万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真.docx
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万向摇头风扇的结构设计及其运动仿真
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
王赛赛
学号
08116232
指导教师
职称
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
StructuralDesignandMotionSimulationoftheUniversalshakinghisheadfanbasedonPRO/E
Abstract:
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
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(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。
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”。
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(WorldWideWeb)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。
1.2.2CAD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。
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。
2Pro/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
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- 万向 摇头 风扇 结构设计 及其 运动 仿真