趙慧一

摘要：虛擬裝配技術(shù)的應用，根源上改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計、制造的模式。這種技術(shù)可應用的軟件較多，本篇文章基于Autodesk Inventor軟件，利用其提供的動畫功能模塊，實現(xiàn)設(shè)計的產(chǎn)品模擬機械運動。文章首先介紹Autodesk Inventor的動畫功能模塊，然后再提出千斤頂虛擬裝配技術(shù)應用。

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

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0221-02

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計，通常是在草圖上勾勒好大致的形狀，為了驗證產(chǎn)品運動時結(jié)構(gòu)的正確性、完整性，還要制作出實物模型來確認設(shè)計作品的成效。通常這種設(shè)計模式，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)，則透過軟件直接模擬設(shè)計產(chǎn)品的運動狀態(tài)，通過設(shè)置較為真實的模擬條件，能夠更高效地驗證設(shè)計作品的正確性、完整性。

1 Autodesk Inventor動畫功能模塊概述

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)動約束和裝配分解模塊，在設(shè)計應用中有非常突出的表現(xiàn)。首先是驅(qū)動約束，利用這個功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的零部件運動模擬，同時可以根據(jù)需要增加裝配約束。軟件自動為設(shè)計的零部件設(shè)置相互偏移距離。設(shè)置相應的約束變量，就能很好地模擬零部件實際運行環(huán)境，以此測試設(shè)計作品的性能和結(jié)構(gòu)。其次是裝配分解，以動畫的方式，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，對于一些沒有露出在表面、容易忽略的零部件，通過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)計錯誤[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，在進行環(huán)境渲染和動畫制作，使整個設(shè)計產(chǎn)品真實感更強，獲得的渲染圖片質(zhì)量更高。然后是運動仿真功能，這一功能模塊，主要是模擬真實的環(huán)境，并以構(gòu)建的產(chǎn)品模型模仿真實的運動軌跡，進行旋轉(zhuǎn)、升降等運動。通過這個模塊，設(shè)計者可以知道各零部件的應力情況，然后分析模型在進行某一運動過程時，所呈現(xiàn)的動態(tài)載荷。這一模塊，主要測試設(shè)計產(chǎn)品的力學性能。

2 Autodesk Inventor的千斤頂虛擬裝配技術(shù)應用

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旋轉(zhuǎn)桿，在設(shè)計上考慮到底座、起重螺桿之間發(fā)生的螺紋嚙合作用，可以實現(xiàn)上下運動，同時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)計此類設(shè)備時，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?，并且使用相應的功能模塊，還可讓設(shè)計的千斤頂轉(zhuǎn)動展示，由此讓設(shè)計者觀察物體運動狀態(tài)和過程。鑒于以上要求，建議采用IPart、iFeature、fx的模塊，然后再建立一個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)上修改相應的參數(shù)，由此簡化構(gòu)件零部件模型的過程，提高設(shè)計效率，對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，為了強化設(shè)計模型的真實感，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，選擇下級工具“螺旋掃掠”來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，對于設(shè)計擁有眾多零部件的設(shè)備來說，有效簡化其模型構(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)不能有效銜接的問題，如果是則進行適當?shù)恼{(diào)整。

完成上述操作后，使用軟件的“干涉檢查”功能，通過這個功能模塊來確認底座與起重螺桿之間有無干涉。需要特別注意的而是，在進行“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)計前期，檢查零件之間是否存在沖突的情況，幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)存在的問題，針對性地修改零件模型的錯誤，然后再使用“干涉檢查”，確保零件間無沖突狀態(tài)，方可進入下一步操作。相比起傳統(tǒng)設(shè)計，虛擬裝配設(shè)計在“干涉檢查”方面，有著更大的設(shè)計優(yōu)勢，不必等到制作實物模型的環(huán)節(jié)，就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷。能夠及時修改和驗證零部件缺陷。

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

4.1分解千斤頂

在菜單欄選擇創(chuàng)建帶.ipn擴展名的模板，再然后在分屬工具欄上，選擇“表達式圖面板”→“創(chuàng)建表達視圖”→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，保證裝配動作真實感。具體操作過程：1、選定螺釘，點擊鼠標右鍵，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”，在相應的Z軸位置輸入12.5;3、當螺釘Z軸呈現(xiàn)藍色反應，可以按下“應用”按鈕;4、同第一步的操作，進入“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)時遮擋住其他零部件的裝配效果，需要將螺釘水平移動125mm，操作方式可以參照上述步驟進行。

起重螺桿裝配也是需要沿著模型的軸線向上移動，為了解這一設(shè)置的運動軌跡，需要添加兩個約束變量來測試，即讓起重螺桿同時進行向上移動和旋轉(zhuǎn)。這一運動和分解過程，可以參考千斤頂螺釘?shù)难b配思路。在這個創(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約束變量的數(shù)值，數(shù)值應設(shè)置為4的倍數(shù)?；谶@個要求，在彈出的設(shè)置框上設(shè)置為56mm。轉(zhuǎn)動圈數(shù)為14圈，即將56除以4得到數(shù)值。

4.2動作順序調(diào)整

在模型動作調(diào)整方面，主要設(shè)置向上移動和旋轉(zhuǎn)移動兩個動作，為了方便調(diào)整這些動作的變量，應分開創(chuàng)建模型的兩個動作，然后又設(shè)置為組合運動。具體操作如下：1、首先在瀏覽器選中漏斗形狀的圖標，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蛣幼黜樞虻囊晥D。通過這個視圖，能夠讓軟件使用者更加快速地管理和操作，模型所設(shè)置和添加的動作。2、點開下拉菜單的，可以發(fā)現(xiàn)動作順序的界面，出現(xiàn)默認動作名，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動作，為了便于識別此項動作，建議將此動作命名為“起重螺桿向上移動”。完成上述操作后，按住此動作拾取鍵將這一動作拖入起重螺桿“移動和旋轉(zhuǎn)”的組合運動中。

其他組合運動，都參考以上步驟操作，通過按住拾取鍵，調(diào)整各項動作的順序和運動時間。為了更方便地讓軟件使用者理解各項動作對應的運動，需要在創(chuàng)建運動時進行命名。此外，還可利用Excel記錄各動作的數(shù)值，當設(shè)置某類動作類型時，可以快速地選取相似動作，稍加修改后就可使用。

5零件虛擬動畫裝配和設(shè)計建模流程

5.1虛擬動畫裝配

Autodesk Inventor的表達視圖子環(huán)境，可以將設(shè)計產(chǎn)品的組合零件進行分解，為了更好地發(fā)現(xiàn)零件的細節(jié)，可以使用“設(shè)置照相機”的功能，能夠為軟件使用者以不同角度、視點來觀察零件的組裝情況，通過視圖形象再現(xiàn)裝配體特征，由此展現(xiàn)千斤頂?shù)奶摂M動畫裝配過程。設(shè)置好零件的分解參數(shù)，然后再設(shè)置照相機的位置（視點、角度），然后再點開“動畫命令”，由此生成部件的分解動作。

使用虛擬動畫裝配，表現(xiàn)為以下幾個流程：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，進行配合、表面平齊、對準角度和插入;3、管理裝配的零部件，修改、替換和復制部件定義，實現(xiàn)內(nèi)部化、外部化的拆離和刪除;4、裝配分析，這一過程能夠現(xiàn)顯示自由度，分析它的質(zhì)量特征，同時進行干涉檢查和最小三維距離測試。

5.2設(shè)計建模流程

設(shè)計建模流程，需要經(jīng)過分為兩個步驟。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)計尺寸變量和施加約束;2、設(shè)計尺寸變量完成后，再進行施加約束;3、修改約束尺寸變量。

第二步驟有以下幾個流程：1、實體拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描三維模型，然后確認是否要繼續(xù)添加特征;2、如果需要添加特征，則進行定義草圖平面、添加約束和尺寸變量、得到實體（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)計類似零件的情況下，稍加修改即可，由此節(jié)省了建模和動畫裝配的時間，提高設(shè)計效率。

6 結(jié)論

綜合上述，虛擬裝配技術(shù)相比傳統(tǒng)設(shè)計手段，能夠及時發(fā)現(xiàn)和修正零部件的缺陷。同時基于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)各種復雜的機械運動，對于產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)有非常大的促進作用。

參考文獻：

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[2]南愛強，王鋒憲.BIM技術(shù)Autodesk Revit軟件在橋梁外形、配筋以及橋位3D建模中的應用[J].微型電腦應用，2018，34（4）：67-69.

[3]陳鋼.設(shè)計改變世界 創(chuàng)造美好未來——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)與機床，2017（6）：40-41.

【通聯(lián)編輯：唐一東】