砂石加工系統三維建模及組裝應用

黨麗娟,陳曉霞

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京　100024)

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砂石加工系統三維建模及組裝應用

黨麗娟,陳曉霞

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司,北京100024)

摘要：首先闡述了利用Inventor軟件建立砂石加工設備和輔助設施如膠帶機、料倉等的三維模型的過程；其次，根據產品批量化的特點及建立模型庫的需要，對各個三維模型進行了參數化設置；最后，利用AIW軟件對整個加工系統進行了組裝。組裝后的砂石加工系統形象直觀，不僅可以在AIW軟件里漫游瀏覽，還可以導入其他軟件，成為施工總布置三維可視化模型的組成部分。

關鍵詞：砂石加工系統；三維建模；參數化；施工總布置；Inventor

0前言

近年來，計算機輔助設計技術快速發展，實體的三維模型創建變得簡單便捷。三維模型具有直觀清楚地表達設計者的意圖、附加各種特征屬性、修改方便、出圖方便等優點，在工程設計領域應用越來越廣泛。

近年來，有多位專家學者探索研究三維模型在水利水電工程中的多種應用，取得了豐碩的研究成果，并應用于多個水電工程上。如喬書光提出一種基于設計流程管理的水工協同CAD模型和框架[1]；鐘登華等人提出了基于GIS的水利水電工程三維可視化輔助設計基本方法和結構體系[2]；袁錦虎等人提出實現三維可視化水工設計系統的可行框架和實現方案[3]；杜廷娜等人基于CATIA平臺設計了水電站大壩廊道三維可視化配筋系統[4]。水電工程的三維一體化設計已成為一種必然趨勢。

工程施工總布置是一個復雜的系統，施工總布置三維可視化數字模型，是整個工程設計成果的直觀立體表現，可以直觀地反映各建筑物和構筑物之間的關系，有助于合理地規劃場地，優化各個方案。砂石料加工系統是施工總布置中必要的組成部分，砂石加工系統的參數化實體模型庫，可以十分方便地導入施工總布置數字模型，進行漫游瀏覽，可作為工程施工組織設計科學有效的可視化分析和輔助決策手段。

本文基于Inventor和AIW三維軟件，首先建立了砂石加工機械設備參數化數字模型庫，設備的三維模型能夠進行參數驅動下的修改，然后利用AIW軟件進行了整個系統組裝，組裝后的數字模型可以進行漫游瀏覽，也可以導入其他軟件進一步融合展示。

1 Inventor軟件三維造型技術介紹

Autodesk Inventor是Autodesk公司推出的面向機械設計的三維CAD軟件，它融合了當前CAD所采用的最新造型技術，屬于參數化特征造型軟件[5]。它基于特征的參數化實體造型，融合了二維和三維設計并帶有裝配功能，是集Autodesk Inventor 與參數實體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關聯繪圖以及與 AutoCAD 相互轉換于一體的機械設計系統[6]。

1.1零件建模

零件可以通過草圖來創建。草圖設計，主要是繪制零件實體截面的輪廓線以及定義截面約束。

當建立新零件時，首先基于系統提供的空間坐標系，可以選擇任意一個平面作為起始平面，繪制二維草圖；創建下一個草圖時，可以選擇空間坐標平面或者上一個零件的表面來幫助定義。

截面約束包括尺寸約束和幾何關系約束。尺寸約束指對實體結構的幾何特征，諸如長、寬、高、角度、直徑、半徑、坐標位置等幾何尺寸的界定；幾何關系約束一般指重合、平行、垂直、共線、相切等這些相對空間關系方面的約束。創建零件時，尺寸約束和幾何關系約束不能欠約束，也不能過約束，進而精確確定零件的形狀大小和空間位置，將設計意圖表達出來。基于約束的建模方法在創建和修改幾何模型時非常方便。

1.2參數化技術

參數化設計是指用一組參數來定義或者修改幾何圖形的結構尺寸，進而實現修改實體外形的目的。參數與實體的特征一一對應，當賦予不同的參數序列值時，就可驅動達到新的目標幾何圖形，其設計結果是包含設計信息的模型[7]。參數化設計思想為產品模型的可變性、可重用性等提供了手段，使模型調整變得快捷，快速地生成系列產品，大大提高了設計效率。尺寸參數修改的同時，模型中其它相關尺寸可以及時更新。尺寸驅動已經成為當今造型系統的基本功能。這對于系列化、標準化零件設計以及原有設計做繼承性的修改十分方便。

1.3特征

特征是基于草圖的。草圖完成后，通過拉伸、旋轉、放樣等操作在草圖基礎生成基本的三維實體。然后通過進一步的操作如：打孔、倒角、圓角、陣列、鏡像等生成更精準的三維零件實體。

1.4裝配技術

裝配是三維參數化CAD系統的重要技術。裝配時先將零部件引用到裝配圖，然后通過施加裝配約束消除自由度進行裝配，裝配后可以進行裝配分析，裝配后的零部件可以編輯修改。

零件的引用類似于AutoCAD 中塊的插入，零件的信息隨之攜帶進入裝配模型中，插入到裝配中的一個零件或部件是實際零件模型的一個參考備份，在一個裝配里零件可以多次引用，引用的零件可以是前期建造的模型，也可以是系統資源中心提供的標準件零件庫。零件修改時，裝配件自動更新。

裝配是帶約束裝配，添加的裝配約束用于確定各個零件的相對位置關系和配合關系，可以在一個零件上多次施加約束，對零件施加約束就是減少零件自由度。

在模型裝配后，可以通過干涉分析驗證各個零、部件的設計結果，查找不合理之處。

2設備三維建模

為了充分利用Inventor 智能化三維建模的功能，提高設計效率，加快實體建模的速度，節省設計時間，選擇正確的造型方法和工作流程是非常重要的。下面以AF圓錐破碎機為例說明基于Inventor 的三維建模的一般方法和過程。

2.1零件造型

2.1.1繪制草圖

首先定義項目位置，然后選擇二維繪圖，建立草圖平面，繪制基本特征輪廓；然后通過幾何尺寸和參數變量等約束方法對草圖進行約束，以確定零件的基本形狀和尺寸。

2.1.2創建特征

首先是分析實體，找出零件的基本特征然后確定創建這些特征的順序。使用拉伸、旋轉、掃掠、放樣和倒角、圓角等方法創建零件的基本特征，同時利用這些基本特征，通過陣列、鏡像等命令創建出更多特征。

在零件設計完成后，在模型之間重復使用的零件可以作為標準件存入零件庫中，并設定參數值，以便后期修改調用。

2.2參數化

零件建立后，雖然在建立過程中有關的尺寸可以通過數學表達式建立相關關系，但對于模型的修改來說，還要回到草圖環境中進行編輯，有一定的麻煩，更不利于非模型創建者對于模型的修改。Inventor軟件提供了外部鏈接Excel文件，通過一定的數據格式與模型中使用的參數一一對應，同時可以在Excel文件中添加某個參數對應于模型中具體部位和取值范圍的描述，這不但極大地方便了使用者對于模型的修改，而且修改的數據能夠實時更新。

2.3裝配零件

裝配零件即是將創建的零件或者資源中心庫中的標準件調入部件環境中，并添加裝配約束，形成三維實體。

裝配部件后，進行干涉檢查，驗證各個零件的尺寸和位置關系是否合適，驗證零件之間的幾何關系是否合理。裝配后的實體三維模型如圖1～2所示。

圖1　裝配完成的圓錐破碎機模型圖

3砂石加工系統組裝

3.1砂石加工系統介紹

某工程項目砂石料加工系統，工藝流程共分為粗碎、中碎、細碎、篩分和制砂。系統共布置在4個平臺上：① 受料倉平臺。工程開挖石渣料由自卸汽車運至受料倉。② 粗碎、預篩分及中碎車間、半成品料堆。粗碎車間布置有顎式破碎機，粗碎后的混合料由帶式輸送機運至預篩分車間。預篩分車間布置有圓振動篩，中碎車間布置有圓錐破碎機。中碎產品同預篩后的混合料由帶式輸送機運至半成品料堆暫存。半成品料堆為條形，堆料高度8 m。料堆底部設有地弄，由慣性振動給料機卸料，經帶式輸送機運至篩洗車間。③ 篩洗、制砂、細碎車間。篩洗車間布置有圓振動篩和螺旋洗砂機。半成品混合料篩分為大石、中石、小石、砂4種產品，由帶式輸送機分別運至成品料倉堆存。④ 成品料堆。成品料由自卸汽車送往各區混凝土生產系統。

圖2　裝配完成的顎式破碎機模型圖

首先利用Inventor軟件分別創建鄂式破碎機、圓錐破碎機、立軸沖擊破碎機、振動篩、棒磨機、膠帶機、細碎(制砂)料倉、成品(半成品)料堆等加工設備和設施。將它們在CAD中安裝工藝流程進行擺放，三維的砂石加工工藝流程如圖3所示。與平面砂石加工工藝流程(見圖4)對比可知，三維的砂石加工工藝流程表達條理清晰、形象直觀、簡單易懂。

3.2AIW軟件中模型組裝

AIW軟件中自帶有模型庫，如道路、房屋建筑、景觀樹木、汽車等各類模型，建模者可直接從模型庫中選擇模型，拖拽到視圖中，調整位置和大小，從而滿足設計要求。AIW軟件同時也提供了多種與其他建模軟件的輸入接口，如SDF格式、imx格式等，本次建模的主要思路是將Inventor及Civil 3D軟件中建立的曲面模型或者實體模型，通過合適的文件格式，逐個導入AIW軟件進行表達。創建的砂石加工系統模型見圖5～6。

4結語

本文基于三維實體造型軟件Inventor進行建模，每個模型都帶有參數化數據表，不僅使模型的修改變得容易實現，也為加工設備這種批量化產品建立模型庫提供了可能。砂石加工系統的三維工藝流程比平面方式直觀、形象。各種類型的加工設備和設施在AIW軟件中的組裝，更加形象地展示了系統全貌，設計者不僅可以參考設計，規劃場地的大小等，也可以驗證工藝流程和平面布置的合理性，在總布置展示中，觀察者可以一目了然整個系統在工程區中的位置和系統的設置情況，有利于整個工程設計成果的直觀表達，為工程施工總布置提供一個科學有效的可視化分析和輔助決策手段，有利于水電工程設計的數字化和決策的智能化。

圖3　三維砂石加工工藝流程圖

圖4　某工程項目砂石料加工工藝流程圖　　粒徑尺寸：mm

圖5　砂石加工系統三維模型局部圖

圖6　砂石加工系統整體圖

參考文獻:

[1]喬書光.基于設計流程管理的水工協同CAD 模型研究[D].南京：河海大學,2003.

[2]鐘登華,劉東海.工程可視化輔助設計理論方法與應用[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[3]袁錦虎,常曉林,鄧 虹.水工三維可視化設計系統的技術支撐和實現[J].水利水電科技進展,2009, 26(增1):93- 95.

[4]杜廷娜,丁一,何朝良等.水電站大壩廊道三維配筋CAD系統設計[J].重慶大學學報(自然科學版),2007,30(10):82-86.

[5]陳雪菱,李宏穆. 基于Inventor 的零部件三維造型設計[J].中國測試技術,2005.5.

[6]高霽,包明宇. 機械設計中參數化特征造型方法的研究[J].機械設計與制造,2002(1)：17-18.

[7]孟祥旭.參數化設計模型的研究與實現[D].北京：中國科學院計算技術研究所,1998.

[8]朱文華,過小容.三維約束裝配技術[J].無錫輕工大學學報,1999(4)：95-98.

[9]蘇夢香,鄭超欣,王桂梅等.基于Autodesk Inventor 的三維參數化設計方法[J].機械設計與制造,2007(6)：168-169.

[10]王帥.基于Inventor 的皮帶運輸機參數化建模系統的研究與開發[D].重慶：重慶大學，2008.

[11]吳潔,李麗,孫榮權.新型截止閥的三維建模與虛擬裝配[J].煤礦機械,2007(12)：92-94.

[12]朱慧蓉,鐘登華.施工總布置三維可視化數字模型研究[J].計算機工程與設計,2004(7)：1049-1052.

3D Model Building and Assembly Application of Sand and Aggregate Processing System

DANG Lijuan, CHEN Xiaoxia

(Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing100024,China)

Abstract:The course of building 3D models, by application of the software of Inventor, of the sand & aggregate processing equipment and auxiliary facilities such as belt conveyor, silo, etc is described first. Then, each 3D model is configured in parameterization according to features of products in batch and demands of building model base. Finally, the whole processing system is assembled by application of AIW software. The assembled sand and aggregate processing system is vivid and visual. It can not only be browsed with AIW software but also be introduced other software, constituting components of the 3D visual model of the general layout of construction.

Key words:sand and aggregate processing system; 3D model building; parameterization; general layout of construction; inventor

中圖分類號：TV42;TU63

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.014

作者簡介：黨麗娟(1981- )，女，河南省嵩縣人，工程師，主要從事水利水電工程施工組織設計工作.

收稿日期：2016-01-20

文章編號：1006—2610(2016)02—0049—05