Inventor在机械产品设计中的应用

随着计算机辅助设计技术的快速发展，三维设计软件在产品设计过程中发挥着越来越大的作用，目前三维设计软件种类繁多，各有特色，但总体而言，Inventor的易用性是比较好的，非常适合进行机械设计，强调自上而下的设计流程，具有强大的三维模型与二维工程图的关联功能。

在使用Inventor的过程中，笔者认为它的几项特色功能，比如自适应设计方法、设计加速器以及基于装配约束驱动的运动仿真功能，不仅可以提升产品开发的效率，也能提升产品的竞争力。

一、自适应设计方法

1.概述

Inventor的自适应设计方法是它的一大特色，体现了现代的设计理念。运用自适应设计方法，可以自动调整特征的尺寸与零件的装配位置，极大提高设计效率。

一件新产品往往需要经过多次修改才能最终成型，同时一件产品的各零部件之间都是相关的，在传统的设计方法中，每一次尺寸的改动，都会涉及到大量零部件的尺寸变化以及装配关系的变化，对于设计人员来说，这是一项费时费力的工作。如果能将这些零部件的关系串联起来，通过改变主零件的尺寸，使得其他零件的尺寸实现自动更新，这样就能节省大量的时间，Inventor的自适应方法就为我们提供了这样一项功能。

2.自适应设计方法的三个关键问题

（1）自适应设计的前提是在部件环境中在位创建零部件。通过在位创建零部件，该零件就可以被设置为有自适应性，可以去跟主零件的几何图元进行关联。

（2）自适应零件的欠约束特性。既然需要实现自适应零件能随着主零件的尺寸变化而变化，那么自适应零件本身的尺寸是不能被设置为完全约束的，必须让其处于欠约束的状态下。

（3）建立主零件与自适应零件的几何图元的关联。比如，已创建了主零件A，通过投影A的轮廓，在位创建出零件B，B零件就被自动设置为自适应零件，不需要去约束B零件的尺寸，当A零件的轮廓尺寸发生变化时，B零件的相应尺寸也会发生变化。

3.自适应设计方法在产品设计中的应用

轧机齿轮箱是轧机传动装置的重要组成部分，齿轮箱包括大量的零部件，在设计过程中，将一部分零件设置为自适应零件，可以避免手工改动所有需要改动的零部件，节省大量的工作时间。

在齿轮箱下箱体的设计中，有大量的焊接块、筋板及支撑板等零件存在，有必要在这里使用自适应的方法，加速零件的修改与更新。

所有的支撑板、筋板与焊接块设计都运用了自适应的方法，如图1所示。现以焊接块为例，说明其设计建模过程，图2为焊接块设计前下箱体的模型状态，在下箱体部件环境中，在位创建焊接块，通过投影几何单元，获得下箱体底部位置的孔位轮廓及筋板轮廓。打开焊接块零件，可以看到，它已经被设置为自适应，如图3所示，焊接块也处于欠约束的状态，从草图中可以读出，它的长与宽并没有被定义，仅定义了孔位的大小与位置尺寸，如图4所示。

改变下箱体底部筋板的位置，焊接块的大小尺寸随之变化，而改变焊接块上的孔位大小与位置尺寸，下箱体底部孔位位置也随之发生改变，这就实现了底板与焊接块的同步更新，如图5和图6所示。

二、设计加速器的的应用

轧机齿轮箱中输入轴与输出轴需要螺旋齿轮进行传动，而齿轮的传统建模方法是通过圆盘拉伸，再拉伸一个齿牙，最后通过齿牙的环形阵列得到，这种方法的建模过程相对复杂。通过Inventor的设计加速器，可以通过输入齿轮的关键参数，快速得到理想的齿轮模型，实现对齿轮的快速参数化设计。除此之外，设计加速器可以对各类紧固联接、动力传动、弹簧等进行参数化设计，如图7和图8所示。

三、基于装配驱动约束的运动仿真

1.概念与原理

在机械产品设计过程中，对产品进行运动仿真，可以将产品内各个部件的运动关系直观地表达出来，使设计人员能够全面了解设计方案，并从中发现不足，改进设计方案。在产品设计方案展示过程中，通过运动仿真的方式，方便地展示产品的工作状况，提升产品的竞争力。

在Inventor中，可以使用多种方法来实现运动仿真，比如通过装配约束来驱动仿真，也可以运用Inventor的运动仿真模块，插入不同的运动类型来实现运动仿真，还可以使用表达视图的方法，仿真产品各零部件的装配顺序。

对于一个装配模型，它本身已定义了装配约束，而每一个装配约束已被赋予了一个变量，该变量就是来控制被约束零件的偏移距离，如果能将这些变量通过一定关系将它们联系起来，那么就可以将各零部件的运动联系起来，实现运动仿真。“装配驱动约束”就是这样的一种方法：利用已设置好的装配约束关系，用数学关系式将主动变量与其他被约束变量建立关联关系，实现一个变量对多个动作的驱动。

2.应用

某20辊轧机的中间辊在工作过程中存在一个窜辊的过程，当上辊在左右两端的液压缸推动下向左侧移动时，下辊则在液压缸的推动下向右侧移动，动作相对比较简单，可以将装配约束驱动的思想很好地体现出来，如图9所示。

首先需要定义一个主变量，这是实现驱动的基础。将上辊辊子端面与液压缸端面的距离定义为“topdrive”，初始变量值为550m m，将下辊辊子端面与液压缸的端面距离定义为down，变量值为“1100-topdrive”，图10所示为变量参数表，如图11、图12所示为变量定义过程。

选择变量值550mm，对其进行驱动约束，如图13所示，可以看到驱动的起始位置已被定义在550m m的位置，通过定义终止位置，可以控制仿真的偏移距离，这样我们就通过一个变量值“topdrive”，同时驱动上辊与下辊进行运动，上辊向左运动时，下辊以同样的速度向右侧运动，符合实际的工况，如图14所示。

四、结语

本文基于Inventor平台，将自适应设计方法、设计加速器以及基于装配驱动约束的运动仿真功能应用于机械产品的设计过程中，相比传统的设计方法，效率提升显而易见，也在一定程度上提升了产品的竞争力，同时，通过各项技术的应用，使我们对各方法有了比较清晰的认识，也对今后复杂产品设计需求起到一定的指导意义。