基于Pro/E的同心圆圆规的设计

摘 要 以同心圆圆规设计为研究对象，提出利用Pro/E进行三维建模和模型渲染，以及利用PhotoShop进行图形处理后，完成同心圆圆规的设计；从方案构思到草图设计，再到计算机辅助设计，设计过程融合工程力学、心理学、美学、视觉传达设计，表明该设计具有一定的创新性、实用性和参考价值。

关键词 便捷型同心圆圆规；Pro/E；设计；问题

圆规的发明最早可追溯至中国夏朝，是绘圆用的绘图工具。有两只脚，上端铰接，下端可随意分开或合拢，以调整所绘圆弧半径的大小。一只脚的末端为针尖，另一只脚的末端可装入绘铅笔线或墨。有的圆规装上延伸杆，可画出较大的圆。

对于现代模型设计来说，计算机设计已逐步取代传统设计中的纸和笔。计算机辅助设计能够保证设计精度，降低设计开发的成本，尤其是目前三维实体造型技术已日趋成熟，产品设计逐渐成熟化、细致化。本文主要以Pro/E为例，阐述同心圆圆规的设计过程。

1.Pro/E软件与产品设计的结合

Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品，它提出了真正的全相关性、单一的数据库、基于特征的参数化造型等概念[1]。它是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。

产品设计是艺术与技术双方面工作的有机结合，应用计算机辅助产品造型设计，可以更直接地看出产品的效果，以便修正模型；可以进行各种分析，更清楚地了解产品的缺陷，在制造物理模型之前提前解决这些问题[3]。

2.市场现有的圆规功能结构

现有的圆规主要是两只脚，在一次操作之中只能画一个圆的圆规。这样在制图过程中存在很大的不便，在机械制图中我们会遇到需要画轴承等有很多同心圆的图。如果仅仅使用现有的单脚圆规，不仅因为多次调整半径而浪费时间，而且相对精度也会降低，更重要的是多次移动圆心针尖会会纸张损坏增大，影响制图精度和美观，所以设计一款便捷型同心圆圆规是有实际需要的。

3.基于Pro/E的同心圆圆规设计

3.1 设计思路

考虑到上述问题，将原有市场上两只腿的圆规改装成三只腿的圆规，这样可以在一次之中画出两个半径不一的同心圆圆规。在基本结构上不做改变，将装铅笔芯的那支腿改成双支腿，双支腿可在上方的横梁上滑动，横梁上面刻有度量尺寸。这样不仅可以非常便捷的在一次操作之中画两个圆，误差也相对减小，而且也使纸张的完整性得到了的提高。

因此，本文设计的同心圆圆规为专业和需要经常制图的绘图人员设计，是一种减少工作量和提高工作质量的便携理想圆规。

3.2 同心圆圆规草图设计思路

草图设计是设计思想的初步表达。绘制同心圆圆规的简易原理图，将初步原理和思想表达出来。（图1）

基本原理：旋转轴旋转带动内外从动轴同时旋转，内外从动轴相对固定，从而完成同心圆绘制。

方案选择：针对内外从动轴的固定问题和圆规的整体支架问题，通过简易原理图选择了几种不同方案，并通过筛选确定出最适合的设计方案。

方案确定完成后，绘制出最终方案的简易支架图和工作状态图。（图2）

草图的设计过程旨在通过层层深入的方法将便捷型圆规的工作原理、大体结构图、基本实图以及工作状态详图展现在上方。并通过多次修改确定最终的设计方案，为下一步三维建模做好准备。

4.便捷型同心圆圆规的三维建模

计算机辅助设计为人类的生产和生活带来了许多的便利。此次同心圆圆规的设计采用实体建模方法，通过Pro/E软件将模型完成。

4.1 固定圆规两条腿的“贝”形零件的制作

该部分主要是通过在中画草绘轮廓，通过拉升制成，然后对其中间部分进行拉伸剪切。最后通过对轮廓倒角，这样便能将手抓部分制作出来。其尺寸主要见Pro/E附件。

4.2 抓手部分和固定脚部分的制作

抓手部分在用软件制作的时候，主要是通过旋转的命令制作而成。首先在草绘界面画中心轴，并且按照尺寸画出一半的形状（封闭的）通过旋转命令变能强该部分制作好。固定脚部分主要也是通过拉伸命令，然后通过拉伸剪切，最后对其进行倒角制作而成。在对这部分进行制作的时候，要特意注意一下尺寸。倒角的时候也要注意一下上下两端的不用倒角。另外，固定腿的上半部分可一通过拉伸命令制作。（图3、4）

4.3主旋转腿的制作

其做法和固定腿的做法差不多，主要就是在尺寸上面多注意一下，不要出现太大的误差。

4.4 横梁的制作

横梁主要是为了将两根画线轴固定和确定其距离。在制作横梁的时候很简单，首先在草绘区画图，然后冻过拉伸命令以及拉伸剪切命令，便能将大体形状制作出来，最后在上面剪切主来刻度，这样横梁便可制作出来。

4.5 装铅笔的轴的制作

装铅笔的轴主要有上下两部分，上部分这主要是一个圆柱，其可以通过拉伸或旋转制作。下半部分主要是装铅笔的一端，其主要是通过混合制作，然后对其进行抽壳而成。

4.6 圆规尖和模拟铅笔的制作

这个主要是通过混合命令制作而成，非常简单。（图5）

4.7 螺帽和螺杆的制作

这部分主要是通过旋转制作而得，然后通过旋转剪切。

5.造型总结

5.1 设计特点

作为一款便捷型圆规的结构设计，秉承简单、实用、舒适和便捷的设计风格，设计出的同心圆圆规在结构上和功能上满足设计出发点。整体框架结构沿袭传统圆规的简洁轻便的样式，降低生产难度和成本。

在整体设计方面体现了在结构创新方面的局限性，然而正是这种稳定的结构和让人熟悉的造型，人们更加便于接受和使用，更能随意、轻松、快捷的使用同心圆圆规。

5.2 Pro/E三维建模

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，三维建模设计的知识面更加广泛，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。

最后向大家展示的是用Pro/E制作好的便捷型同心圆圆规的模型图。（图6、7）

6.结语

Pro/E产品系列的参数比和基于特征建模的能力，能迅速完成零件的设计、装配，给设计提供了极大简便而灵活的环境。本文针对同心圆圆规的分析设计，利用Pro/E软件完成了同心圆圆规的造型设计。计算机辅助设计技术的发展日新月异，设计师越来越会借助计算机将设计造型更加的完善，造型设计在未来设计界展示给人的将是直观的和深入的。

参考文献

[1] 杨青，陈东祥，胡冬梅，等. 基于Pro/Engineer的三维零件模型的参数化设计[J]. 机械设计，2006（9）.

[2] 朱新云，顾寄南. 基于Pro/E三维模型的参数化设计技术[J]. 中国制造业信息化，2006（3）.

[3] 刘永翔，蔡硕. 计算机辅助产品造型设计[M]. 北京：机械工业出版社，2009（6）.