三维参数化在散料输送设备中的应用

三维参数化在散料输送设备中的应用

周媛清，赵俊霞

中科长城海洋信息系统有限公司 湖南 长沙 410152

摘要：三维参数化设计不但可缩短产品的设计周期，同时还可将设计成果有效再利用。本文根据散料输送设备的产品特征，分析了参数化设计在结构设计中的可行性。通过典型的工程实例，介绍三维软件Autodesk Inventor在散料输送设备中的参数化设计技术。

关键词：参数化；CAD技术；散料输送设备；快速设计

0 引言

在当前激烈的市场竞争环境下，企业能否快速地提供市场需要的产品是其核心竞争力的一个重要标志。而设计时长在整个产品的生产周期中占有相当大的比例，尤其在设计项目繁多，任务繁重的情况下，更需一套适合设计部门的快速设计工具以提高效率，减少出错[1]。

随着制造业信息化的发展趋势不断加快，产品设计的数字化设计方法也是日新月异。比如Pro/ENGINEER、Autodesk Inventor以及SIEMENS NX在三维参数化技术上都有不俗的表现，推动了CAD技术在机械领域的广泛应用。对行业设计水平的提升、设计方法的拓展、开发周期的缩短和企业竞争力的增强都起到了巨大的推进作用[2]。

本文主要研究了三维CAD软件的参数化设计技术，并以Autodesk Inventor为例，通过二次开发建立起针对散料输送设备的快速响应设计平台。

1 参数化设计技术概念

参数化设计技术主要以尺寸关联和几何约束为中心思想进行设计工作。设计人员先进行草图骨架设计，勾画出结构总体布置，然后再输入精确的关联尺寸和几何约束来完成最终的设计。同一拓扑结构的后续设计都可直接通过修改第一次的三维模型来实现快速修改，设计参数不但可以调整三维模型，相应的二维工程图也自动随之而变。

最初的CAD所设计的产品模型都是几何图元，如点、线、圆等的简单叠加，仅仅描述了产品的可视形状，尺寸和约束没有系统的关联控制，因而难以对模型进行改动重用，生成新的模型。

与传统的的设计方法相比，参数化设计更注重拓扑结构的优化布置、尺寸之间的有效关联和几何约束的合理利用。整个设计流程在参数化设计过程中被记录下来，可以设计出一系列产品的模型。参数化设计可以让设计者迅速地画出零件的草图，而一些不必要的细节被省略，并可以改变一些关键性的尺寸，通过这些关键性尺寸来驱动其它一些次要的关联尺寸，完成对新产品的快速设计，用一个标准模板即可对一系列标准的零部件进行快速的开发。因此，在标准化、系列化的设计工作中，参数化设计技术的优点特别突出。

2 INVENTOR的参数化设计流程

大型的机械产品结构复杂，零部件众多，各零部件间的关系也是相互交错。要实现对复杂产品的参数化设计，需要从总体上规划好各零部件间的相互关系，预判后续设计的改动方向，选取关键的驱动参数，利用合理的参数化设计方法，建立各级零部件的框架文件，在框架衍生的基础上进行零件设计，最后生成与三维零部件相对应、可驱动的二维工程图[3,4]。

3 参数化设计在散料输送设备中的应用

3.1 散料输送设备的设计分析

散料输送设备的代表产品主要有斗轮堆料机、斗轮取料机、装船机、卸船机及带式输送机。各种产品的功能各有不同，但其设计特征却有一定类似，主要有以下几点：

1）总体组成复杂，主体钢结构拓扑形式成熟。如斗轮堆、取料机、装、卸船机由一二十个部件组成，少则长达几十米，多则上百米，设计工作量巨大。其主要部件的钢结构形式比较成熟，结构变化比较有规律，如主梁的加长、改短；安装座的变小、改大，可以对其进行标准化和系列化划分，以便于进行参数化设计。

2）外购件、标准件众多。长度较大的带式输送机在该项比较突出，其组成的托辊、螺栓数量巨大。而斗轮机、装卸船机的标准件、外购件的数量也比较多，建立标准化的零部件模型库，对于后续的设计工作非常有利。

3）机构运动。带式输送机的运动机构较少；斗轮机和装卸船机则有作业动作、回转动作、俯仰动作、走行动作等众多的工作运动。对于运动机构来说，干涉检查、产品效果展示，三维模型要比二维图纸的表现力更为有力。

4）设计分析方法需求多样。由于散料输送设备的结构复杂，机构众多，常常需要进行仿真分析、力学分析、运动分析等多种设计分析。三维软件自带多种分析模块，可针对各种需求进行有力支持。

3.2 参数化技术在斗轮机设计中的具体实现

Autodesk Inventor三维设计软件提供了多种方法以实现参数化设计。比如：衍生零部件机制；多实体建模和自动生成零部件；链接Excel表参数驱动模型；结构件生成器等软件功能方法。这些方法各有特点，需要按需灵活使用才能发挥其最大效用。

根据散料设备的产品特点，可将斗轮机划分为不同的系列，根据系列划分再建立各自不同的基础模型。本文以小型斗轮堆取料机中的一个主要一级部件臂架前段为例，说明大型钢结构件中参数化设计的主要过程：

1）使用自顶向下的三维设计思路，主要采用衍生零部件机制方式建立参数化模型，在新建零件中建立部件的总体布置框架草图文件；

在总框架的基础上对子框架进行完善，建立必要的草图框架，必要的工作平面。把草图、工作平面的名称改成容易识别的名称，方便后续建模时调用。比较规则的结构件尽量用中心线建立草图框架，后续出工程图时可以调用。

2）建立部件Excel参数表；

Inventor 提供了Fx参数表平台，它在所有模型类环境中都存在，它显示并定义建模过程中形成的几乎所有参数，可以对现有参数重命名、改变值或添加备注，也可以定义用户参数以便在零件中使用。同时它还可以链接到外部excel表和其他inventor零部件，造成动态关联。

建立Excel参数表的作用就是定义变量并对变量赋值，在设计中，首先就是确定上述参数，以保证部件的大体轮廓和尺寸。

Excel表中的参数定义需要按一定的规则编写，一般按参数名、参数值、度量单位、注释等顺序排列。特别要注意的是，Excel表中的参数是有选择的，主要的设计参数尽量控制在最少，这样不仅方便修改，也可以更好的控制零部件整体修改时的局部尺寸变化，另外不能将零部件的所有参数都放在表中作为参数进行修改。

还可以根据需要，对参数进行分类：总体参数、独立参数、计算参数、常量等。

fx参数方式：

——模型参数：在模型中添加尺寸或特征时，将自动指定参数；

——用户参数：控制少量的模型参数，装配中只能控制装配参数，不能控制零件的参数；

——外部链接：可以选择Excel\IPT\IAM三类文件之一，引进参数后可以动态关联。

链接Excel表规则：

——有效的Excel参数为紧凑的四列，每列分别为参数名、参数值、参数单位和注释；

——有效的数据可以放置在表格任何地方，但链接参数表时，要指定参数的开始单元方能正确有效链接；

——参数列中不能空格，其以外的任何数据均不会被读取；

——零部件链接外部excel，则会把全部参数都链接，不具选择性。

3）Excel参数表与框架草图的链接（如图1所示）；

图1

4）使用框架草图文件衍生子零件建模；

建模总体思路是在位创建：首先建立部件，其次在部件基础上在位创建子部件，最后在子部件基础上在位创建零件。零件的建立，图形和参数都必须通过衍生相应框架获取，只衍生必要的草图、工作平面、参数。

5）最后使用自底向上的装配方法组装各个零部件，形成部件的总装配；

6）驱动Excel表参数，实现新部件模型的设计；

7）参数化模型的调试

调试的过程是个很繁琐细致的过程，重要的输入参数需一个、一栏、一起分别进行调试。调试出来的问题也层出不穷，如模型错乱，模型不自适应，尺寸不对等。

由于参数链接方式和inventor中链接机制的原因，本模型需两次保存数据并两次更新才能完成模型的驱动，如在更新过程中遇到报错提示，点击接受即可。

8）工程图模版的建立

工程图模版主要是方便以后的出图，按照企业的要求，包括明细栏，图层，线型的设置等。

9）工程图出图及存档

Inventor提供二维工程图的功能，而且可以做到二维与三维关联更新，其较完善的工程图标注面板足可满足各种复杂工程图的出图要求。其工程图图框、标题栏和线型等均可按用户要求修改定制，出详细零件图或装配图时只需第一次生成标注完善花些时间，此后只跟随模型参数变动更新，无需重复操作。当存在错误时Inventor会高亮提醒，手动更改即可。 

三维工程图的存档不同于以往二维图纸存档，如果想要重复利用三维模型，就需要把三维模型文件都存档，这样存储文件就相当大，势必给存储和备份带来很大麻烦。但针对参数化模型就不存在这个问题，只要把参数化模型保存一次，其他的工程图都可以单独存档，并与三维模型断开链接，确保跟以前的二维存档模式一样。

3.3 参数化技术在皮带机设计中的具体实现

Inventor自带了一系列的专用的参数化工具：ifeature、ipart、iassemble。这些参数化工具都是建立在特征参数表的基础上的。ifeature用于定义特征，ipart用于对零件进行特征化，形成零件工厂，iassemble用于对装配体进行特征化。利用这些工具，可以快速地将系列化、标准化的零件以特征表的形式存储在模型中，方便在Inventor的环境中进行快速的参数化建模。

皮带机主要由机架和滚筒、托辊等组成，机架等钢结构则可以按照臂架前段的方式进行参数化设计，而滚筒、托辊则宜建立专用的部件库，在设计时直接使用。下面以托辊的系列化建模来说明参数化设计在标准件、外购件中的应用情况。

托辊的系列化建模采用ipart工具较为合适，其主要有以下几个步骤：

1）创建基础零件，修改驱动尺寸参数表；

   要建立系列化的ipart，需要先建立一个零件，或者打开已有的零件并完善完整的技术特征，即创建的零件需要按照最典型、最完整的结构，以作为基础零件进行其它零件的创建。

    inventor的驱动尺寸参数是软件自己命名的，在零件建立完成后，可以把这些参数名称改成辨识度高的用户参数。

2）启动ipart功能，建立参数表；

选择菜单栏里的管理工具，点创建ipart选项，则打开创建ipart对话框，Inventor自动将相关的设计参数联接过来，在该对话框中定义表示零件引用的行，指定其参数、特征、抑制、信息、定位特征等技术参数。

    值得注意的是Inventor虽然将所有的零件参数都联接过来了，但是参数次序的排列并不一定符合我们的设计惯例，而且并不是所有的参数都会在后续的调整中使用到，因此需要对参数进行一定的整理，以符合我们的实际情况。

    另外，在实际设计中，零件规格之间可能有数量不同的特征组合，如滚筒的伸出轴是单轴或双轴等，在这种情况下，还要用到“抑制”功能。在特征被抑制的情况下，那么ipart中将不会显示该特征。

3）ipart的表格扩充和修改；

    完成ipart的基础模型建立之后，即可进行系列化零部件的设计了，这里有两种方式进行ipart的编辑。

方式一：在零件浏览器左上角出现表格节点，双击“表格”即会进入ipart编辑器环境。         

方式二：选择“表格”，右键选择“通过电子表格编辑”，出现提醒对话框，点击确定，随即进入excel环境，在excel当中完善系列参数。

4）发布iPart到资源中心库。

    完成iPart的系列化编辑后，需要将零件导入到inventor的资源中心库中，以便设计引用。

4 结论

在散料输送设备斗轮堆取料机和皮带机的设计研发过程中，使用基于Autodesk Inventor三维软件的参数化设计方法取得了很明显的效益，主要体现在以下几点：

1）极大地提高了设计效率。各种复杂的钢结构设计时间大大缩短，出图时间缩短到原来设计时间的1/2至2/3，提高了企业响应市场的速度；

2）在可视化方面优势明显。特别是对新员工培训和对客户进行产品介绍的时候体现的最为突出；

3）在干涉检查方面非常直观。三维模型便捷的干涉检查模块，对于互相配合的零部件能非常直观地检查是否有干涉情况，便于设计的校对检查工作，对设计质量的提升效果明显；

4）标准件库建立便捷。iPart模块独特的参数化设计，为不同外购件模型库的建立提供了有力的支撑，对于系列标准库的完善优势明显。

参考文献

[1] 杨显刚,何玉林,杜静等.参数化零部件库建库技术研究与实现[J].图学学报.2013,34(2): 153-158.

[2] 刘安庆.斗轮堆取料机固定式单尾车参数化设计与分析[D].湖南大学, 2015.

[3] 胡仁喜. Autodesk Inventor Professional 2010中文版从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2010:123-256.

[4] Inc Autodesk.Autodesk Inventor Professional 2012基础培训教程[M].北京:电子工业出版社,2012:105-165.

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