福州機(jī)電工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校　官云琴

Autodesk Inventor中基于多實(shí)體的自頂向下三維模型設(shè)計(jì)

福州機(jī)電工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校官云琴

該文針對(duì)Autodesk Inventor中基于多實(shí)體的自頂向下三維模型設(shè)計(jì)，描述了建模思路，并結(jié)合鼠標(biāo)模型、章魚(yú)音箱模型進(jìn)行詳細(xì)剖析，總結(jié)出采用多實(shí)體自頂向下三維建模的優(yōu)勢(shì)。

Autodesk Inventor多實(shí)體建模自頂向下三維模型

目前，市場(chǎng)上常用的三維軟件有很多，包括Solidworks、Solidedge、MDT、Pro-e、3ds max、Inventor等。其中，Inventor是美國(guó)Autodesk公司推出的三維工程設(shè)計(jì)類軟件，作為一款參數(shù)化的三維實(shí)體建模軟件，它提供了從草圖設(shè)計(jì)到零件設(shè)計(jì)、零件裝配、分析計(jì)算、視圖表達(dá)、工程圖設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、應(yīng)力分析、三維布線、三維布管等全過(guò)程，所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)能用于加工、制造。在數(shù)據(jù)移植方面，Inventor軟件能夠?qū)?、?dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式，如IGES、Parasolid、ACIS、STEP等。同時(shí)，作為已經(jīng)成為二維設(shè)計(jì)軟件業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的AutoCAD的“近親”，Inventor軟件能夠毫發(fā)無(wú)損地讀取來(lái)自AutoCAD的二維數(shù)據(jù)。

1　采用多實(shí)體零件建模的意義

傳統(tǒng)的零件建模采用自下而上的設(shè)計(jì)模式，就是在零件環(huán)境中將每一個(gè)零件進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后在裝配環(huán)境中進(jìn)行裝配。采用這種方式建模，在實(shí)際零件繪制過(guò)程中常常會(huì)忘記零件之間的配合尺寸，或者在不斷的修改、切換過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成后期裝配過(guò)程中出現(xiàn)尺寸不匹配，導(dǎo)致無(wú)法正確裝配，只能進(jìn)行返工，無(wú)形中大大降低了建模的效率。

多實(shí)體零件建模采用的是一種自上而下的設(shè)計(jì)模式，對(duì)比傳統(tǒng)的自下而上零件建模，它能夠在單個(gè)零件文件中創(chuàng)建和定位多個(gè)實(shí)體。在多實(shí)體創(chuàng)建過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可以很方便地通過(guò)瀏覽器列表控制每個(gè)實(shí)體的可見(jiàn)性，并根據(jù)需要定義各個(gè)實(shí)體的單獨(dú)顏色樣式。

采用多實(shí)體零件建模進(jìn)行三維軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的流程一般是從成品的外部形狀開(kāi)始的，隨著設(shè)計(jì)的深入來(lái)詳細(xì)設(shè)計(jì)制作單個(gè)零件，這就要求設(shè)計(jì)者首先了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，明晰并構(gòu)思好產(chǎn)品各個(gè)零件間的裝配和位置關(guān)系，充分了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，然后才能利用軟件提供的強(qiáng)大設(shè)計(jì)功能及編輯工具，把設(shè)計(jì)意圖反映到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。

2　基于多實(shí)體的自頂向下設(shè)計(jì)模式

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)采用的是自底向上設(shè)計(jì)，即我們精確設(shè)計(jì)出每一個(gè)零件模型，然后根據(jù)需要逐層向上進(jìn)行裝配，最終形成總裝配的設(shè)計(jì)方法。

自頂向下設(shè)計(jì)是一種由最頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計(jì)規(guī)范到所有相關(guān)次系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法。通過(guò)自頂向下設(shè)計(jì)的運(yùn)用，能夠有效地傳遞設(shè)計(jì)規(guī)范給各個(gè)子組件，從而更方便高效地對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行管理。Inventor提供的自頂向下設(shè)計(jì)模式有：基于概念草圖的自頂向下設(shè)計(jì)、基于概念模型的自頂向下設(shè)計(jì)、基于布局的自頂向下模式設(shè)計(jì)和基于多實(shí)體的自頂向下設(shè)計(jì)。

基于多實(shí)體造型是Inventor最近幾個(gè)版本才具有的新功能。其建模的基本思路是：首先，創(chuàng)建多實(shí)體模型框架，并分割模型。根據(jù)設(shè)計(jì)者意圖在Inventor中創(chuàng)建模型的整體形狀，模型整體形狀的尺寸、外形越接近設(shè)計(jì)要求越好。整體模型創(chuàng)建完成后可以利用分割、衍生及其他一些工具來(lái)分割模型，把模型分割成多個(gè)實(shí)體，并在多實(shí)體模型上創(chuàng)建每個(gè)細(xì)節(jié)特征。其次，設(shè)置多實(shí)體的顏色信息。第三，生成零部件。使用Inventor提供的生成零件或者生成零部件功能把多實(shí)體生成需要的部件文件或零件文件。

3　創(chuàng)建多實(shí)體零件建模環(huán)境

Inventor軟件提供許多直接或間接地創(chuàng)建新實(shí)體的功能，設(shè)計(jì)者通過(guò)普通的造型命令就可以創(chuàng)建新實(shí)體。比如，在“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“放樣”、“掃掠”、“螺旋掃掠”等基于草圖的造型命令中，可以通過(guò)單擊對(duì)話框中的“新建實(shí)體”按鈕，來(lái)創(chuàng)建新實(shí)體；在曲面功能中的“加厚/偏移”、“縫合”和“灌注”等命令也能新建實(shí)體；通過(guò)陣列實(shí)體也可以輕松快捷的創(chuàng)建出單獨(dú)的實(shí)體；除此之外，也可以使用“分割”命令在零件文件中用分割工具將一個(gè)實(shí)體分割成多個(gè)實(shí)體。

例如，創(chuàng)建鼠標(biāo)多實(shí)體模型時(shí)，設(shè)計(jì)者可以在一個(gè)零件文件中結(jié)合二維草圖、三維草圖、放樣、灌注、凸雕、圓角、刪除面等命令，創(chuàng)建出具有比較完整鼠標(biāo)框架的零件文件。然后在一張草圖上創(chuàng)建用于分割多實(shí)體的草圖輪廓，此模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要?jiǎng)?chuàng)建比較復(fù)雜的分割線，通過(guò)共享草圖的方法同時(shí)多次分割出各個(gè)零件。鼠標(biāo)的模型框架、用于分割多實(shí)體的草圖輪廓以及鼠標(biāo)框架模型的分割命令操作如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　鼠標(biāo)的框架模型

圖2　分割鼠標(biāo)框架的草圖輪廓

圖3　鼠標(biāo)框架模型的分割命令

對(duì)多實(shí)體模型的分割，可以類似上例的鼠標(biāo)模型，在整個(gè)模型框架創(chuàng)建完以后用一個(gè)共享草圖一氣呵成分割出多個(gè)實(shí)體，也可以邊創(chuàng)建模型，邊分割。如章魚(yú)音箱多實(shí)體模型的創(chuàng)建，在用旋轉(zhuǎn)、拉伸、環(huán)形陣列、放樣、圓角、抽殼等基本命令創(chuàng)建出模型大體框架后，用偏移曲面作為分割工具，先將章魚(yú)音箱的底座分割出來(lái)，然后再修正模型，進(jìn)行下一步的分割操作。章魚(yú)音箱框架模型分割前、分割后以及分割操作命令如圖4、圖5、圖6所示。

圖4　章魚(yú)音箱框架的框架模型分割前

圖5　章魚(yú)音箱框架的框架模型分割后

圖6　章魚(yú)音箱框架的分割命令

4　創(chuàng)建多實(shí)體模型的顏色信息

Inventor軟件創(chuàng)建的零件模型，在沒(méi)有增加顏色信息前，基本以灰色呈現(xiàn)，不利于表現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，因此，對(duì)模型添加顏色信息很重要。零件顏色取決于零件的材料，Inventor自2013版開(kāi)始引入了Autodesk統(tǒng)一的材質(zhì)庫(kù)，設(shè)計(jì)者可以在Inventor軟件中享有所有Autodesk產(chǎn)品相同的材質(zhì)系統(tǒng)。激活“工具”面板，單擊“材料”或“外觀”能分別打開(kāi)“材料瀏覽器”和“外觀瀏覽器”，可以訪問(wèn)到Autodesk的材料庫(kù)，也可訪問(wèn)Inventor的材料庫(kù)。材料庫(kù)可以按類別分組，例如玻璃、瓷磚、地板材料等，每個(gè)類別下面又有具體的子材料，如磨砂玻璃、青銅色玻璃、透明玻璃，也可以按名稱，或按顏色進(jìn)行排序分組。對(duì)多實(shí)體零件模型的顏色設(shè)置順序一般為“零件”→“實(shí)體”→“特征”→“面”，優(yōu)先級(jí)越來(lái)越高，也就是說(shuō)如果設(shè)置“面”的顏色，之前設(shè)置的“特征”、“實(shí)體”、“零件”等顏色將被覆蓋。

在鼠標(biāo)多實(shí)體模型中，將分割后的模型不同實(shí)體添加相應(yīng)的材質(zhì)、顏色信息，并適當(dāng)添加燈光效果，鼠標(biāo)模型給人的視覺(jué)沖擊力得到明顯的提升，添加顏色信息的效果對(duì)比如圖7、圖8所示。由此可見(jiàn)，在三維模型設(shè)計(jì)中，材質(zhì)、顏色設(shè)定很重要。

圖7　鼠標(biāo)模型添加顏色信息前

圖8　鼠標(biāo)模型添加顏色信息后

5　多實(shí)體模型生成零部件

在多實(shí)體環(huán)境下創(chuàng)建的零件模型，雖然已經(jīng)創(chuàng)建了多個(gè)實(shí)體，但還只是在一個(gè)零件文件中，可以通過(guò)“管理”選項(xiàng)卡下的“布局”組，選擇“生成零部件”命令，將多個(gè)實(shí)體作為單獨(dú)的零件文件直接導(dǎo)出到部件，并生成多個(gè)零件文件。在導(dǎo)出過(guò)程中，可以選擇全部實(shí)體進(jìn)行導(dǎo)出，也可以有選擇性地導(dǎo)出部分實(shí)體，還可以為每個(gè)選定實(shí)體的零部件修改零部件信息參數(shù)，如零部件名稱、模板、文件位置。

在鼠標(biāo)多實(shí)體模型中，將鼠標(biāo)多實(shí)體模型中的底殼、左側(cè)邊、右側(cè)板、手扶部位、左鍵右鍵、滾輪、光標(biāo)等實(shí)體直接生成零部件，并保存部件，就可以在目標(biāo)部件所在的文件夾中自動(dòng)生成相應(yīng)的零件文件。圖9所示的是單個(gè)“多實(shí)體模型.ipt”文件，該文件中所包含的7個(gè)實(shí)體如圖10所示。保存通過(guò)“生成零部件”命令生成的“鼠標(biāo)裝配.iam”文件（如圖11所示），就可以在文件夾中自動(dòng)生成如圖12所示的7個(gè)零件文件。

圖9　“多實(shí)體模型”文件

圖10　“多實(shí)體模型”中的7個(gè)實(shí)體

圖11　“多實(shí)體模型”生成的“鼠標(biāo)裝配”

圖12　由“多實(shí)體模型”生成7個(gè)零件文件

6　結(jié)束語(yǔ)

作為一種面向裝配的三維設(shè)計(jì)，基于多實(shí)體的自頂向下設(shè)計(jì)模式具有比較多的優(yōu)勢(shì)。首先，采用多實(shí)體建模，所有實(shí)體都是從一個(gè)模型上分割下來(lái)的，實(shí)體之間不存在外形的匹配問(wèn)題；其次，針對(duì)建模過(guò)程中的細(xì)節(jié)，特別是塑料件結(jié)構(gòu)特征，如止口、卡扣、凸柱等，可以使用共同的基準(zhǔn)草圖或工作點(diǎn)，而且是在一個(gè)零件上創(chuàng)建的，基本上不會(huì)存在尺寸不匹配的問(wèn)題；第三，在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)上，Inventor中跨零件間的投影有時(shí)會(huì)有問(wèn)題，但是一個(gè)零件中投影卻沒(méi)有問(wèn)題，而且關(guān)聯(lián)速度會(huì)更快；另外，在零件裝配問(wèn)題上，采用多實(shí)體生成的部件裝配文件，各個(gè)零件之間的位置關(guān)系仍然保持不變，因此不需要重新添加約束關(guān)系，減少了裝配的時(shí)間，也不用考慮零部件之間的干涉問(wèn)題，而且原始多實(shí)體零件更新時(shí)，生成的裝配也會(huì)關(guān)聯(lián)更新變化。

總之，每一種設(shè)計(jì)方法都有它的使用方式，我們可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要，選擇一種合適的設(shè)計(jì)方法。

［1］馬茂林，王龍厚.Autodesk Inventor 2014高級(jí)培訓(xùn)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.