淺談橡機行業三維軟件的實施與應用

白文博，王帥

(天津賽象科技股份有限公司，天津 300384)

淺談橡機行業三維軟件的實施與應用

Implementation and application of three-dimensional software for rubber machinery industry

白文博，王帥

(天津賽象科技股份有限公司，天津 300384)

介紹在橡膠機械設計過程如何高效靈活使用三維設計軟件。以Autodesk Inventor軟件為例講述三維軟件的實施與應用。如何通過三維設計軟件實現零件層系列化、部件層模塊化產品層平臺化，從而達到零件參數化管理、部套可配置管理、產品系列化管理的目的。

橡膠機械；Inventor；參數化；自頂向下

1 企業背景

世界制造業轉移，中國正逐步成為世界加工廠。美國、德國、韓國等國家已經進入發展的高技術密集時代與微電子時代，鋼鐵、機械、化工等重化工業發展中期。由于數控機床綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服系統、精密檢測與新型機械結構等方面的技術成果，具有高柔性、高精度與高度自動化的特點，因此，采用數控加工手段，解決了機械制造中常規加工技術難以解決甚至無法解決的單件、小批量，特別是復雜型面零件的加工，應用數控加工技術是機械制造業的扶技術革命，使機械制造的發展進入了個新的階段，提高了機械制造業的制造水平，為社會提供高質量，多品種及高可靠性的機械產品。對于橡膠機械而言也不例外，三維技術幾乎被所有機械制造公司所采用，可以說三維技術（包括計算機輔助制造、計算機輔助工程分析）的應用水平，已經成為評價一個國家機械制造工業水平的重要指標。橡膠機械設備更是件復雜的產品，其開發流程涉及到極大的工作量，借助于先進的三維技術能降低開發人員的工作量并提高產品質量。

2 三維軟件的介紹及應用意義

Inventor美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實體模擬軟件Autodesk Inventor Professional（AIP）。Autodesk Inventor Professional包 括Autodesk Inventor & reg 三維設計軟件，還加入了用于纜線和束線設計、管道設計及PCBIDF文件輸入的專業功能模塊，并加入了由業界領先的ANSYS技術支持的FEA功能，可以直接在Autodesk Inventor軟件中進行應力分析。在此基礎上，還集成了數據管理軟件Autodesk Vault——用于安全地管理進展中的設計數據。

2.1 提升產品設計質量

通過Inventor零部件分析、動態機構分析、產品運動仿真分析功能的應用，將分析過程整體融入到設計環節，提升產品設計質量。

2.2 降低企業內各部門間的溝通成本

通過Inventor三維建模，可以對新產品或已有產品進行跨專業評審，提高公司內各部門間的溝通能力，提升產品質量。

2.3 從設計源頭盡可能降低裝配階段錯誤

通過Inventor三維裝配功能的應用，預先對裝配過程進行分析，降低由于設計錯誤導致的現場裝配問題。

3 三維軟件的實施

3.1 硬件推薦配置

①Windows7或Windows8 64位操作系統；

②四核或六核處理器；

③8 GB或者更多內存；

④DirectX11級別的顯卡，顯存2 GB或者更多；

⑤硬盤空間至少為1TB。

3.2 硬件和系統詳細介紹

（1）操作系統

為什么我們要求用64位的操作系統呢？我們知道，在“大裝配”、“運動仿真”等功能中對系統內存要求很高，64位操作系統對內存沒有任何限制，而32位操作系統最大支持到4 GB內存，所以推薦64位操作系統。

（2）顯卡

對于Inventor這種3D應用程序運行大裝配模型來說，顯卡是一項非常重要的硬件。推薦使用DirectX11級別、顯存大的顯卡，目前越來越多的Inventor特征是基于DirectX11 API開發的。同時推薦使用工作站級別的顯卡，和消費級別顯卡相比，這種顯卡的性能會更好，穩定性更強，例如：NVIDIA Quadro系列顯卡，AMD FirePro系列顯卡等。并且定期更新最新官方驅動。

（3）內存

計算機中安裝的內存越大越好。查看主板規格，以了解可以安裝的最大內存量。盡量使用現有速度最快的內存。表1提供了有關建議，內存量的通用準則。實際要求將因零件幾何圖元的復雜性及引用數量而異。

表1 AIP建議內存

（4）硬盤

硬盤驅動器的讀/寫時間會影響打開或保存大型模型所需的時間。固態驅動器可以改善此性能，因此你有充足的預算，可以配置固態硬盤。Inventor訪問文件時使用段加載，這表示所需的文件部分會加載到內存中，其余部分會保存到硬盤上。因此當需要文件的其他段時，如果可以盡快讀取這些段，則十分有益。

（5）處理器

如果使用多個處理器，你可以從中受益。但是，速度更快的單個處理器更受歡迎。明智的選擇是在預算允許的情況下購買速度最快的CPU。如果預算允許，購買速度最快的雙CPU為最佳。

3.3 企業開發工具及模板

（1）Inventor與PDM數據接口

通過PDM數據接口（見圖1）實現與PDM物料庫（見圖2）數據交互。我們可以直接引用PDM物料庫里已有的所有物料（包括自制件、標準件、企業標準件等）。這樣不僅提高了設計效率，降低了新物料編碼的使用率，而且對企業標準化起到了關鍵作用。

圖1 數據接口界面

圖2 物料引用界面

（2）企業工程圖模版

根據企業的采購需求、生產需要、外協需求、制定的工程圖模板，見圖3。

圖3 工程圖模板

4 參數化設計方式介紹

4.1 ipart功能介紹

在大型工程項目設計中，一般都是由多個設計者共同完成。在這種協同設計的過程中，保證部件設計的一致性，以及可重復使用設計數據的共享顯得十分重要。Inventor已經提供了許多標準件，但這些還不能完全滿足各種專業的設計需求，因此自定義零件族就成了必然的用戶化、專業化的常用方法來補充Inventor庫的缺陷。而iPart就是這種設計思維的對應模擬功能。

（1）iPart的創建

要建立iPart，首先必須創建一個零件，或打開現有的零件并創建完整特征。如設計一個球頭支撐釘，我們需要添加完整的設計約束尺寸，如圖4。

圖4 尺寸參數界面

圖5 iPart界面

（2）啟用ipart功能，建立參數表

在菜單中【工具】→【創建iPart】，則打開【創建iPart】對話框，Inventor自動就將相關設計參數接受過來了。如圖5所示，Inventor雖然幾乎將所有的設計參數都接受過來了，但其數據次序的排列不符合設計習慣，而且有些數據在后面的操作中不會用到，因此就有必要對數據進行整理。如何根據設計習慣及實際情況來合理安排參數是需要設計人員認真思考的問題，在這點上用戶不但要掌握本軟件的知識，還應具有一定的專業知識。

設置參數，將光標放在現有數據欄的左邊，可在右鍵菜單中“插入行”添加新數據行，并鍵入相關數據，見圖6。我們還可以在“參數”選項卡右側的窗口中列出的數據是以后在iPart工廠中檢索引用的根據，為了檢索方便，可為其中的參數設置“關鍵字”，見圖7。

圖6 添加數據行

圖7 設置關鍵字

（3）使用iPart

通過創建和放置iPart、發布零件族，可使所有參與者在協同設計過程中共享設計意圖，可以利用這樣的機制，形成一種“用戶自定義零件庫管理”的模式。在零件族的發布過程中，可以創建零件的多個引用在【創建iPart】對話框的下部，每一行是它定義的iPart工廠的電子表格中的一行，都是iPart的一個引用。根據需要在每個引用中修改其參數、特性、螺紋信息、iMate信息、特征抑制和定位特征等，以便重復利用同一個設計。要管理多個引用并使用戶輕松地切換到不同的引用，應該將零件的參數和特性存儲在電子表格中。電子表格中的零件集合就是零件族。放置iPart工廠中的零件時，在電子表格中選擇一行來表示所需的引用，iPart即被發布，同時插入到部件中。

4.2 iLogic功能介紹

iLogic是一款基于關聯設計的桌面自動化軟件，旨在為制造企業提供基于關聯規則的設計和自動化技術。通過iLogic技術創建的“智能部件”（smart part）能夠攜帶準確的設計信息直接嵌入Inventor創建的數字化樣機，從而讓設計工程師抓住設計靈感，無需復雜的編程知識即可把普通的設計任務自動化。Inventor iLogic采用規則驅動設計的新技術，可由iLogic創建的規則自動完成。其智能化，體現在對產品的配置、修改、重用時，對模型參數、特征、屬性等信息，具有邏輯性的處理。Inventor iLogic的另一大優勢，則是它的易學易用。掌握iLogic，并不需要什么高深的編程知識和技術，一般的工程設計師，很快就能掌握。

（1）iLogic應用的兩種模式

①簡單的并行設計模式：各個工程師在并行設計過程中，需要發生傳遞數據時，先把數據傳遞關系寫入到Excel表格中(這里僅僅是記錄傳遞關系，并不實現實時的數據傳遞)，等把設計的產品集成為裝配后，在裝配環境下通過iLogic規則的運行，實現數據的傳遞。對零部件修改后，再次運行規則，可實現模型的自動更新。本模式適用于小規模的協同并行設計，簡單易用。

②數據驅動工程圖的設計模式：一般設計流程是數據到3D模型，再到工程圖，而數據驅動工程圖模式，期望建立數據與工程圖的直接關系，即修改數據之后，用戶就可以拿到數據更新后的工程圖。其主要方法就是利用iLogic自動地、批量地完成以下動作：打開模型、讀取最新數據、更新模型、更新工程圖。該模式適用于結構相對簡單、數據需要經常修改、具有批量工程圖的產品設計及修改。

（2）iLogic表單的設計

Inventor iLogic使用戶在短短幾分鐘就可創建或編輯自定義用戶界面表單。以一個相對比較復雜沖壓模具（見圖8）為例，圖9是模具典型組合選型表單，當用戶在表單中選擇不同的型號時，模型參數可以自動更新，其參數可以全部顯示出來，見圖10。而做出這樣的表單，用戶只需將需要的模型參數、用戶參數拖拽到對話框中即可。

下面就圖11所示的旋轉類零件進行舉例說明，要求 Dmin=5 mm，Dmax=20 mm，Lmin=100 mm，Lmax= 240 mm，并要求在對話框自行選擇參數，如果選擇的參數D或L超出范圍，系統進行提示，并將參數調整為最小值。

圖8 沖壓模具

圖9 iLogic表單編輯器

首先，建立模型文件，模型參數有D和L，并建立用戶參數Dmin=5 mm，Dmax=20 mm，Lmin=100 mm，Lmax=240 mm。

然后發出創建表單命令后進入表單編輯器，用戶可以通過過濾器將需要的參數在選項卡中顯示出來，見圖12。再將需要的參數拖放到表單設計樹中，見圖13。可在用戶界面設計上添加控件。這里對參數D的特性進行設置，在特性選項中將D的編輯控件類型改為滑塊，并將滑塊特性的最小值設為5 mm，最大值設為20 mm，步長改為0.1 mm，見圖14。

如圖15，用戶可以在D對話框中直接輸入數值，也可以通過拖動滑塊修改D的值。同樣方法對參數L特性進行設置。

最后建立iLogic規則：

IfD＜DminOrD＞DmaxThen

圖10 模型參數列表

圖11 旋轉類零件模型

圖12 模型參數表

圖14 編輯完成的表單編輯器

圖15 用戶界面

MessageBox.Show("D超出范圍，請重新選擇"，"提示")

D=Dmin

EndIf

IfL＜LminOrL＞LmaxThen

MessageBox.Show("L超出范圍，請重新選擇"，"提示")

L=Lmin

EndIf

最終會出現圖16的結果，用戶可以直接拖動滑塊修改D、L的值，模型會隨著參數發生變化，用戶也可以直接在對話框中輸入D、L的值，如果D、L超出對應的范圍，系統會執行iLogic規則，出現提示框，見圖17，并將參數值設為最小值。

圖16 iLogic設計用戶界面

（3）iLogic與Execl表格的數據交互

Inventor iLogic橫空出世以來，使得三維模型的參數化、智能化、自動化設計更加易用、快捷和開放。這里以建立GB標準沖壓模具的滑動導向對角導柱模架為例，講解一下利用Inventor iLogic調用Execl表格的數據的過程。

滑動導向對角導柱模架由六部分組成：上模座、下模座、導柱1、導柱2、導套1、導套2，用戶首先選擇模架型號，如圖18，如100×63×110～130，系統從模架工作表“型號”列中尋找到100×63×110～130所在行，分別讀取上模座、下模座、導柱1、導柱2、導套1、導套2的型號，然后它們再根據賦值的型號分別從對應的工作表中讀取相應的參數，以上模座為例，其型號為100×63×25，系統從上模座工作表（如圖19）中尋找到100×63×25所在行，上模座的模型參數分別被賦予對應的值。其它模型亦然。

圖17 錯誤提示

具體過程如下：

首先分別建立模架、上模座、下模座、導柱、導套excel工作表，這個過程需要根據GB標準一一錄入，沒有捷徑可走。

第二步，分別建立上模座、下模座、導柱、導套的三維模型，并且用所有對應工作表中的同名參數去驅動。例如，上模座建立iLogic的規則如下：

Parameter.UpdateAfterChange=True

i=GoExcel.FindRow("模架模座模柄.xls"，"滑動導向對角導柱上模座"，"型號"，"="，型號)

Parameter("L")=GoExcel.CurrentRowValue("L")

Parameter("B")=GoExcel.CurrentRowValue("B")

Parameter("HH")=GoExcel.CurrentRowValue("H")

Parameter("hhh")=GoExcel.CurrentRowValue("h")

Parameter("L1")=GoExcel.CurrentRowValue("L1")

Parameter("B1")=GoExcel.CurrentRowValue("B1")

Parameter("L2")=GoExcel.CurrentRowValue("L2")

Parameter("B2")=GoExcel.CurrentRowValue("B2")

Parameter("SS")=GoExcel.CurrentRowValue("S")

Parameter("S1")=GoExcel.CurrentRowValue("S1")

Parameter("R")=GoExcel.CurrentRowValue("R")

Parameter("l2")=GoExcel.CurrentRowValue("l2")

Parameter("D")=GoExcel.CurrentRowValue("D")

Parameter("D1")=GoExcel.CurrentRowValue("D1")

Parameter("d1")=GoExcel.CurrentRowValue("d1")

Parameter("t2")=GoExcel.CurrentRowValue("t2")

Parameter("S2")=GoExcel.CurrentRowValue("S2")

第三步，建立模架部件模型，依次放入下模座、上模座、導柱1、導套1、導柱2、導套2，其中導柱、導套分別以iLogic零部件的方式裝入，約束后建立logic規則如下：

Parameter.UpdateAfterChange=True

i=GoExcel.FindRow("模架模座模柄.xls"，"滑動導向對角導柱模架"，"型號"，"="，型號)

Parameter("滑動導向對角導柱下模座:1"，"型號")=GoExcel.CurrentRowValue("下模座")

Parameter("滑動導向對角導柱上模座:1"，"型號")=GoExcel.CurrentRowValue("上模座")

Parameter("A型 導 柱 -01:1"，"導 柱 型 號 ") =GoExcel.CurrentRowValue("導柱1")

Parameter("A型 導 套 -01:1"，"導 套 型 號 ") =GoExcel.CurrentRowValue("導套1")

Parameter("A型 導 柱 -02:1"，"導 柱 型 號 ") =GoExcel.CurrentRowValue("導柱2")

Parameter("A型 導 套 -02:1"，"導 套 型 號 ") =GoExcel.CurrentRowValue("導套2")

第四步：建立模架部件模型的用戶參數“型號”，設為多值格式，這些值分別為excel表中的型號值，可以從工作表中復制粘貼過來。至此全部完成，用戶選擇不同的模架型號，對應的零件也隨之更新。

圖19 上模座execl工作表

5 自頂向下的設計思路

自上而下設計法從裝配體中開始設計工作，這是此設計方法的不同之處。您可以使用一個零件的幾何體來幫助定義另一個零件，或生成組裝零件后再添加加工特征。您可以將布局草圖作為設計的開端，定義固定的零件位置、基準面等，然后參考這些定義來設計零件。

（1）骨架設計方法：

骨架文件

通常，骨架文件中包含了下列四種設計元素的一種或多種：

①草圖：可以用來定義最終產品的設計概念，或者用來表達產品裝配的布局。

②工作特征：用來定義關鍵的連接點、軸的方向，或者是裝配的安裝（工作）平面。

③參數：定義關鍵的零件尺寸、放置的角度，和其它己知的設計值。

④實體：用來表達最終裝配中的形體，實體代表的可以是零件也可以是部件。

主草圖可以用來控制設計的形狀、配合關系，設計功能。參考下圖的簡單例子:

圖20（a）的主草圖，定義出零部件的關鍵尺寸、相互之間的配合關系。在設計零部件時，將該主草圖衍生至當前設計的零部件中，基于該主草圖，完成設計20（b）。由于所有零部件由于都是基于同一草圖設計，最后的裝配文件中，零部件放置后，選擇放置在（0，0，0）點，并固定，即完成了裝配工作，見圖20（c）。

（2）絕對原點設計方法：

這種方法里，所有的子裝配都基于同一個原點放置。通常，該原點是通過一個零件文件中的草圖或者實體定義出相應的體量（位置）。然后，所有的子裝配文件都基于該文件后續的設計，在最后的裝配文件中，零部件放置后，選擇放置在（0，0，0）點，并固定，即完成了裝配工作。采用絕對原點的設計方法，易于定義，易于管理。由于相互之間的位置已經確定，所需的裝配約束也大大減少，在設計發送變更時也很容易處理，甚至對于需要替換某個子部件的需求，解決起來也是易如反掌，當然它的局限性就是不太適合部件與部件之間有機構運動的設計。因此，對于只需考慮部件之間的靜態位置，或者考慮產品的模塊化設計、團隊之間協作設計的需求，這種方法是不錯的選擇，參考圖21的簡單例子，A、B、C代表產品的三個子模塊，它們基于共同的設計原點，關鍵的設計參數都可以通過草圖或實體的改變而關聯驅動。

圖20 自頂向下設計實例

圖21 采用絕對原點的設計

在實際設計中過程中沒有所謂的通用法則“萬能設計方法”，設計的目標需要考慮多重因素，易于加工、生產成本合理，同時還需要考慮作業文檔的要求。無論是自頂向下還是自底向上，在特定的設計場景下，都有各自的優缺點及適應性，我們不能一概而論孰優孰劣。現實狀況是，在實際的復雜產品設計過程中，將兩種方法組合起來使用是非常常見也是非常必要的選擇。

6 總結

隨著企業三維應用的不斷開展和深入，相關的標準會越來越規范，各種規章制度也會逐漸完善，且適應于自身。同時，三維標準零部件也會越積越多，為了能完全發揮三維設計易于修改、重復利用的優勢，進一步提升效率，此時我們可以找專人進行三維標準件庫的管理和日常維護。如各種企業常用的國標件、企標件的搜集、創建和分類等工作，專人的維護和相關的使用流程等。當然，對于有條件的企業，還可以根據自身需求利用三維軟件的API進行二次開發等工作。從軟件的選型到成立項目應用小組，從初級培訓到建立長期有效的內外培訓機制，從規章制度和標準模板的建立到企業全面推廣，三維軟件的實施對企業來說是漫長而艱辛的。正是因為有了細致的實施計劃，合理的人員搭配，腳踏實地的實施過程，堅定的領導層支持，最終通過合理的制度，高效的管理，完善的企業三維設計標準，才能最終完成企業三維軟件的實施。三維軟件的成功實施和應用帶給企業的將是更加燦爛的明天和希望！

[1] 蔡漢明，陳清奎 . 機械CAD/CAM技術.北京:機械工業出版社，2003.

[2] 張瑩 . 機械設計基礎.北京:高等教育出版社.1999.

[3] 陳伯雄 . INVENTOR 機械設計應用技術.北京:化學工業出版社，2008.

[4] 高秀華等. 機械三維動態設計仿真技術.北京:化學工業出版社，2003.

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TQ330.4

1009-797X(2015)15-0011-08

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.15.003

白文博（1990-），男，PDM項目經理助理，主要從事PDM平臺維護、管理工作。

2014-08-04