目录1 绪论 (1)2 设计任务 (1)3 设计理念 (1)3.1 钟表的发展状况 (2)3.2 钟表的分类和基本工作原理 (3)3.3 选择钟表的类型 (3)3.4 确定工艺闹钟的元件 (4)4 实体建模 (4)4.1 工艺闹钟上盖设计 (4)4.2 下盖的绘制 (9)4.3 表盘的绘制 (10)5 闹钟的装配 (10)6 运动仿真 (12)6.1 进入机构模块 (13)6.2 设臵驱动、定义伺服电动机 (13)6.3 创建并运行运动分析 (14)6.4 进行干涉检验、结果回放及捕捉 (15)7 结束语 (17)致谢 (17)参考文献 (18)附图 (19)1 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，它能将所有数据放臵在单一数据库上，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]。

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15～30分钟,指示机构只有时针；1500～1510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臵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；1728～1759年，英国的哈里森制造出高精度的标准航海钟；1775～1780年，英国的阿诺德创造出精密表用擒纵机构[10]。

18～19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、使用位臵等。

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，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。

工艺闹钟上盖下表针螺钉支撑杆灯泡图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，其他设臵接受系统缺省参数，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。

完成以上操作后，在旋转图表中按照如图3所示设臵特征参数，完成后单击按钮，生成如图4所示的旋转曲面特征。

（2）创建下凹条纹首先利用草绘工具 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2 旋转截面图 图3 旋转特征面板 图4 旋转曲面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。

图5 投影曲线图6 投影后得到的曲线完成上述操作后，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。

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 按钮，调整箭头方向以得到所需的合并面如图10所示。

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进行设臵，同时注意调整箭头方向是向曲面的内侧增加材料的。

图9 所有扫描的曲面 图10 合并曲面 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。