Inventor在工程制圖動畫素材庫制作中的應用

蘇 燕 孟慶建泰山醫學院化工學院 山東泰安 271016

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Inventor在工程制圖動畫素材庫制作中的應用

蘇 燕 孟慶建
泰山醫學院化工學院 山東泰安 271016

摘 要：結合實例介紹利用Inventor的表達視圖和Studio模塊，實現機器的虛擬裝配和運動模擬動畫的制作方法和技巧；并將其應用于工程制圖動畫素材庫的建設。

關鍵詞：工程制圖；Inventor；三維設計；動畫制作

工程制圖是工科各專業的一門重要專業基礎課，以工程圖樣為研究對象，教學內容比較抽象，教學難度大。尤其是裝配圖，是教學過程中的一大難點。通過制作動畫素材庫，可以全方位地展示裝配體的工作原理、裝配關系和拆裝順序等，使抽象內容變得生動明晰，利于培養和提高學生的空間思維力。

Invntor作為一款三維設計軟件，提供了豐富而強大的功能及專業模塊加快產品設計，在處理三維造型、虛擬裝配、運動模擬等方面具有獨特的優勢。借助Inventor 提供的工具和模塊制作的三維動畫，可實現對機器、設備等裝配和運動過程的動態模擬，真實反映出零件間的相互運動關系。本文以千斤頂為例，介紹利用 Inventor 軟件進行零件三維實體造型、虛擬裝配和運動模擬動畫制作的過程及要點。

1 零件的三維實體造型

千斤頂由7種零件裝配而成，其中2只緊定螺釘是標準件，其余5個零件分別為底座、螺套、螺桿、頂墊以及絞杠。零件是組成機器的最小單元，因此在Inventor中零件造型是設計基礎。零件造型分為兩個步驟：草圖和特征，創建零件從草圖開始，然后添加特征。如底座的特征有拉伸、旋轉、圓角、孔、倒角等。另外， Inventor中的“螺紋”命令，不是用真正的切削加工表達螺紋，而是在零件的表面貼一層涂層，以提高系統運行速率[1]。所以，為達到逼真的視覺效果，螺套、螺桿零件上的梯形螺紋可用“螺旋掃掠”命令完成，這樣便可真實地把螺紋表達出來。各零件實體造型后如圖1所示。

圖1　千斤頂各零件三維實體圖

2 部件裝配

部件裝配是指把各個零件按它們間的相對位置關系進行裝配。首先新建 “Standard.iam”文件，進入裝配環境，依次放置底座、螺套、螺桿、頂墊以及絞杠零件，然后從資源中心裝入開槽長圓柱端緊定螺釘和開槽平端緊定螺釘，根據各零件的相對位置，為零件添加配合、插入等裝配約束，用約束條件消除其自由度，最后用“干涉檢查”命令檢查各零件之間有無干涉。裝配完成后，還可采用部件剖視圖表達各零件的相對位置(如圖2所示)。

圖2　千斤頂的3/4剖視圖

3 虛擬裝配動畫

對于學生而言，由于裝配圖比較復雜，閱讀與繪制裝配圖，想象各零件間的裝配關系、部件的裝配過程具有較大的難度。Inventor 的“表達視圖”是解決裝配過程表達的有效工具，利用“表達視圖”可以動態地演示部件中各零件的裝配位置和部件的裝配過程動畫[2]，并輸出其拆裝動畫視頻。

首先，在表達視圖環境中載入部件。新建“Standard.ipn”文件，進入表達視圖環境，單擊“表達視圖”標簽欄“創建”面板上“創建視圖”按鈕， 選擇千斤頂裝配文件，并設置分解方式為“手動”。其次，調整零件間的位置關系。利用“調整零部件位置”功能定義各個零件的分解動作。零件動作的定義是靈活多樣的，有單個零件的平移或旋轉、多個零件共同的動作、還有一個零件同時完成多個動作[3]。例如，在螺桿旋入螺套的過程中，既有旋轉運動，還有向下移動，將這兩個運動分別設置之后，再利用“動畫”對話框中的“分組”功能將兩運動組合，如圖3所示的“動畫順序5”體現了兩位置參數的組合。再次，調整各零件的動作順序，使其與實際拆裝順序相一致。最后，調整各步動畫中照相機位置。利用“編輯任務及順序”對話框中的“設置照相機”功能，調整每個動作的觀察角度和顯示大小，既可全景瀏覽又可局部詳察零件間的相互運動，可使動畫表達更為清晰。圖4為千斤頂的表達視圖，清晰地顯示了每個零件的結構以及模擬裝配開始時零件間的位置關系。

圖3　“動畫”對話框

圖4　千斤頂的表達視圖

錄制視頻文件前，可根據需要設置在輸出的動畫中是否顯示動畫軌跡。之后，在“創建”面板上單擊“動畫”按鈕，在“動畫”對話框中單擊“正向”或“反向”的動畫播放按鈕，錄制裝配動畫或拆卸動畫，并將其保存為 “.avi ”或者“.wmv ”視頻文件。

4 運動模擬動畫

Inventor Studio模塊可模擬復雜而連續的運動，為部件創建具有真實效果的動畫渲染。約束動畫是通過改變約束值或者約束狀態制作動畫的[4]。在Inventor 中，可以為零件間添加插入約束和角度約束動畫，從而實現千斤頂的運動模擬。

先打開部件裝配時創建的“.iam”文件，添加螺桿和底座、頂墊與底座的角度約束，以控制零件相對于底座的轉動。然后進入Inventor Studio環境，在瀏覽器中的約束名稱上單擊鼠標右鍵，選擇“約束動畫制作”命令，打開“約束動畫制作”對話框，再設置操作的“開始”和“結束”對應的狀態值和時間。千斤頂的運動仿真動畫分為兩個時間段：第一時間段為螺桿和底座間的插入約束和角度約束，動畫為螺桿的旋轉運動和軸向移動，由于螺桿與絞杠、螺桿與頂墊的插入約束，動畫反映出千斤頂的工作原理：裝在螺桿十字孔內的絞杠逆時針轉動，由于螺桿和螺套間的螺紋嚙合作用，使得螺桿向上運動，達到舉起重物的目的；第二時間段為頂墊與底座的角度驅動約束，動畫為頂墊帶著開槽長圓柱端緊定螺釘繞螺桿轉動，由于開槽長圓柱端緊定螺釘嵌入螺桿頭部的槽內，從而限制了頂墊的上下移動，反映頂墊能轉動但不能脫離螺桿的工作情況。

5 結束語

利用Inventor軟件設計的高質量動畫，真實地模擬出機器或設備的實際裝配和工作過程，將其用于工程制圖課程動畫素材庫建設，與其他同類軟件相比，具有操作簡便，易于使用、快捷高效的優點。所制作的裝配過程、運動模擬動畫，使授課生動形象，不僅能有效化解教學難點，還可以激發學生的學習興趣，從而提高教學質量。

參考文獻

[1] 陳學文,劉文超,王良文.基于Inventor的鋼筋切斷機的三維建模與運動仿真[J].機械工程師,2013(5):98.

[2] 胡仁喜,劉昌利,康世廷.Autodesk Inventor Professional 2012中文版標準實例教程[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3] 馮冬菊,徐占國.基于 Inventor的臺虎鉗三維建模和運動仿真[J].機械工程師,2012(12):48

[4] 陳道斌,殷海麗.工業產品設計(Inventor 2012)[M].北京:電子工業出版社,2012.

Application of Inventor in the Production of Engineering Graphics Animation Material Library

Su Yan, Meng Qingjian
Institute of Chemical Engineering,Taishan Medical University, Taian, 271016, China

Abstract:This paper introduces the method and technique of the virtual assembly and motion simulation of the machine with the Inventor expression and Studio module, and applies it to the construction of animation material library of engineering graphics.

Key words:engineering graphics; Inventor; 3D design; animation production

作者簡介：蘇燕，碩士，副教授。

收稿日期：2015-08-21