軸系零部件參數化及自適應設計方法

李 明，許成文

（北京科技大學，北京 100083）

軸系零部件參數化及自適應設計方法

李 明，許成文

（北京科技大學，北京 100083）

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

軸系；Inventor；參數化；自適應

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

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，它是一款全面的設計工具，它的功能涵蓋了產品從草圖設計、零件設計、零件裝配、分析計算、視圖表達、模具設計、工程圖設計等全過程，還包括了專業的運動仿真、結構型設計、應力分析、三維布線、三維布管等輔助功能。用于幫助用戶創建和驗證完整的數字樣機以減少物理樣機的投入，提高了設計效率，減輕了技術人員的勞動強度，從而能夠在更短的時間內利用較低的成本生產出更好的產品，以更快的速度將更多的新產品推向市場。

二、部件設計方法

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

三、實例造型分析

1.參數化設計。打開Inventor，進入部件（裝配）環境。利用設計加速器快速設計的功能設計軸。軸的設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、拉伸等操作設計完成。通過設計加速器，只需添加預定參數，就可以得到軸及軸上的鍵槽和圓角等結構，實現對軸的快速參數化設計，而且便于隨時修改軸的結構參數，如圖1。同樣輸入參數通過設計加速器可以完成齒輪以及帶輪的設計。但是通常通過設計加速器設計的齒輪和帶輪并不能完全滿足設計要求，需對其進行進一步編輯。

2.在位創建和編輯零件。在位創建零件就是在部件環境中新建零件，新建的零件是一個獨立的零件，在位創建零件和在零件環境中創建零件都需要制定零件的文件名、放置位置以及創建草圖和特征等。但在位創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聯，在默認情況下通過這種方法創建的零件都是自適應的。在位編輯零件就是可以直接在部件環境中編輯零部件，和零件環境中編輯零件的方法和形式大致一樣。基于自上而下的設計思路，在用設計加速器完成軸、軸承、齒輪后，從資源中心庫中調入平鍵，完成軸上零件的裝配，然后以軸承端面為工作面在位創建支架，如圖2。同樣利用在位創建和編輯零件的功能完成軸套、端蓋、齒輪、帶輪等零件的設計。

3.自適應設計。在如圖3所示的軸和軸套零件中，軸的外表面和軸套的內表面有配合的裝配約束。在軸套設計過程中使軸套的某些草圖或幾何圖元欠約束，使之成為自適應零件，即在在位創建軸套時通過投影幾何視圖得到軸套的內徑，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，軸套的內徑也會隨著軸的直徑尺寸發生變化，而軸套的厚度始終保持不變。在端蓋、支

架、齒輪、帶輪的設計中都利用了自適應的設計。

4.軸的校核。在軸的結構設計完成時，可以在設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.創建裝配模型，生成工程圖。在部件環境中從資源中心庫中調入螺釘、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，設計是否合理，裝配定位是否準確。進一步可以創建表達視圖，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的工程圖模板創建零件及部件的工程圖。

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

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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計方面。