軸系零部件參數(shù)化及自適應(yīng)設(shè)計方法

李 明，許成文

（北京科技大學，北京 100083）

軸系零部件參數(shù)化及自適應(yīng)設(shè)計方法

李 明，許成文

（北京科技大學，北京 100083）

本文簡單介紹了Autodesk公司推出的三維設(shè)計軟件Inventor，詳細分析了基于Inventor的部件設(shè)計方法，并以傳動軸系的設(shè)計為例，利用Inventor軟件中最新的設(shè)計加速器功能，采用參數(shù)化設(shè)計及自適應(yīng)設(shè)計方法，詳細介紹了軸系零部件的整體建模過程，實現(xiàn)了軸系零部件的快速設(shè)計，極大地提高了設(shè)計效率及設(shè)計的合理性，本文所介紹的設(shè)計方法在實際生活中具有廣泛的應(yīng)用性。

軸系；Inventor；參數(shù)化；自適應(yīng)

參數(shù)化設(shè)計作為機械CAD的一項關(guān)鍵技術(shù)，貫穿于從概念設(shè)計到詳細設(shè)計的全部過程。它以強有力的尺寸驅(qū)動，修改圖形功能，為初始產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品建模、修改系列產(chǎn)品設(shè)計提供了有效的手段，能夠充分滿足設(shè)計具有相同或相近幾何拓撲結(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品的需要。參數(shù)化設(shè)計是指參數(shù)化模型的尺寸用對應(yīng)的關(guān)系表示，而不需用確定的數(shù)值，變化一個參數(shù)值，將自動改變所有與它相關(guān)的尺寸，也就是采用參數(shù)化模型，通過調(diào)整參數(shù)修改和控制幾何形狀，自動實現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。參數(shù)化設(shè)計需要具有強大功能的設(shè)計軟件的支持，Inventor是美國Autodesk公司設(shè)計推出的一款基于Windows平臺和自適應(yīng)技術(shù)的三維設(shè)計軟件，它具有尺寸驅(qū)動，參數(shù)化設(shè)計的特點，本文以Inventor軟件為設(shè)計平臺，利用Inventor強大的參數(shù)化驅(qū)動功能，建立軸系零部件中各個參數(shù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)參數(shù)化建模。自適應(yīng)設(shè)計方法能夠在一定的約束條件下，自動調(diào)整特征的尺寸、草圖的尺寸以及零件的裝配位置，因此在設(shè)計過程中給設(shè)計者帶來了很大的方便，提高了設(shè)計效率。本文列舉的傳動軸系設(shè)計實例為常見軸系之一，主要連接齒輪傳動與帶傳動，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用Inventor本身的零件設(shè)計可以進行相關(guān)的軸系設(shè)計與裝配，但應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計以及自適應(yīng)設(shè)計可以使設(shè)計的模型具有更廣泛的應(yīng)用，可有效地提高設(shè)計效率。

一、INVENTOR的簡介

Autodesk Inventor是美國Autodesk公司推出的一款可視化的三維實體建模軟件，它是一款全面的設(shè)計工具，它的功能涵蓋了產(chǎn)品從草圖設(shè)計、零件設(shè)計、零件裝配、分析計算、視圖表達、模具設(shè)計、工程圖設(shè)計等全過程，還包括了專業(yè)的運動仿真、結(jié)構(gòu)型設(shè)計、應(yīng)力分析、三維布線、三維布管等輔助功能。用于幫助用戶創(chuàng)建和驗證完整的數(shù)字樣機以減少物理樣機的投入，提高了設(shè)計效率，減輕了技術(shù)人員的勞動強度，從而能夠在更短的時間內(nèi)利用較低的成本生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品，以更快的速度將更多的新產(chǎn)品推向市場。

二、部件設(shè)計方法

在通常的部件設(shè)計中，設(shè)計者和工程師首先創(chuàng)建布局，然后設(shè)計零件，最后把所有的零件通過裝配得到最終的部件，這種方法稱為自下而上的設(shè)計方法。而使用Inventor創(chuàng)建部件時，我們可以直接創(chuàng)建部件，然后在位創(chuàng)建和編輯零件或放置現(xiàn)有的零件，從而完成部件的設(shè)計，這種方法稱為自上而下的設(shè)計方法。相對于自下而上的設(shè)計方法，這種以部件為中心的設(shè)計方法，支持自上而下和自下而上二者混合的設(shè)計策略，從而使設(shè)計過程更加簡單有效，更符合設(shè)計人員的思維方式。在Inventor的部件設(shè)計中，我們可以自由使用以上兩種方法，以及二者相結(jié)合的混合設(shè)計方法。本文所采用的為自上而下的設(shè)計方法。

三、實例造型分析

1.參數(shù)化設(shè)計。打開Inventor，進入部件（裝配）環(huán)境。利用設(shè)計加速器快速設(shè)計的功能設(shè)計軸。軸的設(shè)計在一般建模中比較復雜，需要先建立二維草圖，再通過旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作設(shè)計完成。通過設(shè)計加速器，只需添加預定參數(shù)，就可以得到軸及軸上的鍵槽和圓角等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對軸的快速參數(shù)化設(shè)計，而且便于隨時修改軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖1。同樣輸入?yún)?shù)通過設(shè)計加速器可以完成齒輪以及帶輪的設(shè)計。但是通常通過設(shè)計加速器設(shè)計的齒輪和帶輪并不能完全滿足設(shè)計要求，需對其進行進一步編輯。

2.在位創(chuàng)建和編輯零件。在位創(chuàng)建零件就是在部件環(huán)境中新建零件，新建的零件是一個獨立的零件，在位創(chuàng)建零件和在零件環(huán)境中創(chuàng)建零件都需要制定零件的文件名、放置位置以及創(chuàng)建草圖和特征等。但在位創(chuàng)建零件可以方便地在其他零部件的工作表面上繪制草圖，并且可以投影其他零部件的幾何圖元以及在其他零件的表面開始或終止其幾何特征，進而同其他零件的幾何特征相關(guān)聯(lián)，在默認情況下通過這種方法創(chuàng)建的零件都是自適應(yīng)的。在位編輯零件就是可以直接在部件環(huán)境中編輯零部件，和零件環(huán)境中編輯零件的方法和形式大致一樣。基于自上而下的設(shè)計思路，在用設(shè)計加速器完成軸、軸承、齒輪后，從資源中心庫中調(diào)入平鍵，完成軸上零件的裝配，然后以軸承端面為工作面在位創(chuàng)建支架，如圖2。同樣利用在位創(chuàng)建和編輯零件的功能完成軸套、端蓋、齒輪、帶輪等零件的設(shè)計。

3.自適應(yīng)設(shè)計。在如圖3所示的軸和軸套零件中，軸的外表面和軸套的內(nèi)表面有配合的裝配約束。在軸套設(shè)計過程中使軸套的某些草圖或幾何圖元欠約束，使之成為自適應(yīng)零件，即在在位創(chuàng)建軸套時通過投影幾何視圖得到軸套的內(nèi)徑，然后只標注軸套的厚度，在這種欠約束的條件下，軸套的厚度永遠保持不變，但是軸套的內(nèi)徑卻隨著軸外徑的變化而變化。那么如果因為某種需要修改軸的直徑尺寸，軸套的內(nèi)徑也會隨著軸的直徑尺寸發(fā)生變化，而軸套的厚度始終保持不變。在端蓋、支

架、齒輪、帶輪的設(shè)計中都利用了自適應(yīng)的設(shè)計。

4.軸的校核。在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成時，可以在設(shè)計加速器的軸生成器中進入“計算”選項卡，為軸添加材料、載荷和支承進行剛度計算，對軸進行校核。

5.創(chuàng)建裝配模型，生成工程圖。在部件環(huán)境中從資源中心庫中調(diào)入螺釘、平鍵、墊圈等標準件，選擇合適的尺寸，利用裝配工具完成總裝配。在設(shè)計完成后對裝配模型可進行干涉檢查，檢查模型是否正確，設(shè)計是否合理，裝配定位是否準確。進一步可以創(chuàng)建表達視圖，生成爆炸視圖，制作動畫，觀察部件的裝配過程，便于實際裝配及維修，如圖4。再利用Inventor 2013的工程圖模板創(chuàng)建零件及部件的工程圖。

參數(shù)化設(shè)計以及自適應(yīng)技術(shù)是現(xiàn)代化設(shè)計的一種趨勢，產(chǎn)品的研發(fā)并非一蹴而就，而是一波三折，因為處于研發(fā)階段的各項特征都具有不確定性，需要根據(jù)其他研發(fā)人員及客戶的反饋信息對設(shè)計的產(chǎn)品進行反復論證、修改甚至重新設(shè)計，從而不斷改進和完善。利用Inventor進行參數(shù)化及自適應(yīng)設(shè)計，可以按照設(shè)計人員的設(shè)計意圖靈活修改，從而加快設(shè)計時間，減少設(shè)計步驟，提高設(shè)計效率。此外，使用此種設(shè)計方法便于保存已經(jīng)設(shè)計的元件參數(shù)，管理所得數(shù)據(jù)。因此，本文介紹的設(shè)計方法具有良好的前景，值得加以推廣。

[1]曹彤，萬靜，王新，等.機械設(shè)計制圖[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]葉玉駒，焦永和，張彤.機械制圖手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]胡仁喜，康士廷，劉昌麗，等.Autodesk Inventor Professional 2012中文版從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4]陳伯雄.Inventor機械設(shè)計解析與實戰(zhàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

G642.41

A

1674-9324（2014）13-0146-02

北京科技大學“研究型教學示范課”建設(shè)資助項目（KC2012YJX10）。

李明（1992-），男，河南駐馬店人，本科生，主要研究方向為機械設(shè)計方面。