基于Inventor的隔膜泵實體造型及運動仿真

張明遠

（天津職業技術師范大學，中國 天津300222）

1 Inventor軟件簡介

Autodesk Inventor是美國Autodesk公司于1999年年底推出的三維可視化實體模擬軟件，目前已推出最新版本Inventor 2015。與其他同類產品相比較，Autodesk Inventor在用戶界面、三維運算速度和顯示著色功能方面有突破性的進展。Inventor具有多個功能模塊，如二維草圖模塊、特征模塊、部件模塊、工程圖模塊、表達視圖模塊、應力分析模塊等，每一個模塊都擁有自己獨特的工作環境。在零件環境中可以創建單一零件、二維草圖幾何特征、鈑金零件，其文件類型為零件文件(ipt)；在裝配部件環境中，可以調入已有的零件或創建新零件并添加裝配約束，同時可以控制特征的自適應性，其文件類型為部件文件(iam)；在表達視圖環境中，可以定義部件的分解視圖，并可進行裝配過程的動態模擬，其文件類型為表達視圖文件(ipn)；在工程圖環境中，可以由三維模型直接生成二維圖形，創建零件、部件及表達視圖的工程圖，其文件類型為工程圖文件(idw)。

Inventor采用參數化特征建模技術，具有靈活的設計理念，其主要特點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改，這樣可以最大限度地確保同一產品所有文件的一致性和可靠性。

2 隔膜泵簡介

液力端上裝有隔膜，把輸送介質的過流部件和使隔膜產生彈性變形的部件或柱塞工作缸隔開的往復泵稱為隔膜泵。隔膜泵的隔膜類型有膜片、波紋管和筒形隔膜等，其中以膜片應用最多。用柱塞工作缸中液體壓力的周期變化來帶動隔膜周期彈性變形的稱為液壓隔膜泵；用機件的往復運動直接帶動隔膜彈性變形的稱為機械隔膜泵。

隔膜真空泵是近年來國內外備受重視并得到迅速發展的一種真空泵。由于隔膜真空泵具有抽氣通道內沒有油污染、結構簡單緊湊、體積小、重量輕、移動方便、工作壽命長、無摩擦損耗、運行平穩、真空度高、噪音低等特點，得到了真空行業的歡迎與市場的青睞。而其在設計、制造方面較高的技術含量，也受到國內外科技界的廣泛重視。

隔膜真空泵的工作原理是：通過電機的旋轉運動，帶動機械裝置使泵內部的隔膜做往復式運動，從而壓縮、拉伸泵腔內的空氣形成真空，在抽氣口處與大氣壓產生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體吸入泵腔，再從排氣口排出。

圖1 隔膜泵

3 隔膜泵各零件的三維實體造型

在Inventor中，零件是特征的集合，設計零件的過程也就是依次設計零件的每一個特征的過程。在Inventor中，主要有草圖特征、放置特征、陣列特征和定位特征四種類型的特征。在Inventor中基本的設計思想就是基于特征的造型方法，一個零件可以視為一個或者多個特征的組合。這些特征之間既可相互獨立，又可相互關聯。在Inventor中特征也是用尺寸參數來約束的，可以通過編輯特征的尺寸來對特征進行修改。同時，還可以使用拉伸、旋轉、打孔等特征創建隔膜泵各零件的三維實體模型。

3.1 隔膜泵典型零件之風窗的創建

首先使用“拉伸”命令，繪制風窗的基本形狀，并繪制內側凸臺；其次使用“倒圓角”命令生成風窗外側的圓角；然后使用“除料”命令繪制出風窗的一個窗口，并使用“陣列”命令將風窗窗口按“軸”陣列，填入陣列角度；最后使用“拉伸”命令繪制風窗內側安裝時所用卡角，并使用“鏡像”命令進行鏡像，完成風窗繪制如圖2所示。

圖2 風窗

3.2 隔膜泵典型零件之氣室的創建

首先繪制氣室的初步輪廓，并利用“拉伸”命令繪制氣室一側的兩個氣孔及另一側的凸臺；其次使用“打孔”命令，在氣室邊緣相應位置處繪制安裝時所用的螺紋孔，并用“陣列”或“鏡像”命令在四個角繪制四個螺紋孔；然后使用“倒圓角”命令并設置相應的倒角半徑，對需要倒圓角的部分進行倒圓角；最后使用“拉伸”、“鏡像”等命令繪制氣室內部肋板，完成氣室繪制如圖3所示。

圖3 氣室

4 隔膜泵虛擬裝配

通過對隔膜泵各零件進行三維實體造型，可進入裝配環境對零件進行裝配。Inventor軟件提供了將單獨的零件或者子部件裝配成為部件的功能，即可以將已經繪制完成的零件或者部件按照一定的裝配約束條件（配合、角度、相切、插入、對稱等）裝配成一個部件，同時這個部件也可以作為子部件裝配到其他的部件中，最后零件和子部件裝配成一個符合設計構想的整體。裝配過程中，一般遵循從上至下或從下至上的裝配原則，目的是便于裝配和后續工程圖樣的零件序號自動生成（裝配的順序就是后續裝配工程圖樣的序號順序），使得設計及修改過程大大縮短。

Inventor資源中心庫提供了一些通用標準零件（螺母、螺栓、螺釘、墊圈等）并完全定義了這些標準件的對應參數，可以從零件放置列表中調整該零件的每一個參數值。在部件面板上“從資源中心放置零部件”工具中，根據所需標準件規格，輸入對應參數值，可從資源中心庫直接調入。裝配時只需將一組螺栓連接裝配好，其余若干組可采用環形陣列零部件的方法實現快速裝配。

首先調入泵體、軸承，建立約束并選取所需要的特征，然后選擇所需應用的類型，將軸線對齊，面與面匹配；其次，將軸調入，以軸承和軸的軸線為參照，約束類型選擇對齊，將軸安裝到指定位置；然后用同樣的方法調入定子部裝、轉子部裝、扇葉、風窗、右泵體、減震角等，依次裝配到指定位置；最后裝配泵體上方氣室零件，如密封墊片、氣室端蓋、氣室、三通、排氣嘴等，并將各處螺栓、螺柱等進行裝配，最終效果如圖4所示。

圖4 裝配效果圖

5 運動仿真

在產品設計完成之后，通常需要對其進行運動仿真，以驗證設計的正確性，Inventor中提供的運動仿真模塊即可實現這方面的功能。運動仿真可以仿真和分析裝配部件在各種載荷條件下運動的情況，利用計算機對工程和產品性能與安全可靠性進行分析，模擬其工作狀態和運動行為，以便及時發現設計中的缺陷。運動仿真還可以將任何運動狀態下的載荷條件輸出到應力分析并展示運動過程。在應力分析中，可以從結構的觀點來查看零件如何響應裝配在運動范圍內任意點的動態載荷。上述過程可概括為：仿真環境設置→繼承與轉換裝配約束→添加外部載荷→添加原動力→仿真播放→輸出仿真圖示→將仿真結果導入到應力分析。

6 結論

基于三維參數化實體模擬軟件Inventor，對隔膜泵進行三維實體造型和運動仿真，充分利用Inventor的參數化造型技術，使建立的三維模型在裝配環境下可以進行編輯和修改，從而實現隔膜泵參數化、系列化設計，有效縮短設計周期和設計重復性。

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