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Autodesk Inventor中基于多實體的自頂向下三維模型設(shè)計

福州機電工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校官云琴

該文針對Autodesk Inventor中基于多實體的自頂向下三維模型設(shè)計，描述了建模思路，并結(jié)合鼠標(biāo)模型、章魚音箱模型進行詳細剖析，總結(jié)出采用多實體自頂向下三維建模的優(yōu)勢。

Autodesk Inventor多實體建模自頂向下三維模型

目前，市場上常用的三維軟件有很多，包括Solidworks、Solidedge、MDT、Pro-e、3ds max、Inventor等。其中，Inventor是美國Autodesk公司推出的三維工程設(shè)計類軟件，作為一款參數(shù)化的三維實體建模軟件，它提供了從草圖設(shè)計到零件設(shè)計、零件裝配、分析計算、視圖表達、工程圖設(shè)計、運動仿真、應(yīng)力分析、三維布線、三維布管等全過程，所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)能用于加工、制造。在數(shù)據(jù)移植方面，Inventor軟件能夠?qū)?、?dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式，如IGES、Parasolid、ACIS、STEP等。同時，作為已經(jīng)成為二維設(shè)計軟件業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的AutoCAD的“近親”，Inventor軟件能夠毫發(fā)無損地讀取來自AutoCAD的二維數(shù)據(jù)。

1　采用多實體零件建模的意義

傳統(tǒng)的零件建模采用自下而上的設(shè)計模式，就是在零件環(huán)境中將每一個零件進行獨立設(shè)計，然后在裝配環(huán)境中進行裝配。采用這種方式建模，在實際零件繪制過程中常常會忘記零件之間的配合尺寸，或者在不斷的修改、切換過程中出現(xiàn)錯誤，造成后期裝配過程中出現(xiàn)尺寸不匹配，導(dǎo)致無法正確裝配，只能進行返工，無形中大大降低了建模的效率。

多實體零件建模采用的是一種自上而下的設(shè)計模式，對比傳統(tǒng)的自下而上零件建模，它能夠在單個零件文件中創(chuàng)建和定位多個實體。在多實體創(chuàng)建過程中，設(shè)計者可以很方便地通過瀏覽器列表控制每個實體的可見性，并根據(jù)需要定義各個實體的單獨顏色樣式。

采用多實體零件建模進行三維軟件設(shè)計時，設(shè)計的流程一般是從成品的外部形狀開始的，隨著設(shè)計的深入來詳細設(shè)計制作單個零件，這就要求設(shè)計者首先了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，明晰并構(gòu)思好產(chǎn)品各個零件間的裝配和位置關(guān)系，充分了解產(chǎn)品的設(shè)計意圖，然后才能利用軟件提供的強大設(shè)計功能及編輯工具，把設(shè)計意圖反映到產(chǎn)品的設(shè)計中。

2　基于多實體的自頂向下設(shè)計模式

傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計采用的是自底向上設(shè)計，即我們精確設(shè)計出每一個零件模型，然后根據(jù)需要逐層向上進行裝配，最終形成總裝配的設(shè)計方法。

自頂向下設(shè)計是一種由最頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計規(guī)范到所有相關(guān)次系統(tǒng)的一種設(shè)計方法。通過自頂向下設(shè)計的運用，能夠有效地傳遞設(shè)計規(guī)范給各個子組件，從而更方便高效地對整個設(shè)計流程進行管理。Inventor提供的自頂向下設(shè)計模式有：基于概念草圖的自頂向下設(shè)計、基于概念模型的自頂向下設(shè)計、基于布局的自頂向下模式設(shè)計和基于多實體的自頂向下設(shè)計。

基于多實體造型是Inventor最近幾個版本才具有的新功能。其建模的基本思路是：首先，創(chuàng)建多實體模型框架，并分割模型。根據(jù)設(shè)計者意圖在Inventor中創(chuàng)建模型的整體形狀，模型整體形狀的尺寸、外形越接近設(shè)計要求越好。整體模型創(chuàng)建完成后可以利用分割、衍生及其他一些工具來分割模型，把模型分割成多個實體，并在多實體模型上創(chuàng)建每個細節(jié)特征。其次，設(shè)置多實體的顏色信息。第三，生成零部件。使用Inventor提供的生成零件或者生成零部件功能把多實體生成需要的部件文件或零件文件。

3　創(chuàng)建多實體零件建模環(huán)境

Inventor軟件提供許多直接或間接地創(chuàng)建新實體的功能，設(shè)計者通過普通的造型命令就可以創(chuàng)建新實體。比如，在“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“放樣”、“掃掠”、“螺旋掃掠”等基于草圖的造型命令中，可以通過單擊對話框中的“新建實體”按鈕，來創(chuàng)建新實體；在曲面功能中的“加厚/偏移”、“縫合”和“灌注”等命令也能新建實體；通過陣列實體也可以輕松快捷的創(chuàng)建出單獨的實體；除此之外，也可以使用“分割”命令在零件文件中用分割工具將一個實體分割成多個實體。

例如，創(chuàng)建鼠標(biāo)多實體模型時，設(shè)計者可以在一個零件文件中結(jié)合二維草圖、三維草圖、放樣、灌注、凸雕、圓角、刪除面等命令，創(chuàng)建出具有比較完整鼠標(biāo)框架的零件文件。然后在一張草圖上創(chuàng)建用于分割多實體的草圖輪廓，此模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要創(chuàng)建比較復(fù)雜的分割線，通過共享草圖的方法同時多次分割出各個零件。鼠標(biāo)的模型框架、用于分割多實體的草圖輪廓以及鼠標(biāo)框架模型的分割命令操作如圖1、圖2、圖3所示。

圖1　鼠標(biāo)的框架模型

圖2　分割鼠標(biāo)框架的草圖輪廓

圖3　鼠標(biāo)框架模型的分割命令

對多實體模型的分割，可以類似上例的鼠標(biāo)模型，在整個模型框架創(chuàng)建完以后用一個共享草圖一氣呵成分割出多個實體，也可以邊創(chuàng)建模型，邊分割。如章魚音箱多實體模型的創(chuàng)建，在用旋轉(zhuǎn)、拉伸、環(huán)形陣列、放樣、圓角、抽殼等基本命令創(chuàng)建出模型大體框架后，用偏移曲面作為分割工具，先將章魚音箱的底座分割出來，然后再修正模型，進行下一步的分割操作。章魚音箱框架模型分割前、分割后以及分割操作命令如圖4、圖5、圖6所示。

圖4　章魚音箱框架的框架模型分割前

圖5　章魚音箱框架的框架模型分割后

圖6　章魚音箱框架的分割命令

4　創(chuàng)建多實體模型的顏色信息

Inventor軟件創(chuàng)建的零件模型，在沒有增加顏色信息前，基本以灰色呈現(xiàn)，不利于表現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖，因此，對模型添加顏色信息很重要。零件顏色取決于零件的材料，Inventor自2013版開始引入了Autodesk統(tǒng)一的材質(zhì)庫，設(shè)計者可以在Inventor軟件中享有所有Autodesk產(chǎn)品相同的材質(zhì)系統(tǒng)。激活“工具”面板，單擊“材料”或“外觀”能分別打開“材料瀏覽器”和“外觀瀏覽器”，可以訪問到Autodesk的材料庫，也可訪問Inventor的材料庫。材料庫可以按類別分組，例如玻璃、瓷磚、地板材料等，每個類別下面又有具體的子材料，如磨砂玻璃、青銅色玻璃、透明玻璃，也可以按名稱，或按顏色進行排序分組。對多實體零件模型的顏色設(shè)置順序一般為“零件”→“實體”→“特征”→“面”，優(yōu)先級越來越高，也就是說如果設(shè)置“面”的顏色，之前設(shè)置的“特征”、“實體”、“零件”等顏色將被覆蓋。

在鼠標(biāo)多實體模型中，將分割后的模型不同實體添加相應(yīng)的材質(zhì)、顏色信息，并適當(dāng)添加燈光效果，鼠標(biāo)模型給人的視覺沖擊力得到明顯的提升，添加顏色信息的效果對比如圖7、圖8所示。由此可見，在三維模型設(shè)計中，材質(zhì)、顏色設(shè)定很重要。

圖7　鼠標(biāo)模型添加顏色信息前

圖8　鼠標(biāo)模型添加顏色信息后

5　多實體模型生成零部件

在多實體環(huán)境下創(chuàng)建的零件模型，雖然已經(jīng)創(chuàng)建了多個實體，但還只是在一個零件文件中，可以通過“管理”選項卡下的“布局”組，選擇“生成零部件”命令，將多個實體作為單獨的零件文件直接導(dǎo)出到部件，并生成多個零件文件。在導(dǎo)出過程中，可以選擇全部實體進行導(dǎo)出，也可以有選擇性地導(dǎo)出部分實體，還可以為每個選定實體的零部件修改零部件信息參數(shù)，如零部件名稱、模板、文件位置。

在鼠標(biāo)多實體模型中，將鼠標(biāo)多實體模型中的底殼、左側(cè)邊、右側(cè)板、手扶部位、左鍵右鍵、滾輪、光標(biāo)等實體直接生成零部件，并保存部件，就可以在目標(biāo)部件所在的文件夾中自動生成相應(yīng)的零件文件。圖9所示的是單個“多實體模型.ipt”文件，該文件中所包含的7個實體如圖10所示。保存通過“生成零部件”命令生成的“鼠標(biāo)裝配.iam”文件（如圖11所示），就可以在文件夾中自動生成如圖12所示的7個零件文件。

圖9　“多實體模型”文件

圖10　“多實體模型”中的7個實體

圖11　“多實體模型”生成的“鼠標(biāo)裝配”

圖12　由“多實體模型”生成7個零件文件

6　結(jié)束語

作為一種面向裝配的三維設(shè)計，基于多實體的自頂向下設(shè)計模式具有比較多的優(yōu)勢。首先，采用多實體建模，所有實體都是從一個模型上分割下來的，實體之間不存在外形的匹配問題；其次，針對建模過程中的細節(jié)，特別是塑料件結(jié)構(gòu)特征，如止口、卡扣、凸柱等，可以使用共同的基準(zhǔn)草圖或工作點，而且是在一個零件上創(chuàng)建的，基本上不會存在尺寸不匹配的問題；第三，在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)上，Inventor中跨零件間的投影有時會有問題，但是一個零件中投影卻沒有問題，而且關(guān)聯(lián)速度會更快；另外，在零件裝配問題上，采用多實體生成的部件裝配文件，各個零件之間的位置關(guān)系仍然保持不變，因此不需要重新添加約束關(guān)系，減少了裝配的時間，也不用考慮零部件之間的干涉問題，而且原始多實體零件更新時，生成的裝配也會關(guān)聯(lián)更新變化。

總之，每一種設(shè)計方法都有它的使用方式，我們可以根據(jù)不同的設(shè)計需要，選擇一種合適的設(shè)計方法。

［1］馬茂林，王龍厚.Autodesk Inventor 2014高級培訓(xùn)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.