPTA数据输出）
Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。 1.主要特性
（1）全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
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（2）基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
（3）装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
（4）易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
2.常用模块
（1）Pro/DESIGNIER 是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。
（2）Pro/NETWORK ANIMTOR 通过把动画中的帧页分散给网络中的多个处理器来进行渲染，大大的加快了动画的产生过程。
（3）Pro/PERSPECTA-SKETCH 能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。
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（4）Pro/PHOTORENDER 能够很容易的创建产品模型的逼真图象，这些图象可以用来评估设计质量，生成图片。
（5）Pro/ASSEMBLY 构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数目不受限制。装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。附加的功能还能使用户很容易的创建一组设计，有效的支持工程数据重用（EDU）。
（6）Pro/DETAIL 由于具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的能力，因而扩大了Pro/ENGINEER生成设计图纸，这些图纸遵守ANAI、ISO、DIN和JIS标准。
（7）Pro/FEATURE 允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。
（8）Pro/NOTEBOOK 以“自顶向下”的方式对产品的开发过程进行管理，同时对复杂产品设计过程中涉及的多项任务自动分配，来增强工程的生产效率。
（9）Pro/SCAN-TOOLS 满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。
（10）Pro/SURFACE 能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。 Pro/WELDINGTM 参数化的定义焊接装配体中的对接要求，使用户很容易的确认焊接点，避免装配零件与焊接点之间发生干涉，在文件编制和制造中消除错误成本。
（11）功能仿真模块 Pro/FEM-POST 用户无须离开Pro/ENGINEER环境，就能够显示高级解算器计算的有限元结果，还鼓励在产品开发早期对设计进行验证。
（12）Pro/MECHANICA CUSTOM LOADS 用户可以把自定义载荷输入，清楚的编辑和连接到Pro/MACHANICA MOTION的图形用户界面上。
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1.3．2 基于Pro/Engineer的虚拟装配与运动仿真
使用软件对设计模型进行运动仿真和有限元分析，能够模拟在真实环境工作状况并对其进行分析和研究，尽早发现设计中的缺陷，并验证产品功能和性能的可靠性，提前进行修改和优化，从而减少制造中发现问题而付出昂贵的代价，提高设计的可行性和缩短周期。
Pro/Engineer Wildfire是集CAD/CAM/CAE于一体的大型三维设计软件，其中CAE包含运动分析、结构分析和热力学分析3大部分，功能强大，采用运动、动力学的理论方法，通过CAD会出实体模型并设计出会运动的机构。对整体机构进行运动、动力学仿真，分析出如位置、速度、加速度等具有重要决定机构性能等设计参数的物理数据。目前, 利用Pro/ E 进行虚拟装配和运动仿真的基本方法资料有一些，但在虚拟装配过程中, 装配顺序和装配定位的约束关系选择是难点, 因为这要根据各零件装配关系由设计者确定, 而且各零件不同。运动仿真中的类型选择和约束位置确定,也要根据具体情况确定, 而且装配动画操作方法的资料极少。
虚拟装配是运动仿真和装配动画操作的基础, 这里简单介绍虚拟装配的步骤。(1) 选择“文件/ 新建”命令, 在新建对话框类型选项中选取“组件”模块, 子类型选项中选取“设计” , 取消“使用缺省模板” , 在名称文本框中输入装配体的文件名。(2) 在新文件选项/ 模板中选择“mmns_asm_design” 选项, 进入Pro/ E 组件模块。选择“插入/ 元件/ 装配”命令, 调入零件1模型。(3) 给零件1施加定位约束。(4) 选择“插入/ 元件/ 装配”命令, 调入零件2。(5) 给零件2进行装配定位。
运动分析可分五步, 一是创建模型: 定义主体, 生成连接或生成特殊连接。主体( Body ) 是指一个元件或彼此无相对运动的一组元件, 主体
1.4
1.4.1 本课题要求
齿轮泵因结构简单、制造方便、质量轻和体积小等特点已获得广泛应用。它是依靠密封空间在齿轮转动时容积的变化，实现机械能与工作油液输出压力能的转化，主要由端盖、泵体、传动齿轮轴、螺钉和垫片等零部件组成。随着CAX(CAD
本文研究的内容
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／CAM／CAE)技术的发展，3D技术在齿轮采设计过程中发挥着越来越重要的作用。
虚拟装配技术是利用计算机工具，而不需产品或者支持过程的物理实现，通过分析、预建模、可视化等进行或者辅助进行装配，根据产品设计的形状特征和精度特性，真实地模拟产品三维装配过程。Pro／E软件中的机构模块Mechanism，能够对设计进行模拟、仿真、校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度和加速度计算等。本文利用Pro／E进行了齿轮泵机构的虚拟装配和运动仿真，分析了装配中的干涉情况以及机构运动过程中的位移、速度和加速度情况，为齿轮泵的开发设计提供参考。
在Pro／E中，用户可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接不仅使2个构件直接接触，又使2个构件产生一定的相对运动。要使组件运动，在装配时就不能对其完全约束，而只能部分约束。即根据各组什之间的相对运动，通过“连接”设定限制组件的运动自由度。
“连接”能够限制主体的自由度，仅保留所需的自由度，以产生机构所需的运动类型。
1.4.2 本文的主要工作
1.齿轮泵零件建模设计：齿轮油泵包含20多个零部件，其设计巧妙运用
Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法： （1）齿轮泵骨架的设计；（2）齿轮油主体的设计；（3）齿轮泵左盖的设计；（4）齿轮泵右侧盖的设计（5）；齿轮轴的设计；（6）其它零件的创建，包括：螺钉、外部齿轮、平键、圆垫片、螺母、压盖、圆柱销。
2．齿轮泵装配设计：齿轮油泵的装配综合运用到无连接接口约束和连接接口约束。在进行齿轮油泵的装配前，设计者首先要对齿轮油泵进行整体的分析，要弄清楚那些元件具有运动自由度，那些元件完全约束。对于具有运动自由度的元件就要根据具体要求选择合适的连接接口，反之使用无连接接口的约束进行装配即可。
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3.对装配结果进行干涉检测，并处理相应问题； 4.齿轮泵机构仿真设计：
（1） 准备工作，设置模型显示外观； （2） 进入“机构”模块，进入机构仿真； （3） 定义齿轮副连接；
（4）“伺服电机定义” 创建驱动； （5）连接； （6）进行运动分析；
（7） 回放结果并制作多媒体播放文件。
5.齿轮泵工作原理动画设计：外啮合齿轮泵的工作原理：在泵的壳体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧有端盖盖住。壳体、端盖、齿轮的各个齿间槽组成啦许多密封工作腔。当齿轮旋转时，右侧吸油腔由于相互啮合的齿轮逐渐脱开，密封工作腔容积逐渐增大，形成部分真空，邮箱中的油液被吸进来，将齿间槽充满，并随着齿轮旋转，把油液带到左侧压油腔去。在压油区一侧，由于齿轮主逐渐进入啮合，密封工作腔容积逐渐减少，油液便被挤进去。吸油区和压油区是由相互啮合的齿轮以及泵体分割开的。
在齿轮油泵机构仿真设计中，注重运动学的仿真和数据分析，对齿轮的内部工作原理展示不充分。
第二章 齿轮泵建模
齿轮油泵包含20多个零部件，其设计巧妙运用Pro/E基于单一数据库这一特点并综合运用多种建模方法和设计方法，齿轮泵的最后设计结果如图2.1所示，组件分解图如图2.2所示。
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图2.1 齿轮泵最后设计结果
图2.2分解图
2.1 齿轮泵骨架的设计
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图2.3 齿轮泵骨架设计结果
1.新建零件文档：
1） 单击“新建”按钮打开“新建”对话框。在“类型”选项组中选取“零件”选项，在“子类型”中选取“实体”选项，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_pump”；
2） 取消“使用缺省模板”复选项，单击“确定”按钮。系统打开“新文件选项”对话框，选取其中的“mmns_part_solid”选项，再单击“确定”按钮进入三维实体建模环境[5]。 2.草绘基准曲线：
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图2.4 齿轮泵骨架草绘
1） 单击“草绘工具”按钮打开“草绘”对话框；
2） 选取基准平面FRONT作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”，进入草绘界面；
3） 在草图内绘制曲线如图2.4所示。 3.创建基准平面：
1） 单击“基准平面工具”按钮打开“基准平面”对话框； 2） 选取FRONT基准平面作为参照，设置平移距离35； 3） 单击“确定”，完成DTM1基准平面。 4.草绘曲线。
1） 单击“草绘”打开“草绘”对话框；
2） 选取DTM1作为草绘平面，其它设置接受系统默认选项，单击“草绘”； 3） 绘制如图2.5所示曲线。
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图2.5 齿轮油泵骨架草绘二
保存设计结果，作为骨架设计，关闭窗口。
2.2齿轮泵主体的设计 1.新建零件文档；
单击“新建”按钮打开新建对话框。在“类型”中选“零件”，在“子类型”中选“实体”，在“名称”文本框中输入零件名称“Gear_part_m”。 2.创建外部继承特征；
1） 单击“插入”主菜单中选取“共享数据”/“合并/继承”选项，系统打开设计图标版；
2） 单击“打开”按钮，使用浏览的方式打开上一小节设计的齿轮油泵骨架文件“Gear_pump”.同时系统打开“外部合并”对话框，在该对话框的“约束类型”下选取“缺省”选项，在系统默认位置装配齿轮油泵骨架文件；
3） 单击“外部合并”中的“确定”，单击“设计板”上的“确定”。 3.创建拉伸实体特征；
1） 单击“拉伸”打开设计板，在设计板中单击“放置”打开参照面板，单
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击其中“定义”打开“草绘”对话框，选择FRONT为草绘平面，接受其它默认设置单击“草绘”进入草绘模式；
2） 在草绘平面内使用“抓取边”工具绘制拉伸剖面图，然后单击“确定”退出草绘，调整方向输入拉伸深度“25.2”，最后创建的拉伸实体如图。再次单击“拉伸”按钮，选取上一零件端面作为草绘平面，进入草绘模式；
3） 绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入拉伸深度“25.2”，最后创建的实体特征如图所示；
4） 再次单击“拉伸”，选取上一零件右侧面为草绘平面，进入草绘模式； 5） 绘制如图所示草绘剖面图，调节拉伸方向，输入深度“9.5”，最后创建的拉伸实体如图2.6所示。
图2.6 齿轮泵主体拉伸结果
4.创建孔特征；
1） 单击“孔”打开孔设计板。单击拉伸体端面为主参照。单击“放置”打开参照面板，选取“同轴”放置类型，然后激活“次参照”，选取拉伸体轴线；
2） 完成后的“放置”，设置“形状”列表，最后完成的孔特征如图所示； 3） 再次用孔特征创建孔，如图2.7所示。 5.创建螺纹修饰特征； 6.创建倒圆角特征；
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7.补上一个拉伸切削特征，最后完成的零件图，如图2.8
图2.8 齿轮泵主体设计结果
2.3 齿轮泵左盖的设计
齿轮油泵左盖的设计同样以齿轮油泵骨架作为母体零件，综合运用拉伸、孔和镜像复制等建模方法。
（1） 新建零件文件，输入零件名称“Gear_pump_leftcover”； （2） 创建实体特征，如图2.9所示
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图2.9
齿轮泵左盖的最后设计结果，如图2.10所示。
图2.10 齿轮泵左盖最后设计结果
2.4 齿轮泵右侧盖的设计
齿轮泵右盖的设计和齿轮油泵左盖的设计相似，都是以齿轮油泵的骨架作为
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母本二进行设计的。设计步骤参照左盖设计，齿轮油泵右盖的设计结果如图2.11所示。
图2.11 齿轮泵右盖设计结果
2.5 齿轮轴的设计
齿轮轴的设计以全参数化标准直齿圆柱齿轮通用件作为母体，对齿轮通用件参数进行修改并添加必要的特征。齿轮轴的最终设计结果，如图2.12所示。
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图2.12
1.创建模数M=3,齿数Z=19,齿宽B=25.2齿轮；
2.创建实体拉伸特征，选取上一实体端面为草绘平面，绘制草图，拉伸深度为“10”；
3.创建旋转实体特征；
4.创建旋转切削特征，以切出槽；
5. 重复旋转切削，切出另一端的槽； 6. 创建键槽； 7.创建倒角特征；
8.创建螺纹修饰特征 选择“插入”、“修饰”、“螺纹”；
选取作图平面为参照面，右图面为螺纹起始面，输入深度为10，直径为12.6； 9.隐藏基准，完成齿轮轴的创建，如图2.12。
2．6 其他零件的创建
下面还有很多装配用的小零件，其建模过程不再详细介绍。只列出其最终结果，如图2.47。
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包括：螺钉、外部齿轮、平键、圆垫片、螺母、压盖、圆柱销。
图2.47 销 图2.48 箱盖
图2.49 垫片 图2.50 螺钉
图2.51 键 图2.52 齿轮
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第三章 齿轮泵虚拟装配与干涉检测
3．1 虚拟装配
3.1.1元件放置操控板
模型的装配操作是通过元件放置操控板来实现的。单击菜单【文件】→【新建】命令，在打开的对话框中选择“组件”，如图所示。单击【确定】按钮，进入“组件”模块工作环境。如图3.1
图3.1
在组件模块工作环境中，单击按钮 或单在弹出的〖打开〗对话框中选
择要装配的零件后，单击【打开】按钮，系统显示如图3.2所示的元件放置操控板。
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图3.2
3．1.2 装配约束类型
零件的装配过程，实际上就是一个约束限位的过程，根据不同的零件模型及设计需要，选择合适的装配约束类型，从而完成零件模型的定位。一般要完成一个零件的完全定位，可能需要同时满足几种约束条件。Pro/E提供的约束类型有：
1.匹配
所谓“匹配”就是指两零件指定的平面或基准面重合或平行（当偏移值不为零时两面平行，当偏移值为零时两面重合）且两平面的法线方向相反。
如图所示为使用“匹配”约束方式且偏移值为0的两面配合情况（选择圆台的上端面和直角模型底座的上表面，如图中箭头所示）。如图3.3所示。
图3.3 匹配时偏移值不为0时的两面配合情况
2．对齐
使两零件指定的平面、基准面、基准轴、点或边重合或共线。如图3.4所示为“对齐”方式且偏移值为0时两面配合情况。
图3.4 对齐时偏移值为0时的两面配合情况
3．插入
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“插入”约束使两零件指定的旋转面共旋转中心线，具有旋转面的模型有圆柱、圆台、球等。如图3.5所示为“插入”约束方式的一个例子，在选定“插入”约束后，分别选择直角模型中孔特征的内表面和圆柱模型侧表面即可完成“插入”约束组装。
图3.5
4．坐标系
使零件装配的坐标系与其装配零件的坐标系对齐，从而完成装配零件的放置。如图3.6。
图3.5
提示：
在进行“匹配”或“对齐”操作时，对于要配合的两个零件，必须选择相同的几何特征，如平面对平面，旋转曲面对旋转曲面等。
“匹配”或“对齐”的偏移值可为正值也可为负值。若输入负值，则表示偏移方向与模型中箭头指示的方向相反。
3.1.3 装配连接类型
在Pro/E中，元件的放置还有一种装配方式——连接装配。使用连接装配可利用Pro/Mechanism（机构）模块时直接执行机构的运动分析与仿真，它使用上
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一节讲的各种约束条件来限定零件的运动方式及其自由度。操控面板如下图3.6所示。
图3.6
使用该面板可以选择和设置零件间的连接类型。对选定的连接类型进行约束设定时的操作与8.2讲述的相应约束类型的操作相同，因此本节重点应理解各连接类型的含义，以便在进行机构模型的装配时正确选择连接类型。 常用的连接类型：
1.刚性：刚性连接。自由度为零，零件装配处于完全约束状态。 2.销钉：销钉连接。自由度为1，零件可沿某一轴旋转。 3.滑动杆：滑动连接。自由度为1，零件可沿某一轴平移。 4.圆柱：缸连接。自由度为2，零件可沿某一轴平移或旋转。
5.平面：平面连接。自由度为2，零件可在某一平面内自由移动，也可绕该平面的法线方向旋转。该类型需满足“平面”约束关系。
6.球：球连接。自由度为3，零件可绕某点自由旋转，但不能进行任何方向的平移。该类型需满足“点对齐”约束关系。
3.1.4 零件装配与连接
在完成各零件模型的制作之后，就可以把它们按设计要求组装在一起，成为一个部件或产品。
零件装配与连接的操作步骤如下：
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（1）新建一个“组件”类型的文件，进入组件模块工作界面。 （2）单击按钮
，装载零件模型。
（3）在元件放置操控板中，选择约束类型或连接类型，然后相应选择两个零件的装配参照使其符合约束条件
（4）单击新建约束，重复步骤(3)的操作，直到完成符合要求的装配或连接定位，单击按钮
3.1.5 虚拟装配
1. 创建组件文档，输入组件名称“Gear_pump_model”； 2. 在默认位置装配齿轮油泵主体；
单击“添加元件”按钮，打开下设计板，选择缺省，以在默认位置装配泵的主体。
3. 向组件中装配销；
使用“插入”“对齐”“对齐”三种约束装配销钉，使其高出端面“8”。 4. 重复装配销钉；
选中前面装配好的销钉零件，然后在“编辑”中选取“重复”打开“重复元件”对话框。
按住“ctrl”键，选中“插入”和“对齐”两种约束方式。单击添加，共装配4根销钉。
5. 向组件中装配齿轮油泵左盖；
使用“匹配”“插入”“插入”三种约束。 6. 向组件中装配齿轮轴一；
1） 单击右工具箱中的“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵文件Gear_shaft_1；
2） 在系统打开的设计板上的“用户定义”中选取“销钉”连接类型； 3）完成“放置”列表，装配结果如图3.7。
，完成本次零件的装配或连接。
（5）重复步骤 （2）--（4），完成下一个零件的组装。
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图3.7装配齿轮轴一
7.向组件中装配齿轮轴二；
1） 单击右工具箱中“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Geat_shaft_2；
2） 在系统打开的装配设计板上的“用户定义”下拉菜单中选取“销钉”连接类型；
3） 在设计板上单击“移动”按钮，打开“移动”列表。在该列表的“运动类型”选项中选取“旋转”选项，然后选中“运动参照”副选项；
4） 根据系统提示选shaft_1的轴线作为旋转运动参照，然后在工作区中旋转齿轮轴二，使两齿轮正确啮合，最后的啮合结果如图3.8。
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图3.8装配齿轮轴二
8. 向组件中装配齿轮油泵右盖；
1） 单击“向组件中添加元件”按钮，使用浏览方式打开齿轮油泵零件文件Gear_pump_rightcover；
2） 在系统打开的装配设计板上单击“放置”按钮，然后在“放置”列表的“约束类型”下拉菜单中选取“对齐”约束类型，然后分别选取轴A8和A15作为约束参照。新建“对齐”约束选取轴A9和A16作为约束参照；
3） 新建“匹配”约束类型，选取油泵主体端面和右盖端面，输入偏距“0”；
4） 最后完成的“放置”列表如下图，最后装配结果如图3.9。
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图3.9装配右盖
10. 装配螺栓；
1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开“blot.prt”； 2） 使用“对齐”约束，选取螺栓轴线和螺栓孔轴线； 3） 使用“匹配”约束，选取螺栓头下端面和螺栓孔上端面。 11.重复装配螺栓；
12. 向组件中装配压紧螺母；
1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件Pack； 2） 使用“插入”和“匹配”两中约束选取相应参照。 13． 在元件之间进行布尔运算 同步骤9一样，切除压紧螺母； 14. 装配键；
1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件key； 2） 使用“匹配”“匹配”“匹配”三种约束方式选取相应参照。 15.装配齿轮；
1） 单击“向组件中添加元件”按钮，打开齿轮油泵零件文件gear； 2） 使用“对齐”“匹配”“匹配”三种约束方式选取相应参照。 16. 装配垫片；
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17. 装配螺母； 18. 影藏曲线特征。
1） 在模型树上选中“pack”元件，单击右键，选取“打开”打开该元件； 2) 单击“层”按钮，系统显示“层树”窗口。选取“PRT_ALL_CURVES”,单击右键选取保存；
3) 在空白处单击右键，选取“保存状态”；
4) 接着保存对“pack”元件的修改结果，最后的组件显示结果如图3.10。
图3.10齿轮泵设计结果
3.2 干涉检测
Pro/E提供了【干涉】基础功能作装配件分析，辅助对产品设计的检验。 当希望在一个模型中显示每个零件或次组件之间的干涉状况时，可以运行此功能。在【模型分析】对话框中的【类型】栏中选择【全局干涉】，可对装配模型进行干涉检验。使用干涉分析时的【模型分析】对话框，可以计算出零件间、装配件间的干涉数据。装配过程中检测螺钉连接时出现干涉情况，如图3.11所示。
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图3.11 干涉图
干涉检查后，零件装配流畅，如图3.12所示
图3.12 干涉检查之后
3.3 生成爆炸图
（1） 从菜单栏中选择“视图”“分解”“编辑位置”命令，打开分解
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位置对话框；
（2） 在“分解位置”对话框中，设置“运动类型”等选项组用来调整爆炸图中个元件的位置，得到满意位置后，点击“确定”按钮。
编辑爆炸图完成后，得到分解视图下的齿轮油泵装配爆炸图，效果如图3.11。
图3.11
第四章 机构仿真及工作原理动画
4.1 定义齿轮副
在“应用程序”主菜单中选取“机构”选项，进入机构仿真界面。 1.单击“定义齿轮副连接”按钮，打开“齿轮副定义”对话框，如图4.1，4.2；
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图4.1“齿轮定义”对话框 图4.2“齿轮定义”对话框
2.定义齿轮1选项卡，选 “gear_shft_1”为运动轴，节圆直径“27”，如图39；
3.定义齿轮2选项卡，选 “gear_shft_2”为运动轴，节圆直径“27”，如图40；
4.打开“属性”选项卡，在“齿轮比”选项组中选取“节圆直径”选项。
4.2 添加伺服电动机
1. 单击“
”按钮，系统弹出“伺服电机定义”对话框；
2. 在“从动图元”选项组中选取“连接轴”选项，然后选取“gear_shaft_1”的轴线作为连接轴；
3. 在“伺服电机定义”对话框中打开“轮廓”选项卡，在“规范”中选“速度”选项在“模”中选“斜坡”，并将“A”值设为“5”，“B”值设为“5”完成后的对话框如图4.3；
图4.3 “电机定义”对话框
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4. 完成所以设置后在“伺服电机定义”对话框中单击“确定。
4.3 运动分析
1. 单击
按钮，系统弹出“分析定义”对话框，将系统默认的
“AnalysisDefinition1”改为“pump_emluation”,接受系统默认的“分析类型”和“开始时间”。设置运动的“终止时间”为30，“帧频”为5。接着单击“运行”按钮，观察齿轮油泵的运动情况。
2. 完成上述操作后，单击“确定”按钮关闭“分析定义”对话框，完成运动分析创建。
4.4 结果回放及捕捉
1.单击“回放以前的运动分析”按钮，系统弹出如图所示“回放”对话框，单击其中“回放”按钮，打开如图所示“动画”对话框如图4.4；
图4.4
2） 在动画对话框中可以单击“播放”按钮观察仿真结果；单击“停止”按钮结束运动仿真；单击“捕获”按钮打开“捕获”对话框如图所示。单击其中的“浏览”按钮，弹出“保存副本”对话框，在次选择文件的保存路径，选择保存格式并填写文件名称。完成后单击“捕获”对话框中的“确定”按钮，开始媒体播放文件的制作。
4.5 结果分析
1.在“机构”工具栏中单击
按钮，系统将弹出如图4.5所示对话框，单
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击
“新建”按钮，将弹出如图4.6对话框，将系统默认的“measurel”改为
“位置”，选择主动轴为连接轴。单击“确定”按钮退出。
2.在“测量结果”对话框中多出“位置”，双击结果栏中的pump_emluation，系统将自动计算结果并将结果显示在“测量”列表中的“值”栏中，如图4.7所示。
图4.5
图4.6
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图4.7 位移分析图
3.重复1、2操作，测量出速度及加速度图，如图4.8，图4.9所示。
图4.8
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图4.9
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第五章 总结
大学的四年学习中，老师给予了我们许多帮助，教给我们许多为人处世的道理，传授给我们许多理论知识，我们在各方面都得到了很大的进步。我们从心底感谢四年来老师对我们的谆谆教诲，感谢学校为我们提供了一个良好的学习环境。四年中我们所学到的扎实的专业理论知识，为我们能拟写出优秀的毕业论文打下了坚实的基础，也为我们能顺利地走上工作岗位提供了保障。
本次毕设主体为基于Pro/E的虚拟装配与运动仿真，本文详细介绍了齿轮泵的三维设计，从零件建模、零件装配设计到机构仿真。其中齿轮轴的设计采用了参数化设计，参数化设计是Pro/E的一个重要特点。完成零件设计后，将设计的零件按设计要求的约束条件或连接方式装配在一起才能形成一个完整的产品或机构装置。利用Pro/E提供的“组件”模块可实现模型的组装。在Pro/E系统中，模型装配的过程就是按照一定的约束条件或连接方式，将各零件组装成一个整体并能满足设计功能的过程。在零件建模阶段要特别注意零件的尺寸配合，这样装配阶段在干涉检查方面才便于解决问题，重点描述了齿轮泵工作原理的动画设计，通过直观的三维动画，了解齿轮泵的运行及工作原理。
关于Pro/E的运动仿真在其他方面还会有许多应用，此次毕业设计对于自己有很大的意义，自己对虚拟装配与运动仿真也有了更多的认识与了解，受益匪浅。
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致谢
本次毕业设计是在指导老师的悉心指导下完成的。指导老师具有严谨的治学态度和较高的理论水平，在治学及做人方面使我受益匪浅。衷心感谢老师对我的关心指导和帮助。同时对于大学几年来关心过、指导过、给予我以帮助的老师一并表示感谢。非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的环境条件。通过这次毕业设计，不但使我能够将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。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，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。我对指导老师表示崇高的敬意和诚挚的感谢！
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