南京航空航天大学金城学院
毕业设计
题 目
基于三维设计软件的多功能
家用面条机的设计
学生姓名
顾金兵 20090111138
学
号 部 业 级
系
机电工程系 机械工程及自动化
20090111
专
班
指导教师
黎向锋 教授
二〇一三年六月
南京航空航天大学金城学院
本科毕业设计（论文）诚信承诺书
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目： 基于三维设
计软件的多功能家用面条机的设计）是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以 标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。
作者签名： 顾金兵 2013 年05 月 31 日
（学号）： 2009011138
毕业设计（论文）报告纸
基于三维设计软件的多功能家用面条机的设计
摘 要
针对传统手工制作面食存在的劳动强度大、工序复杂、效率低等缺陷，设计了多功能家 用面条机。运用齿轮传动、偏心轴上设置间隙调节机构及相关的机械原理，通过分析多功能 家用面条机的功能需求，对其结构进行分析，重点对其传动机构中的多对面辊和多个齿轮进 行设计，并基于 PROE等三维造型软件画出面条机传动装配图及其总装图。该面条机具有结
构紧凑、体积小、造型新颖、操作简单、维修方便、光洁卫生等特点，能压制形状整齐、厚 薄匀称的宽窄面条、饺子皮、包子皮及馄饨等多种面食，是现代家庭的好帮手。实践证明， 使用该面条机大大减轻了工人的劳动强度，生产效率提高了 4～6 倍，产品具有很大的市场 前景。
关键词：面条机，三维设计，传动机构
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毕业设计（论文）报告纸
Design on the multi-function and household-use
noodles machine
Abstract
A multi-function and household-use noodles machine was designed against the big labor
strength,complex processes and low efficiency during traditionalhandicraft creation food.By using of the gear drive, the gap adgusting structure through a camshaft and some related mechanical
principles，analyzingitsfunctionalrequirements andits structure,focusingtooptimizeitsdesignof
thedrivemechanismfor severaloppositerollers andgears,drawing its drive assembly diagramand
its general assemblydiagram basedonthe PROEsoftware.
This noodle machine has somegood characteristics,suchas a compact structure,smallvolume,
novel modeling, easy operate and maintenance, clean and health. The noodle machine can make noodles with neat shape and uniform thickness. It also can make dumpling wrapper, dough and wonton cheek. It is a good helper for modern family. Practice has proved that using this noodle machine can greatlyreduce the labor intensityandimprove the production efficiency byfour to six
times.
KeyWords：noodlesmachine；design；geardrive
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毕业设计（论文）报告纸
目 录
摘
要.................................................................................................................................................i
Abstract................................................................................................................................................ii 第一章 绪 论....................................................................................................................................1
1.1 面条的历史..........................................................................................................................1
1.2 家用面条机的市场背景研究..............................................................................................2
1.2.1 家用面条机的选题背景..............................................................................................2
1.2.2家用面条机的国内外研究概况...................................................................................2
1.2.3家用面条机的应用前景...............................................................................................2
1.3 本文主要研究内容..............................................................................................................3
第二章 家用面条机的总体结构设计................................................................................................4
2.1 家用面条机的结构分析......................................................................................................4
2.2 面条机的工作原理..............................................................................................................4
2.3 家用面条机传动机构的设计..............................................................................................5
2.3.1 面辊的设计..................................................................................................................5
2.3.2 齿轮的设计..................................................................................................................7
2.4典型偏心原理的分析.............................................................................................................9
2.5本章小结...............................................................................................................................12
第三章 面条机的的三维设计........................................................................................................13
3.1三维设计软件概述...............................................................................................................13
3.2三维设计软件Pro/E 的介绍................................................................................................13
3.3 家用面条机具体三维制图设计..........................................................................................14
3.3.1Pro/E 操作界面介绍...................................................................................................15
3.3.2 面条机关键零件的建模............................................................................................15
3.3.3面条机装配图.............................................................................................................22
3.3.4面条机总装图.............................................................................................................23
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3.3.5 面条机三维爆炸图.....................................................................................................23
3.4本章小结...............................................................................................................................24
第四章 基于有限元的关键零件应力分析....................................................................................25
4.1 有限元概述..........................................................................................................................25
4.2ANSYS 软件介绍.................................................................................................................26
4.3 宽面条主动面辊的应力分析..............................................................................................27
4.4 本章小结..............................................................................................................................36
第五章 总结与展望........................................................................................................................37
5.1 总结......................................................................................................................................37
5.2 展望......................................................................................................................................38
参考文献............................................................................................................................................39
致 谢................................................................................................................................................40
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第一章 绪 论
1.1 面条的历史
面条是一种用谷物或豆类的面粉加水磨成面团，之后压或擀制成片再切或压，或者使用
搓、拉、捏等手段，制成条状（或窄或宽，或扁或圆）或小片状，最后经煮、炒、烩、炸而 成的一种食品。面条花样繁多，品种多样。中国、阿拉伯及意大利都声称是面条的发源地， 但可考的关于面条的最早文字记录是东汉时期的中国。而且在 2005年，中国社会科学院考古
研究所研究员叶茂林在青海省民和县喇家遗址（约4000年前被地震掩埋）中发现了距今有
4000多年历史的面条，长约50厘米、宽0.3厘米，由粟制成，有最早的文字和实物佐证，很
明显面条是起源于中国。面条是一种制作简单，食用方便，营养丰富，即可主食又可快餐的 健康保健食品，早已为世界人民所接受与喜爱。在古代中国，食品卫生条件较差，相对于其 它食品而言，经过煮沸的面条最为洁净， 可以大大减少肠胃疾病的发生，因此面条成为中国 最常见的食品之一。由于制条、调味的不同，从而使中国各地出现了数以千计的面条品种， 遍及各地。著名的面条有北京的炸酱面、河北的捞面、南京的小煮面、山西的刀削面、上海 的阳春面、港台地区的担担面等，地方特色极其丰富，又如节日喜庆的长寿面，国外的香浓 意大利面，日本的日本拉面等。面条不仅含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物等多种营养 成分，而且易于消化吸收，有改善贫血、增强免疫力、平衡营养吸收等功效，所以面条备受 人们的喜爱。
图 1.1素菜面
图1.2青菜面
图1.3牛肉面
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1.2 家用面条机的市场背景研究
1.2.1 家用面条机的选题背景
随着人们生活水平的不断提高，人们对食品的口感也越来越挑剔，随之一些大型的 生产食品的机械厂都纷纷对机械进行改进，生产了各种家用的食品生产机器。众所周知， 面条是中华民族的传统美食，也是我们日常生活的主食之一， 面条不仅含有丰富的蛋
白质、脂肪、碳水化合物等多种营养成分，而且易于消化吸收，有改善贫血、增强免疫
[16]
力、平衡营养吸收等功效，所以面条备受人们的喜爱 。然而，面条好吃难做，不仅需 要和面，还要压面、切面，十分麻烦，并且如果面和不好，将严重影响面条的口感。为 了满足人们日常生活的需求，让人们方便快捷地制作出美味的面条，面条机以其方便快 捷逐渐成为了北方大部分家庭日常生活不可缺少的产品，这类产品须同时具有使用功能 及相应的审美形式，即具有物质功能和文化功能的双重属性。连路边的街边小吃都有好 多面条店，所以如何更快地制作面条成为一个热点，面条机就这样应运而生。市场上已 经出现许多如和面机、洗面机、面条机、饺子机等形状各异、种类繁多的面食品加工机 械，但是大多为大型面食品加工机械，而家用面食品节能加工机械并不多，且功能单一，
[16]
而人们对面条的需求量很大，所以研发家用面条机有很大的市场需求 。 1.2.2家用面条机的国内外研究概况
本次设计的家庭面条机主要面向的市场是个人家庭，目前现有市场同类型的面条机 体积都比较大，操作也比较复杂，且大多适合批量生产，从经济实用角度上来看大多不 太适合家用。
现有的大中型面条机在美观方面考虑地一直较少，且重量较大，不易携带，不适合
[14]
家用。这些面条机工序复杂、价格昂贵、清洁不便，家用面条机应尽量改善这些缺点 。 1.2.3家用面条机的应用前景
针对传统手工制作面食存在的劳动强度大、工序复杂、效率低、不卫生等缺陷，运 用齿轮传动、偏心轴上设置间隙调节机构及相关的机械原理，设计多功能家用面条机。 要求该面条机具有结构紧凑、体积小、造型新颖、操作简单、维修方便、光洁卫生、可 流动作业等特点，能压制形状整齐、厚薄匀称的宽窄面条、饺子皮、包子皮及馄饨等多 种面食。市场上的大中型面条机工序复杂、价格昂贵、清洁不便，小型家用面条机应尽
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量改善这些缺点。应努力达到携带方便，价格便宜，所需功率小，面条成型。可根据个 人喜欢制作出不同款式和不同营养的面条。面条在我国食品类很受欢迎。农副产品深加 工是中国十五期间重点扶持行业, 随着经济条件的改善和人们对绿色新鲜早餐的需求，该
[16]
课题市场前景广阔，具有重要的应用价值 。
1.3 本文主要研究内容
面条好吃难做，不仅需要和面，还要压面、切面，十分麻烦，并且如果面和不好，将严 重影响面条的口感。为了满足人们日常生活的需求，让人们方便快捷地制作出美味的面条，
为此开展了家用面条机的三维设计研究。传统的通用机械产品的设计是先将产品以二维平面 图的形式表达出来， 然后进行反复校核和修改，最后由加工者把图样上的内容转化为成形的 产品。这样不仅设计周期长、成本高，而且当产品制造出来后，零部件之间相互干涉，经常 会出现无法安装或装配不到位等问题，反复修改势必会延长产品投放市场的周期，应用Pro/E
等高端三维设计软件就可以很好地解决这些问题。直接采用三维设计，使设计者能够了解产 品的每一个细节，并利用其参数化设计的思想，使零件的设计、修改变得简单易行，并在后
期使用 ANSYS 有限元分析内部轴的强度。同时，还可以完成产品的系列化设计。
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第二章 家用面条机的总体结构设计
2.1 家用面条机的结构分析
面条机有三对传动装置：轧面皮机构，轧宽面条机构、轧窄面条机构。其主要包括 主动面辊、从动面辊、互相啮合的主动齿轮和从动齿轮、偏心轴、宽窄面条辊、支撑板、 侧封盖、面辊盖、进面板、驱动手柄和夹具等部件组成。面条机三对面辊并排平行分布， 布局合理易于操作；每对辊刀靠齿啮合，三对辊刀的驱动槽同放一侧，用同一个驱动手 柄来换槽操作；传动机构齿轮分布在另一侧。这样使得结构比较紧凑，操作比较方便快 捷。
图2.1面条机示意图
2.2 面条机的工作原理
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面条机是由手柄圆周搅动驱使主动面辊转动，通过带动主动齿轮和从动齿轮互相啮 合使从动辊和主动辊同速度对滚，从而进行面皮及面条的加工。
面皮厚度的调节：从动面辊套有偏心轴，偏心轴上设置有面辊间隙调节机构，在轧 面皮时通过调节此机构来改变主从面辊之间的间隙，从而来改变面皮的厚度。
面条宽度的调节：面条的宽度是由面辊齿槽宽来控制的。
2.3 家用面条机传动机构的设计
2.3.1 面辊的设计
面辊机构是通过两个压辊的相对回转，面团在摩擦力和压力的作用下在辊隙中挤压 延伸，由于辊的间隙逐渐减小，其间的压力和剪切作用逐渐加强，已完成面料在脱离压 辊后延展成厚薄均匀的面片。
面团导入力学条件分析:
图2.2 面条进入面辊示意图
1，3 压辊 ；2 面团
设P 为压辊对物料产生的径向力，T为面料受到的摩擦力，α为导入角，即压辊在
接触变形区对应压辊的中心角。f 为摩擦系数，h1 和h2 为面团导入前后的厚度。面团导
入辊隙的力学条件是Tx≥Px，分析后得到α≥(h1-h2)/1-f。
面辊原来采用普通铸铁，由于压辊尺寸较大，铸件常出现宿孔和疏松。而且硬度不 够，磨损较严重，面片很容易粘在压辊上。由于压辊在装配时，其直径大小是配合平衡
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齿轮中心距的，可调节的范围比较小，所以当出现以上问题时压辊就无法使用从而造成 浪费。同时面团中含有盐、碱及一些添加剂，对压辊有一定的腐蚀性，也减少压辊的寿 命。采用球墨铸铁作为压辊材料，其铸造加工问题得到解决，而且压辊有了足够的刚度。 压辊表面经调质后能达到很高的硬度和光滑度，大大提高了压辊的质量。随着科技发展， 新材料逐渐应用到压辊表面，大大调高了压辊表面的硬度和光滑度。
根据面皮在生活饮食操作当中的要求，一般在做饺子过程中，饺子皮的大小为 100
mm2 左右，在做混沌皮其大小在50mm 左右。综合其它面皮的需要和整个面条机的外
2
观大小，为了节省材料，设计轧面皮主动辊和从动辊为圆筒，两段分别配合驱动件和传 动件，它们以过盈配合联接，每对轧辊表面要求达到抛光。
2.2 L 145mm D 24mm
面辊（图 ）工作部位的尺寸为：轧面皮的面辊，长度 ＝ ，直径 ＝ ；
轧宽、细面条的面棍：长度L＝175mm，直径D＝17mm。
1
2
图 2.2 主、从面辊 1，主动面辊；2，从动面辊
根据面条的宽度和面辊的长度，设计了两种面辊，即宽面条辊（图2.3）和窄面条
辊（图2.4），对应面辊的齿数和齿槽深度分别为：宽面轧辊齿数Z＝16，窄面轧辊齿数
Z＝36；宽面轧辊齿槽宽深H＝2.5mm；窄面轧辊齿槽宽深H＝2.5mm。
图 2.3 宽面条辊啮合图
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图 2.4 窄面条辊啮合图
在面辊上等间距分布齿槽，为了保证每对滚刀在对滚时不产生摩擦阻力，每对齿采
[2]
用间隙配合，从而使滚切出的面条不受影响 。 2.3.2 齿轮的设计
(1) 轧面皮辊传动齿轮的设计
变位齿轮传动分三种类型：高变位传动（又称零传动）、角变位正传动和角变位负传 动。其中角变位正传动的优点为：机构更加紧凑，提高了抗弯强度和接触强度，提高了 耐磨性能，可满足中心距要求。由于面条机的轧面皮辊要压制不同厚度的面皮，即中心 距可变，所以选择角变位的正传动齿轮。为了保证齿轮传动有足够的刚度和强度，延长 使用寿命，所以齿轮材料选用45钢调质。根据轧面机主动齿轮和从动齿轮要求同速对滚，
在齿轮设计时保证主动齿轮和从动齿轮一样，即所有三对啮合齿轮传动比为1:1，所以就
[1]
可只对其一进行设计计算并校核 。
由面辊的直径尺寸D＝24mm，确定齿轮啮合中心距a＝ 24mm，选择渐开线齿轮的
[5]
模数m＝2 时，齿轮齿数z 为12mm，由公式计算齿轮其它参数 ：
ha ha*m 2mm
hf (ha*c*)m (10.25)*22.5mm
hhahf 4.5mm
d mz 12*2 24mm
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da d 2ha 242*2 28mm
db d cos24*cos2022.553mm
df (z2ha*2c*)m (122*12*0.25)*219mm
pm3.14*26.28mm
s em/2 3.14*2/2 3.14mm
考虑到轧面辊的从动齿轮上套有圆柱偏心轴，所以设计的齿轮内径以螺纹方式与轧
[5]
面辊配合，根据设计得：齿轮内径为d＝13.5mm，螺距p＝1mm的螺纹齿轮 。
传动齿轮的实体如下图2.5 所示。
图 2.5 面皮传动齿轮
（2）轧面条辊传动齿轮设计
齿轮啮合中心距a＝16mm，取m＝1.5；齿数z＝10.67，取整z=10，齿轮其它参数
如下： ha ha*m 1.5mm
hf (ha*c*)m (10.25)*1.51.875mm
hhahf 1.51.8753.375mm
d mz 1.5*1015mm
da d 2ha 152*1.5 18mm
db d cos15cos20 14.095mm
df d2hf 152*1.87511.25mm
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pm3.14*1.54.17mm
s ep/24.17/22.085mm
因为面条辊轴为实心，设计面条辊时，在其传动轴端开键槽，所以齿轮与面条辊以
[2]
键形式配合 。
轧面条传动机构齿轮的实体如图2.6 所示。
图2.6 面条传动齿轮
2.4典型偏心原理的分析
安装偏心轴就是靠它的惯性作用而不至于机器在运转到死点位置时锁机。最常见的 例子就是：家用缝纫机的脚动驱动轮的运转。而在面条机中，在从动面辊中安装偏心轴 可以实现从动面辊的自转，通过从动面辊的旋转可以调节主动面辊和从动面辊间的中心 距，从而调节面皮进入的厚度。所以安装偏心轴就先要考虑从动面辊的尺寸参数再进行
[8]
设计。另外根据安装条件及扭转强度，可选偏心轴材料为 钢 。
图2.7
偏心轴的示意图
158mm 160mm
因为从动面辊长度为 ，所以偏心轴中段设计尺寸为 即可。其左右就 为偏心轴部分，左端因为不需要与外界作用，可以把所设计尺寸压短为7mm左右，而
右端为了实现偏心原理，故要将其拉长，可为 25mm。因为偏心轴装入从动面辊中实现
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过度配合。所以其最大直径要小于从动面辊的内部圆孔的直径，但要相近。所以其最大 直径可设为10mm，偏心轴内部间的直径关系可用下图表示。
图2.8 偏心轴的左视图
7mm 1.5mm
偏心轴的直径设为 ，所以两个圆心之间距离为 。下面针对偏心原理的实现作
具体分析。
偏心轴右端与固定机构（如下图2.9所示）中的中部小孔相连，而这个固定支架通过
右侧支撑板的两个小孔固定，这样就达到了偏心轴位置不变的这个事实。
图2.9 固定夹子
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因为偏心轴固定，即偏心的那部分轴的圆心固定，就好比下图（图 2.10偏心原理图）
中左侧小圆的圆心固定不动，而偏心轴上两圆之间距离不变，所以当从动面辊圆筒旋转， 即从动面辊圆心变动时只能在小圆上运动；另外如果假设下图（图 2.10）中大圆圆心即 为主动面辊的圆心，所以从动面辊与主动面辊之间的距离就达到了变化。
图2.10偏心原理图
那么这样就实现了从动面辊与主动面辊间距离可调的功能。但是如何使其间的距离不变 又能使用要求中的六种距离呢？可以在偏心轴右侧再加上档位调节器（如下图2.11所示），
就可实现每次使用时两面辊之间的距离不变。
图 2.11 档位调节器
偏心轴右侧穿过档位调节器并与其间隙配合，而调节器上面的六个小孔正好可以和固定 夹子的支点聚合，所以就国定住了偏心轴，使其不运动，所以从动面辊与主动面辊之间的距 离就达到了恒定，为此这上面的六个孔就对应着面辊的 6个档位，实现了面辊间间隙的调节
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即压入面皮厚度的调节。通过弹簧和螺母来实现档位调节器的固定，正好可以借助弹簧的弹 力来回拉放，再选择6个档位其中一个作为支点固定某一孔来达到档位的调节选择。
2.5本章小结
本章对面条机的总体结构进行了设计计算，重点对其中的主动面辊和从动面辊、宽面条 面辊、窄面条面辊、轧面皮辊传动齿轮、轧面条辊传动齿轮进行了尺寸计算，并联系实际依 靠机械设计手册等参考工具对其中的参数进行优化设计。
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第三章 面条机的的三维设计
3.1 三维设计软件概述
三维设计是新一代数字化、虚拟化和智能化设计平台的基础。它是建立在平面和二维设 计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法。现在国内外三维设计软 件种类繁多，每种软件都有自己的优点和缺点。比较权威的绘图软件有CATIA、Pro/E、 UG、
SolidWorks、3Dmax 和AutoCAD 。其中，CAD 主要用来二维制图，是最经典的二维制图软
件，也是最基础的； UG、PRO/E、SolidWorks 和 CATIA 是主要用来三维建模的软件。
SolidWorks 是最简单好学的，但是其建模精度比较低，一般中小企业用的比较多。Pro/E是现
在比较流行的三维建模软件，各行业应用比较广泛。UG 一般大中型企业用的比较多。CATIA
适合流线型建模，比如飞机流线型翅膀，汽车的外壳等，在航空领域应用的比较多。其实现 在的三维建模软件都已经很完善了，功能也比较齐全，在进行设计时需要根据设计项目来选 择适合的三维设计软件。而3Dmax 是基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。广泛应用于
广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视 化等领域。而作为大四的我们所学的也就是 Pro/E 、UG 和CAD 这三种软件，所以作为即将
走进社会的我们需要学习更多的软件来丰富自己，来锻炼自己的实体建模能力。
3.2 三维设计软件Pro/E的介绍
Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE 一体化的三
维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造型软件领域 中占有着重要地位。Pro/Engineer 作为当今世界机械CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业
界的认可和推广，是现今主流的 CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据
重要位置，广泛应用于3C产品、汽车电子、通信、机械、模具、工业设计、航天、家电、玩
具等各行业。Pro/E可谓是全方位的三维产品开发软件，整合了零件设计、零件装配、产品设
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计、塑料模具设计、钣金设计、冲压模具设计、工程图制作、公差分析、造型设计、NC加工、
机构设计分析、动态仿真、动画制作、钣金件设计、逆向工程、自动量测、结构分析、热流 分析、简易模型分析、产品数据库管理、协同设计开发等功能于一体，其模块众多，但学习 只要认真就可掌握操作要领。另外Pro/E 软件还有下面三大优点。
第一点： 参数化设计
参数化的整体理念就是不管是有多繁杂的几何模型，我们都可以把它分解，然后用参数
完全约束。就拿产品来说，我们可以把产品看成是一个几何的模型，但是不管是有多繁杂的 几何模型，我们都可以把它来分解成有限数量的构成特征，而不管什么样的构成特征，我们 也都可以用有限的参数完全的来约束。
第二点： 基于特征建模
Pro/E 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员生成模型一般都会采用基于特征的功 能，因为它具有智能特性，例如倒角、圆角、腔、壳，你可以随心地描绘草图，很容易地改 变模型，工程设计者在设计中有了这样一个功能上的特性，在这个过程中将会使工作既简便 又灵活，省了不少事。
第三点： 单一数据库
建立在统一基层上的数据库是Pro/Engineer 的一大特征，大部分传统的CAD/CAM系统
都是建立在多量数据库上的。工程中所有的资料都来自一个库就叫做单一数据库，不管是哪 一个部门，每一个独立的用户都要为同一件产品的造型在工作着。换句话说，整个的设计过 程中无论哪一处发生变动，整个设计过程的相关环节都会前后反应出来。比如，工程详图一 旦有了改变，数控工具的路径也会自动更新；组装工程图假如有了变动，也会同样在三维模 型中。一件产品的设计结合就因为有了这样的独特的数据结构和工程设计的结合而形成了。 这样的一个特点会让设计更加完美，产品的质量也会更高，这样的产品会更好的更易的推向 市场，在价格上也会有更好的成果！
所以我自己综合上面的三个优点以及自己的熟练程度选择proe 作为我的三维设计软件。
3.3 家用面条机具体三维制图设计
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3.3.1 Pro/E 操作界面介绍
图3.1Pro/E 操作界面
图3.1为进Pro/E 界面后的画面。主画面左侧显示硬盘的部分文件夹及默认的工作目录， 入
右侧自动连接到参数科技公司的网页，若点文件夹或工作目录，则网页区会转变为信息区， 显示出文件夹或工作目录内的文件。在其操作界面共分为8个模块，分别为零件显示区、特征
[17]
显示区、浏览区、下拉式菜单、工具栏图标、图标版、动作提示区、过滤器 。 3.3.2 面条机关键零件的建模
面条机内部最基本的零件分析就是轴与齿轮的建模。以宽面条面辊三维设计为例，下面 详解其操作步骤：
第一步：打开Pro/E 软件，先设置工作目录。如图3.1所示。
第二步：点击菜单文件夹中的新建进行实体建模设置，因为实体所以选择零件单元，再 点击确定。
第三步：点击右边的拉伸图标，进行拉伸操作，选择一个面作为草绘平面。再次点击进 入平面内进行草绘操作，然后选择要进行拉伸的高度，依次打钩，确定；就可把圆柱体创建 出来。
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第四步：按照第三步操作要领在其基础上再次进行拉伸操作，并对拉伸实体进行阵列操 作。如图3.3选择要阵列的方向，选择个数，点击确定，即可完成多个圆柱的创建。
图3.2 建模零件设置
图 3.3 阵列操作示意图
第五步：根据面辊尺寸上的具体要求再进行简单的拉伸操作，即可得到实体。如下图3.4所示。
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图3.4 宽面条面辊
上面介绍了宽面条面辊的三维设计，下面就简单介绍对面辊进行驱动的手动摇杆的分析。 分析其内部结构，其设计步骤如下。
第一步：打开Pro/E 软件，先设置工作目录。
第二步：点击菜单文件夹中的新建进行实体建模设置，因为实体所以选择零件单元，再 点击确定。
第三步：进行扫描操作，点击插入中的扫描，出现选择窗口（如图3.5），选择平面来草 绘轨迹，草绘轨迹如图3.6。再选择截面操作，如图3.7。点击确定，即可完成拉伸训练。
图3.5 扫描界面
第四步：对手摇处进行操作，拉伸，指定一个平面进行拉伸再阵列。
第五步：再在其表面进行倒圆角操作，使表面光滑，实用。再进行优化，具体操作过程 见图3.8所示的模型树，可以直观看出摇杆的创建过程。最后就可以得出摇杆的三维图。
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图3.6 草图轨迹
图3.7 截面
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图3.8 模型树
图3.9 摇杆
同理，都是利用 Pro/E 软件绘制了家用面条机的主要零件的三维视图，下面就简单列出
其他重要零件的三维图。
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图3.10 面皮传动齿轮
图3.11 支撑板
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图3.12 底座
图3.13 夹具体
如图3.10所示即为面皮传动齿轮，用于连接主动面辊和从动面辊。图3.11所示的是支撑
板，即左右两端放置面辊的机构，是面条机里面的重要基础机构。其内部孔径的大小以及孔 与孔之间的距离都是根据6对面辊来设计的。图3.12所示为底板，顾名思义就是放在桌子上
用来稳定面条机的。图 3.13为夹具体，将图 3.14的夹子塞入其孔内，然后将其往上旋转，当
夹子上端连接工作台面时即可完成固定面条机的任务。
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图3.14 夹子
3.3.3面条机装配图
通过以后操作，绘制三维视图，并把其进行组装从而得到机体的传动装配图，即由面辊、 齿轮、偏心轴、换档机构、紧固机构和支撑板等组成机体传动装配图（图3.15）。
图3.15 机体传动装配图
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3.3.4面条机总装图
再由分面片、驱动手柄、夹具、侧封盖 、面辊盖、进料板和底板等组成面条机总装图（图 3.16）。
图3.16 面条机总装图
3.3.5面条机三维爆炸图
将家用面条机的总装图进行爆炸分解，得到下图所示的三维爆炸分解图。如图将总装图 进行爆炸分析，点击插入中的视图管理器，如下图3.17，右击操作，将其爆炸分离。
图3.17 视图管理器
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再进行位置的编辑，把各零件分隔开来，可以直观其爆炸分解，如下图3.18所示。
图3.18 爆炸分解图
3.4 本章小结
本章主要进行了面条机三维图的创建，从基础零件开始一步一步，再进行组装，然后对 总装图进行爆炸分解，上面只是简单地介绍这个过程，但在真正 Pro/E的建模过程中还有不
少的问题，就是操作实例的解析，该怎么操作。总体而言，面条机的大体三维机构已经建成， 后期对其结构再进行优化就可以达到预期效果。
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第四章 基于有限元的关键零件应力分析
4.1 有限元概述
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元） 逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩 阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事 力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及， 有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多 彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
有限元法可以称为有限单元法或有限元素法，其基本思想是将物体（即连续求解域）离 散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟和逼近原来的物体，从而将一 个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的数值分析法。将有限元分析法 应用到工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具，将它应用到科学研究中，可成为探 究物质客观规律的重要手段。严格来说，有限元分析必须包含三个方面：（1）有限元方法的
基本数学力学原理；（2）基于原理形成的实用软件；（3）使用时的计算机硬件。有限元法的 具体应用范围主要在如下方面。
1. 线性静力分析
这是最简单的也是最基本的也是应用最广的一类分析。主要计算结构在静力作用下的应
力和变形，从而进行产品的强度和刚度校核。
2. 动态分析
计算结构的固有特性（模态频率和模型振动），以及在动载荷激励作用下的结构的各种响 应（位移响应、速度响应、加速度响应）和动应力、动应变等。
3. 热分析
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计算在热环境下，结构或区域内部的温度分布和热流，以及和热引起的热应变和热变形。 4. 流场分析
计算流体（液体或气体）场的速度、压力分布。有限元法可计算稳态和瞬态的流场参数。 5. 电磁场计算
计算电磁场的电磁参数，包括磁场密度、电位分布以及结构的吸力特性等。 6. 非线性分析
对结构中的一些非线性现象进行分析，包括材料和几何非线性、接触非线性等。 7. 过程仿真
有限元法可对一些物理过程进行仿真，如冲压成型、金属切削、注塑成型、碰撞过程等， 以计算一些复杂的过程参数。
有限元法的优越性：由于有限元法处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现 在以下几个方面。
1. 能够分析形状复杂的结构。 2. 能够处理复杂的边界结构。 3. 能够保证规定的工程精度。 4. 能够处理不同类型的材料。
目前最流行的有限元分析软件主要有：ANSYS、ADINA、ABAQUS 和MSC四个比较知
名比较大的公司。我们初级使用者着重学习ANSYS和ABAQUS 这两大软件。这两种简单易
懂，符合大学生的基本需求。
4.2 ANSYS 软件介绍
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发。它能与多数CAD软件接口，
实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD 等，是现代
[18]
产品设计中的高级CAE工具之一 。
ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块：前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地 构造有限元模型。
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分析计算模块：包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体 动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理
[20]
介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力 。
后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、 立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结 果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS 解题步骤： 1.建模：建立几何模型 2.网格划分：形成有限元模型 3.加载：重力，位移约束，载荷约束 4.求解：指定求解的类型及选用的求解模式 5.后处理：查看结果
4.3 宽面条主动面辊的应力分析
制定分析方案。分析类型为线弹性材料，结构静力分析，3D 实体静力分析问题，选用十
[18]
节点四面体结构实体单元Tet10node92 单元（Solid92），不需要设置实常数 。
1. ANSYS 分析开始准备工作
（1）清 空数 据 库 并开 始一 个 新的 分 析： 打 开 ANSYS 软件 ， 选取 Utility
Menu>File>Clear&StartNew，弹出clearsanddatebaseand startNew 对话框，单击OK 按钮，
弹出Verify对话框，单击OK 按钮完成清空数据库。
（2）指定新的工作文件名：选取 Utillty Menu >File >Change Jobname ，弹出 Change
Jobname 对话框，在Enter NewJobname 项中输入工作文本名，本次操作可将工作文件名记
为“miangun3”，单击OK 按钮完成工件文本名的定义。
（3）指定新的分析标题：选取UtilityMenu>File> ChangeTitle ，弹出Change Title对话
框，在Enter New Title项输入标题名，本操作标题名为“3D problem”，然后点击OK 按钮完
成分析标题的定义。
（4）重新刷新图形窗口：选取UtilityMenu>Plot>Report，定义的信息显示在图形窗口中。
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（5）定义结构分析： 运行主菜单 MainMenu>Preferences，出现偏好设置对话框，赋值
分析模块为Structure结构分析，单击OK按钮完成分析类型的定义。
2. 把图形导入ANSYS 中
选择NO defeaturing ，输入 miangun3.igs 文件。选取Utility Menu>File>Import>IGES，
弹出ImputIGES File 对话框，单击OK 按钮，弹出Imput IGESFile 对话框，如图4.1所示，
在电脑的桌面文件夹上选择文件 miangun3.igs，单击 OK按钮调入此面辊模型。
图4.1 输入3D模型
3. 定义单元
运行主菜单 MainMenu>Preprocessor> ElementType>Add/Edit/Delete命令，弹出 Element
Type对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of ElementTypes 对话框，先选择单 元类型的solid，接着选择Tet10node92，单击OK按钮，完成单元类型选择，单击Close 按
钮完成设置，如图 4.2所示。
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图4.2 定义单元类型
3. 定义材料属性
运行主菜单MainMenu>Preprocessor> Preprocessor>MaterialProps>MaterialMedels 命令，
系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、
Isotropic，如图 4.3所示。
图4.3 进入材料属性设置
完成选择后，弹出材料属性对话框，分别输入弹性模量2e11，泊松比0.3，如图4.4所示，
单击OK 按钮完成材料属性输入并返回图4.2中。
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图4.4 定义材料属性
完成材料属性设置后，关闭对话框离开材料属性设置。 5划分网格
运行主菜单MainMenu>Preprocessor> Meshing>MeshTool （网格划分工具）命令，出现
MeshTool 菜单，选择 Smart Size （智能分网），选择等级 4，Mesh项选择 Volume，shape项
选择Tet、Free。单击Mesh按钮划分网格，在出现的MeshLines 对话框中单击 PICKALL
按钮，系统将自动生成完成网格划分。划分网格结果如图4.5所示。
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图4.5划分网格结果
6. 施加约束和载荷
（1）施加约束 ：执行菜单UtilityMenu>Preprocessor> Areas 显示模型为面。运行主菜
单 Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Aears，出现拾取菜 单，选择与齿轮啮合的那个面，单击OK按钮出现约束定义对话框，如图4.6所示，选择ALL
DOF 约束所有自由度，其他项默认，再单击OK 按钮，完成约束定义。
（2）施加载荷： 运行主菜单 MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structure> Pressure>OnAreas 命令，出现拾取菜单，拾取手动手柄进入那个面，单击OK 按钮出现载荷
2
定义对话框，如图4.7所示，载荷类型为压力，数值为500N/m ，再单击OK 按钮完成载荷的
施加。
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图4.6 施加约束
图4.7施加载荷
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7. 求解 运行主菜单
MainMenu>Solution>Current LS
命令，出现
SolveCurrentLoadStep
对话
框，单击STAT Command 窗口菜单/STAT Command>File >Close 关闭/STAT Command 窗口，
然后单击Solve CurrentLoadStep 菜单中OK 按钮确定，计算机开始进行求解，求解完成后出
现“solutionis done”提示表示求解完成，单击Close 按钮完成求解。
选择菜单路径MainMenu>Finish ，退出求解器。
8. 查看分析结果
（1）显示位移云图：运行主菜单 Main Menu>GeneralPostproc>Plot>Results>Contour
Plot>Nodal solu(or ElementSolu) 命令，选择DOF Solution>DisplacementVector sum合位移，
单击OK 按钮，面辊位移云图如图4.8所示。
（2）显示合应力云图：运行主菜单 Main Menu>GeneralPostproc>Plot>Results>Contour Plot>Nodal solu(or ElementSolu) 命令，选择 Stress >Von Misess Stress 合应力，单击 OK 按
钮，面辊应力云图如图4.9所示。
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图4.8 面辊位移云图
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图4.9 面辊应力云图
通过图 4.8 所示的位移图可以看出，越靠近面辊，其面辊内部的微小位移就越大，这可 能是因为与受力位置相近的缘故。而最大的位移就是在施力处附近，为 0.11*10 ，总体来说
面辊内部的微小形变不是很大，在可以承受的载荷下。而在最小位移处，也就是施加约束的 地方看上去位移近乎为0，说明约束处的变形忽略不计，符合设计要求，所以运动中的振动
[18]
分析可以不列为主要影响事件 。
-4
而通过图 3.9所示的应力云图可以看出，和位移图得出的结论不太类似，越靠近面辊施
加载荷的地方其所受的应变越小，而在施加约束处，所受的应变也是很小的。而是在施加约 束处到面辊中部的时候出现了一些大的应变，可能是由于与载荷分布不太均匀有关，所以这 样的应力才会与轴向预紧力相平衡，即作为刚体运动时要多方面考虑，不仅仅是强度的校核 更要考虑内部结构的应力的分析，这样才会很实用，可以把实际中的问题具体出来，达到用
[18]
模型分析解决问题的效果 。
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4.4 本章小结
本章利用有限元软件对宽面面条面辊进行了分析，最后得到了位移图和应力云图，得到 些结论，在施加载荷一定的范围内，面条机的工作能力是可以正常工作的，并且在载荷约束 处，即另一端与齿轮相接触的一边应变也不是很大，但要考虑，这一端到中部的面辊的微小 形变，可以在不工作的时候对其进行保养，加点润滑油，避免生锈等措施。在 ANSYS 操作 过程中也学到了有限元分析软件的功能以及操作要领，比如此次可以对面条机的各个轴进行 分析，做完这个过程，受益匪浅，要是能将其应用到生活中的每个具体机械零件的分析，该 是多么令人振奋的事啊。
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第五章 总结与展望
5.1 总结
毕业设计即将结束，这也预示着我大学学习生涯也即将结束了，通过几个月的时间完整
地完成了一次机械设计过程，提高了我综合运用所学理论知识，结合生产实际分析解决机械 设计问题的能力，并且使所学的知识得到进一步巩固、加深和扩展。
本次毕设我选的课题是基于三维软件的家用面条机的设计，在规定的要求下设计出合理、 安全、节约的机构是我这次毕业设计的主要目的。因此我到图书管借了大量相关的书籍，通 过比较各本书上相同知识不同说法的内容，选择出合理的传动方案和设计数据。当时面对浩 瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下， 终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。在搜集资料的过程中，我认真准备了一个 笔记本。我在学校图书馆，大工图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，将这些宝贵 的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这样有利于做毕业设计。 然后应用Pro/E三维设计软件进行各个零件的绘制，并将它们组装在一起。最后再对其结构进 行优化，这样就可以使设计者能够了解产品的每一个细节，并利用其参数化设计的思想，使 零件的设计、修改变得简单易行，并在后期使用ANSYS有限元分析内部轴的强度，最后完成 产品的系列化设计。在设计的过程中熟练操作了Pro/E和ANSYS这两个软件，加强了自己操作 软件的能力，相信对未来走向社会也有好处。家用面条机作为小家电，这种设计任务更能加 深我们对身边事物的关心，细心研究，相信其他的家电自己也可以分析出来。五月份，我开 始着手论文的写作，在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教 专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成形。
最后自我感觉，毕业设计就是对四年所学知识的检查，是一次综合性相当强的过程，需 要对材料、标准、力学分析、机械制图等系列方面有全面的了解。需要综合合理的利用各个 环节才能解决实际所遇到的方方面面的问题，使我将以前学过的知识复习了一遍，为今后的
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工作打下基础。运用身边所能利用的一切材料、文献、资料来解决问题是我今后工作生活中 的一个非常好的方法。
我认为这次的毕业设计工作对我个人来说是我参加工作前的一次大练兵，我不仅学会了 在学习和工作学会多思、多想和多问，而且要有团队合作精神。更重要的是让我对机械设计 知识有了更多全面的了解，并且锻炼了我的工作意志。另外再次感谢我的导师黎向锋教授在 我毕设过程中给予了很大的帮助，感谢老师！
5.2 展望
通过这次家用面条机的三维设计，可以使其参数更加具体，自己切身了解到面条机的运 动原理，而且这种机构运动简单易懂，最后所设计的面条机价格便宜，现在已经应用于市场， 这对设计者是多么欣慰的事啊。可以预见的是，将来利用电脑三维设计软件的使用能力将作 为企业招聘时主要的考核对象。只有你有足够的能力，社会就会接受你，你就能施展才能， 相信未来不仅仅在小家电行业，其他行业比如数码产品的设计，都要需要了解它们的三维立 体设计，未来的发展将更加多面化、智能化和立体化。作为即将进入社会的我们需要在设计 过程中精益求精，踏踏实实，好好工作，对得起自己的每次付出。
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参考文献
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致 谢
这次毕业设计可以圆满地完成，我首先要感谢导师黎向锋教授，我不是您最出色的学生， 而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种 良好的精神氛围。从论文题目的选定到论文写作的指导，在您悉心的点拨和帮助下，我能顺 利完成课题的研究和论文的撰写。当我有问题时，黎老师都能及时给我解答，为我指明设计 的方向，使我能够又快又好的完成本次毕业设计任务。另外还要感谢我的同窗和朋友在毕业 设计中给予我的帮助，在此还要衷心的感谢我的父母对我多年来的养育之恩和默默支持，感 谢母校南航金城学院，为我求知提供了良好的学习和生活环境，为我毕业设计课题内容提供 便利的研究条件。
最后祝愿所有的老师和同学工作顺利，身体健康，谢谢你们！
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