轴系零部件参数化及自适应设计方法

摘要：本文简单介绍了Autodesk公司推出的三维设计软件Inventor，详细分析了基于Inventor的部件设计方法，并以传动轴系的设计为例，利用Inventor软件中最新的设计加速器功能，采用参数化设计及自适应设计方法，详细介绍了轴系零部件的整体建模过程，实现了轴系零部件的快速设计，极大地提高了设计效率及设计的合理性，本文所介绍的设计方法在实际生活中具有广泛的应用性。

关键词：轴系；Inventor；参数化；自适应

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）13-0146-02

参数化设计作为机械CAD的一项关键技术，贯穿于从概念设计到详细设计的全部过程。它以强有力的尺寸驱动，修改图形功能，为初始产品设计、产品建模、修改系列产品设计提供了有效的手段，能够充分满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品的需要。参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动改变所有与它相关的尺寸，也就是采用参数化模型，通过调整参数修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。参数化设计需要具有强大功能的设计软件的支持，Inventor是美国Autodesk公司设计推出的一款基于Windows平台和自适应技术的三维设计软件，它具有尺寸驱动，参数化设计的特点，本文以Inventor软件为设计平台，利用Inventor强大的参数化驱动功能，建立轴系零部件中各个参数之间的关系，实现参数化建模。自适应设计方法能够在一定的约束条件下，自动调整特征的尺寸、草图的尺寸以及零件的装配位置，因此在设计过程中给设计者带来了很大的方便，提高了设计效率。本文列举的传动轴系设计实例为常见轴系之一，主要连接齿轮传动与带传动，在日常生活中有着广泛的应用。应用Inventor本身的零件设计可以进行相关的轴系设计与装配，但应用参数化设计以及自适应设计可以使设计的模型具有更广泛的应用，可有效地提高设计效率。

一、INVENTOR的简介

Autodesk Inventor是美国Autodesk公司推出的一款可视化的三维实体建模软件，它是一款全面的设计工具，它的功能涵盖了产品从草图设计、零件设计、零件装配、分析计算、视图表达、模具设计、工程图设计等全过程，还包括了专业的运动仿真、结构型设计、应力分析、三维布线、三维布管等辅助功能。用于帮助用户创建和验证完整的数字样机以减少物理样机的投入，提高了设计效率，减轻了技术人员的劳动强度，从而能够在更短的时间内利用较低的成本生产出更好的产品，以更快的速度将更多的新产品推向市场。

二、部件设计方法

在通常的部件设计中，设计者和工程师首先创建布局，然后设计零件，最后把所有的零件通过装配得到最终的部件，这种方法称为自下而上的设计方法。而使用Inventor创建部件时，我们可以直接创建部件，然后在位创建和编辑零件或放置现有的零件，从而完成部件的设计，这种方法称为自上而下的设计方法。相对于自下而上的设计方法，这种以部件为中心的设计方法，支持自上而下和自下而上二者混合的设计策略，从而使设计过程更加简单有效，更符合设计人员的思维方式。在Inventor的部件设计中，我们可以自由使用以上两种方法，以及二者相结合的混合设计方法。本文所采用的为自上而下的设计方法。

三、实例造型分析

1.参数化设计。打开Inventor，进入部件（装配）环境。利用设计加速器快速设计的功能设计轴。轴的设计在一般建模中比较复杂，需要先建立二维草图，再通过旋转、拉伸等操作设计完成。通过设计加速器，只需添加预定参数，就可以得到轴及轴上的键槽和圆角等结构，实现对轴的快速参数化设计，而且便于随时修改轴的结构参数，如图1。同样输入参数通过设计加速器可以完成齿轮以及带轮的设计。但是通常通过设计加速器设计的齿轮和带轮并不能完全满足设计要求，需对其进行进一步编辑。

2.在位创建和编辑零件。在位创建零件就是在部件环境中新建零件，新建的零件是一个独立的零件，在位创建零件和在零件环境中创建零件都需要制定零件的文件名、放置位置以及创建草图和特征等。但在位创建零件可以方便地在其他零部件的工作表面上绘制草图，并且可以投影其他零部件的几何图元以及在其他零件的表面开始或终止其几何特征，进而同其他零件的几何特征相关联，在默认情况下通过这种方法创建的零件都是自适应的。在位编辑零件就是可以直接在部件环境中编辑零部件，和零件环境中编辑零件的方法和形式大致一样。基于自上而下的设计思路，在用设计加速器完成轴、轴承、齿轮后，从资源中心库中调入平键，完成轴上零件的装配，然后以轴承端面为工作面在位创建支架，如图2。同样利用在位创建和编辑零件的功能完成轴套、端盖、齿轮、带轮等零件的设计。

3.自适应设计。在如图3所示的轴和轴套零件中，轴的外表面和轴套的内表面有配合的装配约束。在轴套设计过程中使轴套的某些草图或几何图元欠约束，使之成为自适应零件，即在在位创建轴套时通过投影几何视图得到轴套的内径，然后只标注轴套的厚度，在这种欠约束的条件下，轴套的厚度永远保持不变，但是轴套的内径却随着轴外径的变化而变化。那么如果因为某种需要修改轴的直径尺寸，轴套的内径也会随着轴的直径尺寸发生变化，而轴套的厚度始终保持不变。在端盖、支架、齿轮、带轮的设计中都利用了自适应的设计。

4.轴的校核。在轴的结构设计完成时，可以在设计加速器的轴生成器中进入“计算”选项卡，为轴添加材料、载荷和支承进行刚度计算，对轴进行校核。

5.创建装配模型，生成工程图。在部件环境中从资源中心库中调入螺钉、平键、垫圈等标准件，选择合适的尺寸，利用装配工具完成总装配。在设计完成后对装配模型可进行干涉检查，检查模型是否正确，设计是否合理，装配定位是否准确。进一步可以创建表达视图，生成爆炸视图，制作动画，观察部件的装配过程，便于实际装配及维修，如图4。再利用Inventor 2013的工程图模板创建零件及部件的工程图。

参数化设计以及自适应技术是现代化设计的一种趋势，产品的研发并非一蹴而就，而是一波三折，因为处于研发阶段的各项特征都具有不确定性，需要根据其他研发人员及客户的反馈信息对设计的产品进行反复论证、修改甚至重新设计，从而不断改进和完善。利用Inventor进行参数化及自适应设计，可以按照设计人员的设计意图灵活修改，从而加快设计时间，减少设计步骤，提高设计效率。此外，使用此种设计方法便于保存已经设计的元件参数，管理所得数据。因此，本文介绍的设计方法具有良好的前景，值得加以推广。

参考文献：

[1]曹彤，万静，王新，等.机械设计制图[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2]叶玉驹，焦永和，张彤.机械制图手册[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]胡仁喜，康士廷，刘昌丽，等.Autodesk Inventor Professional 2012中文版从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]陈伯雄.Inventor机械设计解析与实战[M].北京：化学工业出版社，2013.

基金项目：北京科技大学“研究型教学示范课”建设资助项目（KC2012YJX10）。

作者简介：李明（1992-），男，河南驻马店人，本科生，主要研究方向为机械设计方面。