基于AutodeskInventor的千斤頂虛擬裝配技術(shù)探討

趙慧一

摘要：虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用，根源上改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的模式。這種技術(shù)可應(yīng)用的軟件較多，本篇文章基于Autodesk Inventor軟件，利用其提供的動(dòng)畫(huà)功能模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)。文章首先介紹Autodesk Inventor的動(dòng)畫(huà)功能模塊，然后再提出千斤頂虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Autodesk Inventor;虛擬裝配設(shè)計(jì);功能模塊;實(shí)體模型

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）03-0221-02

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通常是在草圖上勾勒好大致的形狀，為了驗(yàn)證產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的正確性、完整性，還要制作出實(shí)物模型來(lái)確認(rèn)設(shè)計(jì)作品的成效。通常這種設(shè)計(jì)模式，需要經(jīng)歷好幾次的修改才能得出功能較為完善的產(chǎn)品。而虛擬裝配技術(shù)，則透過(guò)軟件直接模擬設(shè)計(jì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置較為真實(shí)的模擬條件，能夠更高效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)作品的正確性、完整性。

1 Autodesk Inventor動(dòng)畫(huà)功能模塊概述

這種軟件是一種3D建模軟件，具有多種功能模塊，其中它的驅(qū)動(dòng)約束和裝配分解模塊，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中有非常突出的表現(xiàn)。首先是驅(qū)動(dòng)約束，利用這個(gè)功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的零部件運(yùn)動(dòng)模擬，同時(shí)可以根據(jù)需要增加裝配約束。軟件自動(dòng)為設(shè)計(jì)的零部件設(shè)置相互偏移距離。設(shè)置相應(yīng)的約束變量，就能很好地模擬零部件實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，以此測(cè)試設(shè)計(jì)作品的性能和結(jié)構(gòu)。其次是裝配分解，以動(dòng)畫(huà)的方式，讓使用者了解裝配體零部件之間的連接關(guān)系和相互作用。直觀地了解，各零部件組成的步驟，對(duì)于一些沒(méi)有露出在表面、容易忽略的零部件，通過(guò)裝配分解的功能模塊，能夠幫助使用者發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤[1]。

Inventor Studio功能模塊，這種模塊是環(huán)境模塊的附加功能，它能夠在原環(huán)境模塊的基礎(chǔ)之上，在進(jìn)行環(huán)境渲染和動(dòng)畫(huà)制作，使整個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品真實(shí)感更強(qiáng)，獲得的渲染圖片質(zhì)量更高。然后是運(yùn)動(dòng)仿真功能，這一功能模塊，主要是模擬真實(shí)的環(huán)境，并以構(gòu)建的產(chǎn)品模型模仿真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、升降等運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這個(gè)模塊，設(shè)計(jì)者可以知道各零部件的應(yīng)力情況，然后分析模型在進(jìn)行某一運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，所呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)載荷。這一模塊，主要測(cè)試設(shè)計(jì)產(chǎn)品的力學(xué)性能。

2 Autodesk Inventor的千斤頂虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用

所謂“千斤頂”，是一種由頂蓋、底座、旋轉(zhuǎn)桿等組成的起重設(shè)備。使用千斤頂，首先在其螺桿上部扳動(dòng)旋轉(zhuǎn)桿，在設(shè)計(jì)上考慮到底座、起重螺桿之間發(fā)生的螺紋嚙合作用，可以實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)托舉起大于自身重量的物體。

千斤頂?shù)牧慵Y(jié)構(gòu)形狀采用回轉(zhuǎn)體，在設(shè)計(jì)此類設(shè)備時(shí)，要特別注意不同角度觀察零部件銜接的合理性。使用Autodesk Inventor軟件，可以制作、生成千斤頂?shù)哪Ｐ?，并且使用相?yīng)的功能模塊，還可讓設(shè)計(jì)的千斤頂轉(zhuǎn)動(dòng)展示，由此讓設(shè)計(jì)者觀察物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和過(guò)程。鑒于以上要求，建議采用IPart、iFeature、fx的模塊，然后再建立一個(gè)Excel表格，創(chuàng)建千斤頂?shù)膮?shù)化模型。這樣設(shè)置，可以按照需要構(gòu)建不同規(guī)格的零件模型，只需要在原基礎(chǔ)上修改相應(yīng)的參數(shù)，由此簡(jiǎn)化構(gòu)件零部件模型的過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率，對(duì)于需要多次修改的模型，更有創(chuàng)建參數(shù)化模型的必要。底座還與起重螺桿使用矩形螺紋傳動(dòng)，為了強(qiáng)化設(shè)計(jì)模型的真實(shí)感，首先繪制矩形草圖，勾勒出零部件的大致形狀，然后在從“零件特征”工具欄，選擇下級(jí)工具“螺旋掃掠”來(lái)繪制零部件表面的螺紋。為了提高創(chuàng)建模型的效率，可以采用跨零件、自適應(yīng)投影功能，快速完善零部件的特征。例如，頂蓋與起重螺桿接觸面、大小相同，因此可以使用以上兩種功能創(chuàng)建零件特征。這種軟件使用竅門(mén)，對(duì)于設(shè)計(jì)擁有眾多零部件的設(shè)備來(lái)說(shuō)，有效簡(jiǎn)化其模型構(gòu)建流程[2]。

3千斤頂?shù)奶摂M裝配及干涉檢查

采用Autodesk Inventor軟件提供的裝配環(huán)境，在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，逐個(gè)添加零部件的裝配約束。例如，裝配千斤頂?shù)牡鬃c起重螺桿，首先在模型上添加平面裝配約束，然后再添加插入約束，觀察兩者在此裝配環(huán)境下，是否出現(xiàn)不能有效銜接的問(wèn)題，如果是則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

完成上述操作后，使用軟件的“干涉檢查”功能，通過(guò)這個(gè)功能模塊來(lái)確認(rèn)底座與起重螺桿之間有無(wú)干涉。需要特別注意的而是，在進(jìn)行“干涉檢查”的環(huán)節(jié)，需要記錄各零件的干涉發(fā)生次數(shù)，干涉因素應(yīng)包括零件的體積、質(zhì)心位置等參數(shù)。“干涉檢查”功能，通常用以設(shè)計(jì)前期，檢查零件之間是否存在沖突的情況，幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，針對(duì)性地修改零件模型的錯(cuò)誤，然后再使用“干涉檢查”，確保零件間無(wú)沖突狀態(tài)，方可進(jìn)入下一步操作。相比起傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，虛擬裝配設(shè)計(jì)在“干涉檢查”方面，有著更大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，不必等到制作實(shí)物模型的環(huán)節(jié)，就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。能夠及時(shí)修改和驗(yàn)證零部件缺陷。

4利用Autodesk Inventor軟件裝配分解千斤頂、動(dòng)作順序調(diào)整

4.1分解千斤頂

在菜單欄選擇創(chuàng)建帶.ipn擴(kuò)展名的模板，再然后在分屬工具欄上，選擇“表達(dá)式圖面板”→“創(chuàng)建表達(dá)視圖”→選定要裝配的千斤頂裝配文件[3]。

在操作上，首先操作螺釘沿著軸線向上移動(dòng)12.5mm的距離，這是螺距呈現(xiàn)為1.25mm，在此條件下旋轉(zhuǎn)螺釘10圈，保證裝配動(dòng)作真實(shí)感。具體操作過(guò)程：1、選定螺釘，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選中彈出選擇欄的“調(diào)整零部件位置”按鈕;2、在彈出的選擇框，先將位置參數(shù)類型設(shè)置為“線性”，在相應(yīng)的Z軸位置輸入12.5;3、當(dāng)螺釘Z軸呈現(xiàn)藍(lán)色反應(yīng)，可以按下“應(yīng)用”按鈕;4、同第一步的操作，進(jìn)入“調(diào)整零部件位置”操作，在位置參數(shù)類型設(shè)置為“旋轉(zhuǎn)”，在Z軸的參數(shù)為10*360。需要特別注意的而是，為避免螺釘在旋轉(zhuǎn)時(shí)遮擋住其他零部件的裝配效果，需要將螺釘水平移動(dòng)125mm，操作方式可以參照上述步驟進(jìn)行。

起重螺桿裝配也是需要沿著模型的軸線向上移動(dòng)，為了解這一設(shè)置的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要添加兩個(gè)約束變量來(lái)測(cè)試，即讓起重螺桿同時(shí)進(jìn)行向上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這一運(yùn)動(dòng)和分解過(guò)程，可以參考千斤頂螺釘?shù)难b配思路。在這個(gè)創(chuàng)建的起重螺桿模型中，它的螺距設(shè)置為4mm，所以在設(shè)置沿著軸線向上移動(dòng)約束變量的數(shù)值，數(shù)值應(yīng)設(shè)置為4的倍數(shù)?；谶@個(gè)要求，在彈出的設(shè)置框上設(shè)置為56mm。轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為14圈，即將56除以4得到數(shù)值。

4.2動(dòng)作順序調(diào)整

在模型動(dòng)作調(diào)整方面，主要設(shè)置向上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作，為了方便調(diào)整這些動(dòng)作的變量，應(yīng)分開(kāi)創(chuàng)建模型的兩個(gè)動(dòng)作，然后又設(shè)置為組合運(yùn)動(dòng)。具體操作如下：1、首先在瀏覽器選中漏斗形狀的圖標(biāo)，然后在彈出的下拉菜單中，選擇“順序視圖”的按鈕，顯示模式也因此變?yōu)榭梢哉故灸Ｐ蛣?dòng)作順序的視圖。通過(guò)這個(gè)視圖，能夠讓軟件使用者更加快速地管理和操作，模型所設(shè)置和添加的動(dòng)作。2、點(diǎn)開(kāi)下拉菜單的，可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)作順序的界面，出現(xiàn)默認(rèn)動(dòng)作名，如“任務(wù)1”>“順序xx”“任務(wù)2”>“順序xx”。3、選中屬于起重螺桿的向上移動(dòng)動(dòng)作，為了便于識(shí)別此項(xiàng)動(dòng)作，建議將此動(dòng)作命名為“起重螺桿向上移動(dòng)”。完成上述操作后，按住此動(dòng)作拾取鍵將這一動(dòng)作拖入起重螺桿“移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)”的組合運(yùn)動(dòng)中。

其他組合運(yùn)動(dòng)，都參考以上步驟操作，通過(guò)按住拾取鍵，調(diào)整各項(xiàng)動(dòng)作的順序和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。為了更方便地讓軟件使用者理解各項(xiàng)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，需要在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行命名。此外，還可利用Excel記錄各動(dòng)作的數(shù)值，當(dāng)設(shè)置某類動(dòng)作類型時(shí)，可以快速地選取相似動(dòng)作，稍加修改后就可使用。

5零件虛擬動(dòng)畫(huà)裝配和設(shè)計(jì)建模流程

5.1虛擬動(dòng)畫(huà)裝配

Autodesk Inventor的表達(dá)視圖子環(huán)境，可以將設(shè)計(jì)產(chǎn)品的組合零件進(jìn)行分解，為了更好地發(fā)現(xiàn)零件的細(xì)節(jié)，可以使用“設(shè)置照相機(jī)”的功能，能夠?yàn)檐浖褂谜咭圆煌嵌?、視點(diǎn)來(lái)觀察零件的組裝情況，通過(guò)視圖形象再現(xiàn)裝配體特征，由此展現(xiàn)千斤頂?shù)奶摂M動(dòng)畫(huà)裝配過(guò)程。設(shè)置好零件的分解參數(shù)，然后再設(shè)置照相機(jī)的位置（視點(diǎn)、角度），然后再點(diǎn)開(kāi)“動(dòng)畫(huà)命令”，由此生成部件的分解動(dòng)作。

使用虛擬動(dòng)畫(huà)裝配，表現(xiàn)為以下幾個(gè)流程：1、組織裝配，創(chuàng)建內(nèi)部零部件，裝入內(nèi)部參照，引用內(nèi)部部件或外部參照;2、添加裝配約束，進(jìn)行配合、表面平齊、對(duì)準(zhǔn)角度和插入;3、管理裝配的零部件，修改、替換和復(fù)制部件定義，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部化、外部化的拆離和刪除;4、裝配分析，這一過(guò)程能夠現(xiàn)顯示自由度，分析它的質(zhì)量特征，同時(shí)進(jìn)行干涉檢查和最小三維距離測(cè)試。

5.2設(shè)計(jì)建模流程

設(shè)計(jì)建模流程，需要經(jīng)過(guò)分為兩個(gè)步驟。第一步驟有以下接種流程：1、分析零件外形輪廓，定義草圖輪廓，然后下分為設(shè)計(jì)尺寸變量和施加約束;2、設(shè)計(jì)尺寸變量完成后，再進(jìn)行施加約束;3、修改約束尺寸變量。

第二步驟有以下幾個(gè)流程：1、實(shí)體拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描三維模型，然后確認(rèn)是否要繼續(xù)添加特征;2、如果需要添加特征，則進(jìn)行定義草圖平面、添加約束和尺寸變量、得到實(shí)體（三維旋轉(zhuǎn)），然后修整倒角和圓角，得到零件模型;3、如果不需要添加特征，那么直接進(jìn)入修整倒角、圓角的環(huán)節(jié)，得到零件模型。

為了提高部件建模的速度，建議構(gòu)建模型的參數(shù)，在設(shè)計(jì)類似零件的情況下，稍加修改即可，由此節(jié)省了建模和動(dòng)畫(huà)裝配的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

6 結(jié)論

綜合上述，虛擬裝配技術(shù)相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修正零部件的缺陷。同時(shí)基于Autodesk Inventor軟件的虛擬裝配，有效提升了構(gòu)建零部件模型的效率和質(zhì)量，能夠呈現(xiàn)各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)有非常大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳鋼.設(shè)計(jì)改變世界 創(chuàng)造美好未來(lái)——訪歐特克公司亞太區(qū)數(shù)字制造銷售總監(jiān)Koji Tsujino、歐特克數(shù)字制造區(qū)域銷售經(jīng)理游波[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2017（6）：40-41.

【通聯(lián)編輯：唐一東】