AutodeskInventor曲面造型中放樣特征的研究

摘 ?要：Autodesk Inventor軟件具有強(qiáng)大的三維造型能力，該軟件為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)自由的環(huán)境，使得二維設(shè)計(jì)能夠順暢地轉(zhuǎn)為三維設(shè)計(jì)環(huán)境，其中，曲面造型在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的地位越來(lái)越重要。文章以電吹風(fēng)的輪廓繪制方法為例，對(duì)放樣特征在曲面造型中的作用進(jìn)行了分析和探究，進(jìn)一步對(duì)放樣特征進(jìn)行了說(shuō)明，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的重復(fù)工作，從而有效提高了曲面造型的繪圖效率。

關(guān)鍵詞：Inventor軟件;曲面造型;三維曲線;放樣

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）24-0138-04

Abstract： Autodesk Inventor software has powerful 3D modeling capability， which provides a free environment for designers， so that 2D design can smoothly turn into 3D design environment， among which， curved surface modeling is becoming more and more important in the industrial product design industry. Taking the contour drawing method of hairdryer as an example， this paper analyzes and explores the role of lofting features in curved surface modeling， further explains the lofting features， reduces the repeated work in the design process， and thus effectively improve the drawing efficiency of curved surface modeling.

Keywords： Inventor software; curved surface modeling; 3D curve; lofting

0 ?引 ?言

Autodesk Inventor是美國(guó)Autodesk公司推出的一款可視化三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，它的功能涵蓋了從產(chǎn)品的草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、零件裝配、視圖表達(dá)、模具設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)等全過(guò)程，它為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)自由的環(huán)境，使得二維設(shè)計(jì)能夠順暢地轉(zhuǎn)為三維設(shè)計(jì)環(huán)境。Inventor支持自頂向下和自頂向上的設(shè)計(jì)思想，其建模核心、鈑金設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能遙遙領(lǐng)先于同類(lèi)軟件，已經(jīng)成功應(yīng)用于機(jī)械、電子等行業(yè)。該軟件近年來(lái)也一直是全國(guó)職業(yè)院校技能大賽工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)踐的指定軟件（注：文中所有引用數(shù)值單位均為毫米）。

1 ?實(shí)例闡述

本文以電吹風(fēng)的輪廓繪制方法為例來(lái)對(duì)Inventor曲面造型進(jìn)行分析。電吹風(fēng)是一個(gè)非常經(jīng)典的案例，繪制過(guò)程中通過(guò)學(xué)習(xí)能夠全面掌握放樣功能和曲面功能，能夠加強(qiáng)對(duì)曲面造型的認(rèn)識(shí)。繪圖前要認(rèn)真分析圖紙，如圖1所示，明確它的輪廓是由復(fù)雜的曲面表面組成，常規(guī)的實(shí)體建模是難以將其繪制出來(lái)的。

2 ?電吹風(fēng)的繪制過(guò)程

2.1 ?繪圖流程

根據(jù)圖紙?zhí)峁┑男畔ⅲx擇出適合這個(gè)圖形建模的做法，如圖2所示。

具體內(nèi)容有：

（1）草圖。在Inventor中，繪制草圖是創(chuàng)建零件的第一步。草圖是截面輪廓特征和創(chuàng)建特征所需的幾何圖元，我們可以在草圖中建立各種基本曲線，對(duì)曲線建立幾何約束和尺寸約束，然后對(duì)二維草圖進(jìn)行拉伸，旋轉(zhuǎn)等操作，創(chuàng)建實(shí)體與草圖關(guān)聯(lián)的實(shí)體模型。修改草圖時(shí)，與之關(guān)聯(lián)的實(shí)體模型也會(huì)自動(dòng)更新。

（2）三維曲線。二維草圖是基于平面的曲線，只能在平面上繪制;三維草圖是空間曲線，可以在空間當(dāng)中任意繪制。

（3）曲面。曲面是一種泛稱，片體和實(shí)體的自由表面都可以稱為曲面，其中片體是由一個(gè)或多個(gè)厚度為0的表面組成。使用常規(guī)造型技術(shù)很難創(chuàng)建形狀不斷變化的零件，因此，利用曲面造型可以讓設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品在視覺(jué)上更具吸引力。

（4）放樣。放樣是將兩個(gè)或兩個(gè)以上具有不同形狀或尺寸的截面輪廓均勻過(guò)渡，從而形成特征實(shí)體或曲面，用戶可以選擇多個(gè)輪廓或軌道來(lái)控制曲面，常用于具有復(fù)雜形狀的零件。

（5）灌注。根據(jù)選定的曲面幾何圖元，從實(shí)體模型或曲面特征添加或刪除材料，可以選擇單獨(dú)的曲面或工作平面作為灌注操作的邊界幾何圖元。

（6）抽殼。抽殼特征是指從零件的內(nèi)部去除材料，創(chuàng)建一個(gè)具有指定厚度的空腔零件，屬于參數(shù)化特征，常用于模具和鑄造方面的造型。

2.2 ?繪圖步驟

繪圖步驟具體內(nèi)容有：

（1）繪制風(fēng)筒二維草圖。新建零件文件，分析風(fēng)筒零件圖紙，如圖3所示，它是從不同方位進(jìn)行構(gòu)圖。首先繪制截面，選取前視面XY面為草圖平面，繪制60×45的橢圓截面，接著以XY面為基準(zhǔn)面向后平移120創(chuàng)建新的工作平面，并繪制直徑為80的圓截面;其次，選取右視面YZ面為草圖平面，繪制風(fēng)筒上下軌道;最后選取上視面XZ面為草圖平面，繪制風(fēng)筒左右軌道。圖形中共有四條和截面輪廓相接的軌道，又可稱為引導(dǎo)線，這四條線兩兩在一個(gè)平面上，交接于同一個(gè)連接點(diǎn)，繪圖時(shí)每一條軌道必須單獨(dú)在一個(gè)草圖里，這是放樣特征中軌道的基本條件。

（2）繪制風(fēng)筒實(shí)體。選擇圖中兩個(gè)截面和軌道連接點(diǎn)放樣實(shí)體，放樣時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)選不到點(diǎn)的情況，此時(shí)我們可以右鍵調(diào)出快捷菜單，選擇其他選項(xiàng)，就可以在列表中找到需要的點(diǎn)。放樣前要先保存圖形，放樣中可能會(huì)出現(xiàn)軟件崩潰的情況，放樣過(guò)程中，選擇截面時(shí)一定要按順序從前往后或從后向前依次選擇，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)放樣特征。

（3）繪制出風(fēng)口草圖。分析出風(fēng)口兩個(gè)截面輪廓，第一個(gè)截面是風(fēng)筒橢圓截面，第二個(gè)截面從前視圖面XY面看是一個(gè)22×58的橢圓;從右視圖面YZ面看是一條端點(diǎn)不垂直長(zhǎng)度為58的圓弧，如圖4所示。直接使用二維草圖是無(wú)法繪制出這樣不同平面呈現(xiàn)不同圖形的曲線的，那么，就要使用Inventor中三維草圖將兩個(gè)相交的二維圖元?jiǎng)?chuàng)建成三維曲線，類(lèi)似于兩個(gè)曲面通過(guò)拉伸后在空間中相交部分的邊緣。首先，YZ面58的圓弧只能畫(huà)出上下軌道后才能確定出具體位置，兩個(gè)軌道及圓弧必須在三個(gè)草圖中，其次，在XY面投影出軌道及風(fēng)筒圖元位置，利用約束條件繪制出22×58的橢圓。再次，創(chuàng)建三維草圖，將兩個(gè)二維圖元執(zhí)行相交曲線命令，得出圖5中三維曲線1。最后，退出三維草圖環(huán)境。

（4）繪制出風(fēng)口曲面。選擇三維曲線1和風(fēng)筒截面依照上下兩條軌道，放樣曲面，如圖5所示。

（5）繪制出風(fēng)口實(shí)體。把58的圓弧草圖可見(jiàn)性打開(kāi)，使用拉伸曲面特征，用拉出的曲面封閉住出風(fēng)口，再進(jìn)行灌注，完成風(fēng)口實(shí)體繪制。

（6）繪制手柄曲面。以XZ面為基準(zhǔn)面向下平移52、56、52新建三個(gè)工作面，分別在三個(gè)工作面上根據(jù)圖3繪制出輪廓A、輪廓B、輪廓C、輪廓D的截面圖形。其中，輪廓A是二維圖形直徑52的圓投影到風(fēng)筒底部所形成的三維曲線，畫(huà)法是將圓繪制于離風(fēng)筒實(shí)體最近的工作平面上，新建三維草圖，單擊投影到曲面命令，該命令的作用是將二維圖元投影到一個(gè)或多個(gè)曲面上，以創(chuàng)建相互關(guān)聯(lián)的曲線。通過(guò)此命令，選擇圓和風(fēng)筒底部表面，則可繪出輪廓A。這時(shí)，要注意的是當(dāng)無(wú)引導(dǎo)線時(shí)，直接放樣，兩個(gè)曲線之間是由直線連接，但圖例中輪廓A和B之間是由圓弧連接，因此，就要設(shè)置條件參數(shù)，把輪廓B設(shè)置為方向條件，角度默認(rèn)為90度，完成后，放樣生成的曲面線條與工作面成90度，呈現(xiàn)出比較平滑的外形。

其對(duì)比如圖6所示，從放樣預(yù)覽即可分辨出是否設(shè)置了選擇條件。由于圖例中還要求輪廓B與上下面都相切，所以輪廓B和D之間的放樣除了要把最下方的輪廓D設(shè)置為方向條件外還要把它的條件參數(shù)設(shè)置為相切，放樣出的曲面才和效果圖中一致，如圖7所示。

（7）完成電吹風(fēng)外輪廓繪制。選擇全部手柄曲面和手柄底部工作面，點(diǎn)擊灌注特征后手柄生成的實(shí)體直接和風(fēng)筒、出風(fēng)口結(jié)合為一個(gè)外輪廓實(shí)體。接著，選擇手柄底部為倒圓角對(duì)象，半徑值為5。最后，繪制出滑動(dòng)鍵槽后，通過(guò)抽殼，將出風(fēng)口設(shè)置為開(kāi)口面，壁厚1.6完成電吹風(fēng)外輪廓繪制。

電吹風(fēng)外輪廓模型繪制完成后利用Inventor自帶的模塊渲染后，就可呈現(xiàn)如圖1所示效果。

3 ?放樣特征設(shè)置

電吹風(fēng)輪廓的繪制應(yīng)用了放樣特征中實(shí)體放樣和曲面放樣，不難看出，大部分曲面造型都離不開(kāi)它，放樣特征的可控性為創(chuàng)建更為復(fù)雜的曲面提供了可行性但其知識(shí)面相對(duì)更加復(fù)雜，我們通過(guò)下文來(lái)更進(jìn)一步了解放樣。

3.1 ?截面輪廓

截面輪廓可以是草圖中的曲線、模型邊、點(diǎn)或面回路。從放樣的概念中可以發(fā)現(xiàn)，截面輪廓的創(chuàng)建是放樣特征的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵要素。放樣時(shí)可選擇實(shí)體和曲面，什么時(shí)候放樣實(shí)體，什么時(shí)候放樣曲面和截面也是息息相關(guān)。若截面形狀是三維曲線，可以是封閉或不封閉的曲線，且在圖形中沒(méi)有任何實(shí)體存在的情況下，只能生成曲面特征。若截面形狀是封閉的曲線，或是零件面的閉合面回路，則可生成實(shí)體特征或曲面特征。

3.2 ?放樣類(lèi)型

根據(jù)添加的軌道和中心線控制等約束條件不同，可將放樣分為四種類(lèi)型：一般放樣、軌道放樣、中心線放樣和面積放樣。具體內(nèi)容有：

（1）一般放樣：指只使用多個(gè)截面輪廓進(jìn)行放樣。

（2）軌道放樣：對(duì)選擇的多個(gè)截面輪廓施加單個(gè)或多個(gè)軌道控制。軌道是在截面之上或之外終止的二維或三維直線、圓弧、樣條曲線，它的作用是加強(qiáng)對(duì)放樣形狀的控制。軌道必須與每個(gè)截面相交，必須連續(xù)相切是平滑的，不能在起始截面和終止截面內(nèi)結(jié)束。若放樣圖元中有多條軌道，則每條軌道必須單獨(dú)在一個(gè)草圖中。

（3）中心線放樣：讓選擇的多個(gè)截面輪廓按某條中心線變化，這樣能使選定的放樣截面之間相交的區(qū)域過(guò)渡更平滑。

（4）面積放樣是對(duì)放樣過(guò)程中的指定截面的面積進(jìn)行控制，可以設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的液體管道系統(tǒng)。

3.3 ?閉合回路

此選項(xiàng)為可選項(xiàng)，用于連接放樣的第一個(gè)和最后一個(gè)截面以構(gòu)成封閉回路。

3.4 ?合并相切面

此選項(xiàng)為可選項(xiàng)，用于自動(dòng)縫合相切放樣面，這樣，特征的切面之間將不創(chuàng)建邊。

3.5 ?選擇條件

此選項(xiàng)用來(lái)指定截面輪廓的邊界條件，以控制放樣體末端的形狀。放樣有以下三種邊界條件：

（1）無(wú)條件：對(duì)圖形末端形狀不應(yīng)用任何邊界條件。

（2）方向條件：用以指定相對(duì)于截面或軌道平面測(cè)量的角度，僅當(dāng)曲線是二維草圖時(shí)可用。

（3）相切條件：用以創(chuàng)建與相鄰面相切的放樣，當(dāng)截面或軌道與曲面或?qū)嶓w相鄰，或選擇面回路時(shí)可用，不適應(yīng)于草圖輪廓。

當(dāng)選擇方向條件和相切條件時(shí)，需要指定角度和權(quán)值。角度：表示截面或軌道平面與放樣創(chuàng)建的面之間的過(guò)渡段包角。90°的默認(rèn)值可提供垂直過(guò)渡。180°的值可提供平面過(guò)渡。范圍從0到180°。

（4）權(quán)值：一種用于控制放樣外觀的無(wú)量綱系數(shù)。確定截面形狀在過(guò)渡到下一個(gè)形狀前延伸的距離。

3.6 ?過(guò)渡

過(guò)渡是定義一個(gè)截面的各段如何映射到其前后截面中，包含點(diǎn)集、映射位置三個(gè)設(shè)置。

4 ?結(jié) ?論

曲面造型是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。Autodesk Inventor軟件提供的放樣功能有效提高了曲面建模的效率和質(zhì)量。文章以電吹風(fēng)的輪廓為例，對(duì)放樣特征進(jìn)行了探究，對(duì)其它案例的曲面造型有借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：趙珊（1984—），女，哈尼族，云南普洱人，講師，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)及應(yīng)用。