万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真 - 图文

湖北文理学院

毕业设计(论文)正文

题 目 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师职 称万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真

机械设计制造及其自动化

机制0812班 王赛赛 08116232 李梅 副教授

2012年5月20日

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

Structural Design and Motion Simulation of the Universal

shaking his head fan based on PRO/E

Abstract: The electric fan main components are: AC motor. Its working principle is: the electric coil in a magnetic field force. The conversion of energy form is: electric energy is converted into mechanical energy, at the same time as the coil has a resistor, so inevitably there is a part of electric energy to be converted into heat. Electric fan work (assuming the room with no external heat transfer ) indoor temperature is not reduced, it will rise. Let us together to analyze temperature rise reason: electric fan work, due to the current through the coil of wire electric fan, there is resistance, so will inevitably produce heat from heat, the temperature will rise. But why do people feel cool? Because the human body has a lot of sweat, when the fan works, the indoor air can flow together, so we can promote the rapid evaporation of sweat, combined with\cool.

Many fans on the market today have shook his head function, But shaking his head angle is 90 degrees fixed, Sometimes people want to fan shook his head angle can be adjusted, Shaking his head speed can be adjusted, When the original fixed shook his head, the angle of the fan can not meet people's needs..

In high temperature season, the electric fan is a kind of important cool tools. It has a fixed type and head shaking type style, head shaking type can only within the range of 180 DEG rotation, but by the general motors is converted into electric fan, is usually fixed.

The graduation project address this issue, the proposed design with an adjustable fan shaking his head angle, and can adjust the fan speed universal shaking of the head shaking his head fan. This device to do can also be applied to other application areas such as track lighting system, solar lighting panels, garden only irrigation system, etc. Key words: Fan；Pro/Engineer；Shake；Motion simulation；Adjusted ；Apply to

目录

1绪论 ................................................... 5

1.1本课题研究的目的和意义.............................................................................. 5 1.2国内外的研究现状及发展趋势...................................................................... 6

1.2.1 CAD产品及相关信息的可视化表达................................................... 9 1.2.2 CAD数据库的建立............................................................................. 10 1.3主要研究内容、途径及技术路线................................................................ 11

1.3.1主要研究内容..................................................................................... 11 1.3.2主要研究途径和技术路线................................................................. 11

2 Pro/E在工程产品设计中的应用简介 ............................................... 12

2.1 Pro/E在产品中的设计思路................................... 12 2.2 Pro/E自顶向下的产品设计原则和方法.......................... 12 2.3 Pro/E常用的设计流程........................................ 13

3万向摇头风扇零件的结构设计 ............................ 15

3.1万向摇头风扇总体结构分析.................................... 15 3.2电扇电机外壳设计............................................ 15 3.3风扇叶片设计................................................ 23

4万向摇头风扇的装配与运动仿真........................... 27

4.1万向摇头风扇的装配.................................................................................... 27 4.2万向摇头风扇机构运动仿真分析................................................................ 31 4.3本章小结........................................................................................................ 43

5本文总结 ............................................................................................... 44 参考文献 .................................................................................................. 45 致谢 ........................................................................................................... 46

1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(Computer Aided Design)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/E V2001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。 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。

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”。 Parametric Technology Crop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（Visual Search），行为建模技术（Behavior Modeling），形状索引（Shape Indexing），特征灵活性（Feature Agility），CDRE渲染（CDRE Rendering），疲劳预测（Fatigue Pnediction）。

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(World Wide Web)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。Web CAD系统的总体体系结构如下图1-1所示。

图1-1Web CAD系统的总体体系结构

1.2.1 CAD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Web CAD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:Solid Works的Para solid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(Virtual Reality Modeling Language)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(Drawing Web Format)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。

1.2.2 CAD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Microsoft Access、Visual FoxPro、Visual Basic、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。 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

图3-2 图3-3

图3-4 图3-5 （2） 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

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

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

（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

3-16所示的旋转曲面。

图3-15 图3-16

2）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

按钮完成合并，得到两张曲面互相修剪的实际效果，如

击合并操控板上的图3-18所示。

图3-17 图3-18

5）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。

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割（如图3-27）。

按钮完成电机外壳主体的分

图3-26 图3-27

2）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，

按

（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钮，得到电机外壳后盖部分，如图3-29所示。

图3-28 图3-29

5）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。

3.3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距值”输入框中输入130，单击

按钮，退出草绘。在弹出的“输入节

按钮或按下“回车”键，再次进入草绘，绘

按钮，退出草

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

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

图3-31

图3-32

图3-33

（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3-35单击操控板上的

3-34图形区出现阵列预览，

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

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。

图4-8

图4-9

2）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

如图4-11

3）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。

图4-12

图4-13

（3）设置运动参数和控制参数。

1）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4-14

2）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。

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。

图4-16

2）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4-17

3）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”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4-18

4）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。

1）单击右工具条上的单击

按钮，弹出如图4-20所示的“测量结果”对话框，

按钮，导入结果集AnalysisDefinition2。

图4-20

2）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。

图4-21

3）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动，是符合设计意图的。

-75

75

图4-22

4）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“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

5）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”对话框单击位置-时间轨迹曲线。

按钮，即输出如图4-24所示的摇臂摆动的

图4-24

由该轨迹曲线可以看出：电动机从运动一开始便在-180360

4.3本章小结

-180

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。

5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。

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/ENGINEER Wildfire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/ENGINEER Wildfire4.0工业设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 蔡润林.Pro/E Wildfire3.0玩具设计实例精讲[M］.北京：人民邮电出版社,2008.

[7] 林清安. Pro/ENGINEER Wildfire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/ENGINEER Wildfire4.0注塑产品造型设计[M］. 北京：清华大学出版社，2008.

[9] 韩玉龙. Pro/E Wildfire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/ENGINEER Wildfire4.0精选50例详解. [13] 齐从谦，Pro/ENGINEER Wildfire5.0 产品造型设计与机构运动仿真. [14] 王咏梅，康显丽，王瑞萍. Pro/ENGINEER Wildfire5.0 中文版零件设计实践教程.

[15] 韩玉龙. Pro/ENGINEER Wildfire4.0 零件设计高级教程.

[16] 辛栋，刘艳龙，谢龙汉. Pro/ENGINEER Wildfire4.0 中文版三维造型视频精讲.

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！

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！

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