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摘要 以冶金行业中定尺机为例，介绍了在设计定尺机时采用Inventor进行三维建模、运动仿真、工程图、打包等过程的思路。体现了Autodesk Inventor软件在三位参数化设计中的强大功能及现代化设计的优越性。
关键词Autodesk Inventor；三维建模；运动仿真；工程图；打包
中图分类号：TF3文献标识码： A
The Application of 3D Software in Metal Mechanical Design
Zheng Jian、Ren tao
(Ansteel Engineering Technology Corporation Limited，Anshan 114021，China)
Abstract Taking the movable stop in metallurgy industry for example, Introduces process of three-dimensional model, kinematics simulation, drawing, packing. The paper points out in the end the mighty functions and superiority of Autodesk Inventor in 3D parametric design.
Key wordsAutodesk Inventor；Three-dimensional model；Kinematics simulation；Drawing；Packing.
前言
計算机辅助设计(CAD)技术是随着计算机技术的发展而发展起来的一门综合性技术，是人们不断将计算机技术引入到机械设计和制造领域而产生的一门综合性应用技术。三维设计在工业领域的应用越来越普及。Inventor是Autodesk公司最新的和最现代的基于Microsoft Windows的机械设计系统，是一种包含了最新技术的基于特征的参数化实体造型软件[1]。最新版本的Inventor提供了高性能的机械工程和设计软件，独一无二的易用性简化的用户界面、高级帮助与支持系统以及内置的移植系统，使Inventor成为AutoCAD用户最易学习和使用的机械设计软件。
在某无缝厂￠177石油管工程管坯准备区非标设备设计中，对于定尺机的设计采用了三维机械工程设计软件Autodesk Inventor Professional (以下简称AIP)。采用此软件的好处是：
1.与目前所使用的平面设计软件兼容性好；
2.参数化造型、自适应、基于三维实体的工程图及丰富的资源中心等功能，能够有效地提高工作效率；
3.干涉检查等功能方便于设计者找出设计缺陷，减少设备在现场安装过程中发生的干涉等问题；
4.使用Inventor Studio功能对设计产品进行渲染及动画制作，有利于技术输出的展示和介绍；
5.产品设计的系列化。
一、三位参数化实体建模
首先，为本工程新建一个工程项目（Project），项目的类型为Vault项目(图1)，此功能通过服务器管理，根据在项目中的个人权限不同，使团队中的每个设计人协同工作，同时用于保存设计过程中的相关文件及设计出的三维实体模型及BOM表，方便文件的检索查找。接着便开始三维建模，建模时采用自上而下（TOP-DOWN）与自下而上(DOWN-TOP)相结合的建模方式，先在装配环境下（Standard.iam）确定主传动设备（例如：电机、蜗轮蜗杆传动装置、液压缸等）的连接方式等主要关系。由于以上几种主要设备均为外购标准件，所以在对此进行三维建模时尽量简化草图，一些不必要的细节特征将会极大地占用计算机的系统资源，只要达到与其它设备的接口尺寸准确，外型尺寸符合国家标准即可(图2)。
图1 创建项目
Fig.1 Create Project
图2 主传动设备
Fig.2 Main Driving Equipment
1.电机：只准确绘出了电机轴伸及法兰连接的尺寸、接线盒方向；
2.蜗轮蜗杆传动装置： 丝杠齿形为梯形螺纹，在建模时采用了光轴的模式，使绘制草图结构更加简单，处理数据更加快捷；
3.液压缸：液压缸的建模采用了力士乐公司提供的软件Hydraulics Cylinder Designer Europa 2.0，此软件通过设计者给出的数据自动生成STP类型的文件(AIP兼容此文件类型)；
4.编码器：编码器采用倍加福官方（英文）网站所提供的三维模型(STP类型的文件)。
其余零部件，均为非标设备，进行三维实体建模，然后按照装配关系，进行组装（图3）。轴及轴套类零部件等采用自适应方法设计，便于在进行修改一个零件时，与其相关联的零部件能够自动修改，与之相适应，以免造成由于一个零部件的修改，而疏漏了对相关零部件的修改。
图3 组装图
Fig.3 Assembly Drawing
二、运动仿真及干涉检测
在三维建模及全部零部件组装结束后，对机械传动的机构进行运动仿真。主要采用驱动约束工具来模拟机构运动，驱动约束是按照顺序步骤来模拟机械运动的，零部件按照指定的增量和距离依次进行定位。在Inventor中，驱动约束工具只能限制一个约束，也就是说只能够同时驱动一个约束运动，但可以使用【参数】工具创建两个约束间的代数关系式来驱动其他约束，以达到多个约束同时运动的效果。实际上。本设计的两个主要运动(①蜗轮蜗杆装置带动移动车体的横移；②液压缸带动挡板的升降)不需要同时进行，所以不对两个约束进行代数关系式的关联，只进行单独驱动即可。
并且，在驱动约束时，同时打开【检测过盈】选项，以便于在运动中发现问题。
1.驱动蜗轮蜗杆装置带动移动车体的横移中，发现轮子与轨道发生干涉，干涉部位显示为红色，处理方法为：对轨道进行适当倒角；
2.驱动液压缸带动挡板的升降中，发现挡板曲柄所用的轴端挡板与横移车体的留孔相干涉，干涉部位显示为红色，处理方法为：在不影响结构强度的情况下，扩大留孔尺寸（图4）。
图4 检测到冲突
Fig.4 Detected Interference
a)三维实体生成工程图
在没有发现任何干涉碰撞的情况下，进行绘制工程图。与Autodesk公司的二维绘图软件AutoCAD相比，Inventor的二维绘图功能更加强大和智能：
1.Inventor可以自动由三维零部件生成二维工程图，不管是基础的三视图，还是局部视图、剖视图、打断视图等，都可以十分方便、快速的生成；
2.其次，由实体生成的二维图也是参数化的，二维三维双相关联，如果更改了三维零部件的尺寸参数，那么它的工程图上的对应尺寸参数自动更新；也可以通过直接修改工程图上的零件尺寸而对三位零件的特征进行修改；
3.有时候，快速创建二维工程图要比设计实体模型具有更高的效率。使用Autodesk Inventor，用户可以创建二维参数化工程图视图，这些视图也可以用作三维造型的草图。
四、打包归档及Autodesk Vault
经审核发图后，要对设计文件进行打包。打包是将 Autodesk Inventor 文件及其引用的所有文件保存到单个位置的工具，为以后的设计留下技术储备。在打包时，最好不选择跳过库，这样在打包时，就会保存装配中所选择的标准件，以免在以后使用此设计时，无法检索到标准件。
三维实体模型的归档是通过服务器中Autodesk Vault的数据管理来实现的。Autodesk Vault是一个工作组数据管理系统，用于在项目团队内共享设计数据。Vault是所有工程和相关数据的文件管理和版本控制系统，为设计团队成员提供了一个安全的中心协作环境。服务器存储所有设计信息的主数据文件。客户端提供对存储在服务器上的文件的访问。在本项目中设计人根据个人工作站上的Vault客户端的权限不同，来对自己所设计的产品（三维实体模型）进行检入及检出，来进行版本控制，并用来存储和共享所有类型的工程文件和相关数据。文件可以是Autodesk Inventor、AutoCAD、Autodesk DWF（Web图形格式）、FEA、CAM、Microsoft Word、Microsoft Excel文件或设计过程中使用的其他任何文件[2]。
五、结束语
本次设计采用Autodesk Inventor软件进行三维设计，促进了工作的规范化、系列化，提高了设计质量，压缩设计周期，降低成本，更加适应多变的市场需求。
但是，本次设计中也遇到了使用Inventor进行设计时，其软件本身所无法解决的一些问题，估计在Inventor的后续版本中能够解决。
参考文献
1.陈伯雄，董仁扬，张云飞，等.Autodesk Inventor Professional2008机械设计实战教程.化学工业出版社.2008年.
2.胡仁喜，董永进，郑娟.Inventor10中文版机械设计高级应用实例（第二版）. 机械工业出版社.2006年.
关键词Autodesk Inventor；三维建模；运动仿真；工程图；打包
中图分类号：TF3文献标识码： A
The Application of 3D Software in Metal Mechanical Design
Zheng Jian、Ren tao
(Ansteel Engineering Technology Corporation Limited，Anshan 114021，China)
Abstract Taking the movable stop in metallurgy industry for example, Introduces process of three-dimensional model, kinematics simulation, drawing, packing. The paper points out in the end the mighty functions and superiority of Autodesk Inventor in 3D parametric design.
Key wordsAutodesk Inventor；Three-dimensional model；Kinematics simulation；Drawing；Packing.
前言
計算机辅助设计(CAD)技术是随着计算机技术的发展而发展起来的一门综合性技术，是人们不断将计算机技术引入到机械设计和制造领域而产生的一门综合性应用技术。三维设计在工业领域的应用越来越普及。Inventor是Autodesk公司最新的和最现代的基于Microsoft Windows的机械设计系统，是一种包含了最新技术的基于特征的参数化实体造型软件[1]。最新版本的Inventor提供了高性能的机械工程和设计软件，独一无二的易用性简化的用户界面、高级帮助与支持系统以及内置的移植系统，使Inventor成为AutoCAD用户最易学习和使用的机械设计软件。
在某无缝厂￠177石油管工程管坯准备区非标设备设计中，对于定尺机的设计采用了三维机械工程设计软件Autodesk Inventor Professional (以下简称AIP)。采用此软件的好处是：
1.与目前所使用的平面设计软件兼容性好；
2.参数化造型、自适应、基于三维实体的工程图及丰富的资源中心等功能，能够有效地提高工作效率；
3.干涉检查等功能方便于设计者找出设计缺陷，减少设备在现场安装过程中发生的干涉等问题；
4.使用Inventor Studio功能对设计产品进行渲染及动画制作，有利于技术输出的展示和介绍；
5.产品设计的系列化。
一、三位参数化实体建模
首先，为本工程新建一个工程项目（Project），项目的类型为Vault项目(图1)，此功能通过服务器管理，根据在项目中的个人权限不同，使团队中的每个设计人协同工作，同时用于保存设计过程中的相关文件及设计出的三维实体模型及BOM表，方便文件的检索查找。接着便开始三维建模，建模时采用自上而下（TOP-DOWN）与自下而上(DOWN-TOP)相结合的建模方式，先在装配环境下（Standard.iam）确定主传动设备（例如：电机、蜗轮蜗杆传动装置、液压缸等）的连接方式等主要关系。由于以上几种主要设备均为外购标准件，所以在对此进行三维建模时尽量简化草图，一些不必要的细节特征将会极大地占用计算机的系统资源，只要达到与其它设备的接口尺寸准确，外型尺寸符合国家标准即可(图2)。
图1 创建项目
Fig.1 Create Project
图2 主传动设备
Fig.2 Main Driving Equipment
1.电机：只准确绘出了电机轴伸及法兰连接的尺寸、接线盒方向；
2.蜗轮蜗杆传动装置： 丝杠齿形为梯形螺纹，在建模时采用了光轴的模式，使绘制草图结构更加简单，处理数据更加快捷；
3.液压缸：液压缸的建模采用了力士乐公司提供的软件Hydraulics Cylinder Designer Europa 2.0，此软件通过设计者给出的数据自动生成STP类型的文件(AIP兼容此文件类型)；
4.编码器：编码器采用倍加福官方（英文）网站所提供的三维模型(STP类型的文件)。
其余零部件，均为非标设备，进行三维实体建模，然后按照装配关系，进行组装（图3）。轴及轴套类零部件等采用自适应方法设计，便于在进行修改一个零件时，与其相关联的零部件能够自动修改，与之相适应，以免造成由于一个零部件的修改，而疏漏了对相关零部件的修改。
图3 组装图
Fig.3 Assembly Drawing
二、运动仿真及干涉检测
在三维建模及全部零部件组装结束后，对机械传动的机构进行运动仿真。主要采用驱动约束工具来模拟机构运动，驱动约束是按照顺序步骤来模拟机械运动的，零部件按照指定的增量和距离依次进行定位。在Inventor中，驱动约束工具只能限制一个约束，也就是说只能够同时驱动一个约束运动，但可以使用【参数】工具创建两个约束间的代数关系式来驱动其他约束，以达到多个约束同时运动的效果。实际上。本设计的两个主要运动(①蜗轮蜗杆装置带动移动车体的横移；②液压缸带动挡板的升降)不需要同时进行，所以不对两个约束进行代数关系式的关联，只进行单独驱动即可。
并且，在驱动约束时，同时打开【检测过盈】选项，以便于在运动中发现问题。
1.驱动蜗轮蜗杆装置带动移动车体的横移中，发现轮子与轨道发生干涉，干涉部位显示为红色，处理方法为：对轨道进行适当倒角；
2.驱动液压缸带动挡板的升降中，发现挡板曲柄所用的轴端挡板与横移车体的留孔相干涉，干涉部位显示为红色，处理方法为：在不影响结构强度的情况下，扩大留孔尺寸（图4）。
图4 检测到冲突
Fig.4 Detected Interference
a)三维实体生成工程图
在没有发现任何干涉碰撞的情况下，进行绘制工程图。与Autodesk公司的二维绘图软件AutoCAD相比，Inventor的二维绘图功能更加强大和智能：
1.Inventor可以自动由三维零部件生成二维工程图，不管是基础的三视图，还是局部视图、剖视图、打断视图等，都可以十分方便、快速的生成；
2.其次，由实体生成的二维图也是参数化的，二维三维双相关联，如果更改了三维零部件的尺寸参数，那么它的工程图上的对应尺寸参数自动更新；也可以通过直接修改工程图上的零件尺寸而对三位零件的特征进行修改；
3.有时候，快速创建二维工程图要比设计实体模型具有更高的效率。使用Autodesk Inventor，用户可以创建二维参数化工程图视图，这些视图也可以用作三维造型的草图。
四、打包归档及Autodesk Vault
经审核发图后，要对设计文件进行打包。打包是将 Autodesk Inventor 文件及其引用的所有文件保存到单个位置的工具，为以后的设计留下技术储备。在打包时，最好不选择跳过库，这样在打包时，就会保存装配中所选择的标准件，以免在以后使用此设计时，无法检索到标准件。
三维实体模型的归档是通过服务器中Autodesk Vault的数据管理来实现的。Autodesk Vault是一个工作组数据管理系统，用于在项目团队内共享设计数据。Vault是所有工程和相关数据的文件管理和版本控制系统，为设计团队成员提供了一个安全的中心协作环境。服务器存储所有设计信息的主数据文件。客户端提供对存储在服务器上的文件的访问。在本项目中设计人根据个人工作站上的Vault客户端的权限不同，来对自己所设计的产品（三维实体模型）进行检入及检出，来进行版本控制，并用来存储和共享所有类型的工程文件和相关数据。文件可以是Autodesk Inventor、AutoCAD、Autodesk DWF（Web图形格式）、FEA、CAM、Microsoft Word、Microsoft Excel文件或设计过程中使用的其他任何文件[2]。
五、结束语
本次设计采用Autodesk Inventor软件进行三维设计，促进了工作的规范化、系列化，提高了设计质量，压缩设计周期，降低成本，更加适应多变的市场需求。
但是，本次设计中也遇到了使用Inventor进行设计时，其软件本身所无法解决的一些问题，估计在Inventor的后续版本中能够解决。
参考文献
1.陈伯雄，董仁扬，张云飞，等.Autodesk Inventor Professional2008机械设计实战教程.化学工业出版社.2008年.
2.胡仁喜，董永进，郑娟.Inventor10中文版机械设计高级应用实例（第二版）. 机械工业出版社.2006年.