基于Inventor葡萄酒開瓶器的三維建模與運動仿真【含圖紙】

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中國地質(zhì)大學長城學院2012屆畢業(yè)設計 1前 言 葡萄酒瓶起蓋器已經(jīng)經(jīng)歷了很長的發(fā)展史，從開始的笨拙不方便到現(xiàn)在的輕巧靈便，正一步步的走向完善。 第一代：傳統(tǒng)型開瓶器傳統(tǒng)開瓶器主要以塑料手動開瓶器為代表。這種開瓶器缺點很明顯：1、費勁；2、不適合女士和小孩使用；3、外官不美觀。 圖1第一代開瓶器 第二代：不銹鋼開瓶器、蝴蝶開瓶器、海馬開瓶器、金屬開瓶器等；多功能開瓶器；氣壓開瓶器和電動開瓶器（雛形）。這一代開瓶器開始出現(xiàn)功能多樣化，使用方便省力，比如不銹鋼開瓶器中出現(xiàn)小刀，起到一個割破錫紙的作用；而金屬開瓶器中開始利用杠桿原理，達到方便省力的效果；這一代的開瓶器的突破在于出現(xiàn)了第三代氣壓開瓶器和電動開瓶器雛形，為第三代氣壓和電動開瓶器奠定了基礎。這一代開瓶器的缺點也很明顯，首先沒有擺脫費力的缺點，仍然不適合女士使用；金屬的開瓶器開始利用一些物理原理，但是產(chǎn)品體積龐大，笨拙。氣壓和電動開瓶器在技術(shù)上還不成熟，外觀上也不美觀。 圖2第二代開瓶器 第三代：氣壓開瓶器電動開瓶器。這一代開瓶器包括氣壓開瓶器，電動開瓶器（干電電動開瓶器和充電電動開瓶器）是在第二代的基礎上發(fā)展起來，以氣壓和電動開瓶器為代表，擺脫了一二代紅酒開瓶器費力、笨拙的缺點，技術(shù)上臻于成熟，外觀上時尚美觀。這一代紅酒開瓶器的顯著特點是自動化操作，將現(xiàn)代科技完美運用到紅酒開瓶器中，省時、省力、方便快捷，更適合女士使用。 一般來說，開瓶器經(jīng)歷了這三個階段的發(fā)展。雖然說第三代已經(jīng)相對成熟，但仍然存在一些缺陷，比如：價格貴，攜帶不方便，有時得借助一些外界條件來使用?，F(xiàn)在市場上第二代仍是主流，而且第二代中也有一些比較完善的作品，使用比較方便。因此，此次設計為基于 Inventor 軟件，完成開瓶器的三維建模及運動仿真，使人們更加了解開瓶器運動的過程，使其更好地服務于我們的生活。 2 Inventor 軟件介紹 Inventor是美國AutoDesk公司推出的一款三維可視化實體模擬、三維設計軟件。Autodesk Inventor 提供了一個無風險的二維到三維轉(zhuǎn)換路徑。Autodesk Inventor 軟件是一套全面的設計工具，用于創(chuàng)建和驗證完整的數(shù)字樣機；幫助制造商減少物理樣機投入，以更快的速度將更多的創(chuàng)新產(chǎn)品推向市場。Autodesk Inventor 產(chǎn)品系列正在改變傳統(tǒng)的 CAD 工作流程,簡化了復雜三維模型的創(chuàng)建，通過快速創(chuàng)建數(shù)字樣機，并利用數(shù)字樣機來驗證設計的功能，并能夠加速概念設計到產(chǎn)品制造的整個流程。 Autodesk Inventor Professional 提供了一套全面、集成的設計工具，可用于創(chuàng)建完整的數(shù)字樣機，以驗證設計的外型、結(jié)構(gòu)和功能。Inventor 創(chuàng)建的模型是一種精確的三維數(shù)字樣機，支持用戶在工作過程中驗證設計和工程數(shù)據(jù)，盡量減少對于物理樣機的依賴，這將減少進入制造環(huán)節(jié)后代價高昂的原型設計變更。 2.1 零件設計 Inventor 可以幫助設計人員更為輕松地重復利用已有的設計數(shù)據(jù)，生動地表現(xiàn)設計意圖。借助其中全面關聯(lián)的模型，零件設計中的任何變化都可以反映到裝配模型和工程圖文件中。由此，設計人員的工作效率將得到顯著提高。Inventor 可以使經(jīng)常使用的自定義特征和零件的設計標準化和系列化，從而提高客戶的生產(chǎn)效率。利用 Inventor 中的 iPart技術(shù)，設計公司可以輕松設置智能零件庫，以確保始終以同種方式創(chuàng)建常用零件。 　　 2.2草圖繪制 在創(chuàng)建零件和裝配模型之前對不同的結(jié)構(gòu)方案進行評估。通過使用 Inventor 的草圖環(huán)境，可以像使用二維布局一樣快速表達設計構(gòu)思。使用幾何約束功能與草圖修改工具，并結(jié)合顏色和線型的設置，更好地表達設計構(gòu)思。 2.3載荷定義 可以添加不同的驅(qū)動載荷、扭矩以及基于時間的力函數(shù)。用于研究設計模型在不同載荷條件下的性能。 2.4可視化 全面體現(xiàn)設計模型的運行情況和性能。三維動畫可以顯示基于實體模型和施加載荷條件下的動態(tài)運動。 2.5應力分析 Autodesk Inventor Professional的應力分析功能是分析零件的應力應變，以確保零件的強度和剛度。應力分析工具與運動仿真工具全面集成，可以直接利用從運動仿真中計算出的準確載荷條件，執(zhí)行零件的應力分析。 2.6易用性 Autodesk Inventor Professional能夠幫助用戶充分利用原有的 AutoCAD 技能和 DWG 設計數(shù)據(jù)，從而體驗數(shù)字樣機帶來的種種優(yōu)勢。Autodesk Inventor Professional集成了業(yè)界領先的二維和三維設計功能。無需使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，利用 DWG TrueConvert 就能直接讀寫DWG文件，同時還能保持與三維模型的關聯(lián)性。 使AutoCAD用戶快速熟練掌握三維設計工作流程 ，減少相關培訓。利用帶有可識別圖標、AutoCAD兼容快捷鍵、光標提示以及撤銷命令的熟悉設計環(huán)境，簡化從AutoCAD軟件向Inventor的過渡。此外，用戶可以將配置導出為XML文件，然后將其配置傳輸?shù)搅硪慌_電腦上。DWG保存可將三維設計的結(jié)果表達保存為 DWG 格式。 2.7運動仿真 Inventor軟件能夠?qū)崿F(xiàn)物體的運動仿真，借助其運動仿真功能，用戶能了解機器在真實條件下如何運轉(zhuǎn)。通過仿真機械裝置和電動部件的運轉(zhuǎn)以來確保您的設計有效，同時減少制造物理樣機的成本?？梢杂嬎阍O計模型在其整個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)的動態(tài)運行條件，并精確調(diào)整電動機和傳動器的尺寸，以便承受實際的運轉(zhuǎn)載荷?？梢苑治鰴C械裝置中每個零部件的位置、速度、加速度以及承受的載荷。 2.8裝配設計 Inventor將設計加速器與易于使用的裝配工具相結(jié)合，使用戶可以確保裝配設計中每一個零部件的安裝正確。精確地驗證干涉情況和各種屬性，以便一次性創(chuàng)建高質(zhì)量的產(chǎn)品。Inventor提供的強大工具可有效控制和管理大型裝配設計中創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，因此用戶只需專心工作在所關心的部分零部件上?？焖傺b配獨立的零件和子裝配，以定義完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并驗證產(chǎn)品是否可以正確裝配。在裝配中插入和放置新部件，再使用約束定義固定部件和移動部件的位置關系。 3模型的構(gòu)建 3.1木塞模型構(gòu)建 圖3木塞實體模型 現(xiàn)在市場上葡萄酒瓶木塞一般尺寸為，直徑22.5mm高44mm。根據(jù)此尺寸在 Inventor軟件中進行建模過程。 打開Inventor 軟件，點擊新建，在草圖模式下畫出一直徑為22.5mm的圓，然后單擊“拉伸”按鈕。將打開“拉伸”對話框，“選擇”按鈕已啟用。 圖4拉伸指令 選擇圖形窗口中的圓形，單擊鼠標右鍵，然后從關聯(lián)菜單中選擇“繼續(xù)”，這將松開“拉伸”對話框中得“選擇”按鈕而按下“基點”按鈕。然后使用指針拉伸方式定義拉伸操作的基點和端點，在圖形窗口中單擊以設置拉伸操作的起始點。設置基點后，即開始動態(tài)預覽，選定的圓形將連接到指針。在圖形窗口中拖動指針，不用按住鼠標來拖動，狀態(tài)欄將顯示指針的絕對草圖坐標。當移動指針時，圖形窗口中的新位置和形狀將不斷更新。動態(tài)預覽將以虛線顯示原始位置和形狀，以實線顯示新圖形的位置和形狀。然后單擊鼠標左鍵提交圓形的位置。如果有約束阻止拉伸操作，則可以點擊按鈕設置替代以放寬尺寸約束或斷開幾何約束，以達到拉伸的目的。 3.2開瓶器把手的模塊構(gòu)建 3.2.1 輪齒的建模 在草圖模式下建造圖形如下 圖5輪廓圖 圓形直徑為1.27cm，然后單擊拉伸指令，對此圓形進行拉伸，拉伸0.254cm得到圖形 圖6拉伸圖形 使用填充指令對以上圖形進行填充，得到圖形 圖7實體圖 根據(jù)測得的尺寸，在圖7的基礎上創(chuàng)建草圖8，畫出一個齒輪的輪廓線如下圖所示 圖8齒輪輪廓圖 圖9齒輪拉伸圖 然后使用拉伸指令對齒輪的輪廓線進行拉伸得到圖9 使用“環(huán)形陣列”指令 圖10環(huán)形陣列指令 對圖9進行設置。單擊“草圖”工具欄上的“環(huán)形陣列“工具。選中齒輪的輪廓線，單擊“軸”按鈕，然后選擇頂點作為陣列軸，在“數(shù)量”框中指定陣列中元素的數(shù)量，在“角度”框中指定用于環(huán)形陣列的角度360度，單擊“確定”創(chuàng)建陣列，如圖11 圖11齒輪陣列圖 圖12齒輪實體圖 對圖11進行填充，得到圖12。 3.2.2手柄的建模 在草圖中畫出手柄輪廓線 圖13手柄輪廓圖 在垂直于圖13的底部建工作平面一，在此工作平面內(nèi)，畫出手柄底端的輪廓圖。 圖14手柄底端輪廓圖 在齒輪中心部位建立一個平行于工作平面一的工作平面二，在工作平面二內(nèi) 畫出手柄頂端的輪廓圖。 圖15手柄頂端輪廓圖 創(chuàng)建手柄兩彎折點的輪廓線 圖16手柄上彎折點輪廓圖 圖17手柄下彎折點輪廓圖 對圖14、圖15、圖16、圖17放樣。使用放樣指令，單擊“放樣”工具，在“曲線”選項卡上選中圖14、圖15、圖16、圖17的輪廓線，在“截面”表頭下單擊，然后按照手柄的形狀光滑過渡的順序選擇四個截面，在“輸出”下選擇“曲面”。 單擊“封閉回路”復選框以連接放樣的起始和終止截面，單擊“合并相切面”復選框以無縫合并放樣面。在“操作方式”下單擊“切削”。單擊“確定”完成放樣，結(jié)果如圖 圖18手柄放樣圖 去除齒輪底部的部分齒輪。 根據(jù)測量實體得，齒輪底部99度沒有齒輪，創(chuàng)建草圖 圖19齒輪底部草圖 對圖19進行拉伸得到開瓶器把手的實體模塊。 圖20手柄實體圖 3.3 開瓶器轉(zhuǎn)軸的模塊構(gòu)建 3.3.1螺旋桿的建模 根據(jù)測量實體得，螺旋桿高度為4cm，長度為10.75cm，寬度為0.63cm，在三維草圖中畫出輪廓線如圖。 圖21螺旋桿草圖 螺旋桿上端直桿長度為0.76cm，在二維草圖中畫出輪廓線。 圖22螺旋桿頂部輪廓線 創(chuàng)建螺旋桿頂部輪廓線，直徑為0.127cm。 圖23螺旋桿底部輪廓線 對圖21、圖22、圖23進行掃掠。 單擊“掃掠”工具，單擊“截面輪廓”然后選中圖21中的輪廓線，單擊“路徑”選擇路徑草圖，從“類型”列表中選擇“路徑和引導軌道”，在圖形窗口中選中圖22和圖23作為引導曲線。單擊圖21的輪廓縮放選項，來指示如何縮放掃掠截面，和圖21中的輪廓線“求交”，單擊“確定”形成掃掠圖。 圖24螺旋桿掃掠圖 3.3.2 螺旋桿頂部頂板建模 根據(jù)測量實體知其直徑為0.5cm，長度為6.98cm在草圖中畫出輪廓線如圖。 圖25輪廓線 對圖25進行拉伸得到實體圖形。 圖26螺旋桿頂部實體圖 3.3.3 螺旋桿把手建模 根據(jù)測出的尺寸在草圖中畫出輪廓圖。 圖27把手輪廓線 對圖27進行拉伸得到實體圖形 圖28手柄實體圖 3.3.4螺旋桿底部針尖的建模 根據(jù)尺寸在草圖中畫出輪廓線如圖 圖29針尖輪廓線 拉伸圖29得到開瓶器轉(zhuǎn)軸的實體模型 圖30轉(zhuǎn)軸實體圖 3.4 開瓶器中心桿的模塊構(gòu)建 3.4.1 中心軸建模 根據(jù)測得的尺寸，中心桿長5.84cm，寬0.57cm。齒槽高0.076cm，長0.168cm。 兩端無齒槽部分長0.508cm，在草圖中畫出輪廓線，如圖 圖31中心軸草圖 對圖31進行拉伸處理 圖32拉伸圖 在圖32頂部拉伸曲面，在草圖模式下，在垂直于中心軸的上方畫出一直徑為5.84cm的圓形。 圖33草圖的構(gòu)建 對圖33進行拉伸，在中心軸上方會得到一平面如圖 圖34圓的拉伸圖 鏡像圖34，得到 圖35中心軸實體圖 3.4.2 中心軸孔建模 草圖模式下，在中心軸一端畫出孔的輪廓線，大圓直徑0.5cm，小圓直徑0.29cm。 圖36大孔輪廓線圖 圖37小孔輪廓線圖 對上圖進行拉伸便得到開瓶器中心桿的實體模塊 圖38中心軸實體圖 3.5 開瓶器外殼的模塊構(gòu)建 3.5.1 殼體建模 在草圖中畫出殼體的輪廓線 圖39殼體輪廓線 對圖39進行拉伸，得到其實體模型 圖40殼體實體圖 在外殼中的手臂部位應該留有裝手柄的空隙，而圖39中由于是完全拉伸，所以中間是實體，于是應在其手臂原有部位創(chuàng)建于手柄尺寸一致的輪廓線，進行拉伸得到實體以后于圖39求差便可得到裝配手柄的空隙。然后使用鏡像指令，做出外殼的另一半。如圖 圖41殼體鏡像圖 3.5.2 螺旋桿孔建模 在圖40中心軸底部畫出直徑0.858cm的圓，進行拉伸，然后于圖40求交。再在同一部位畫一直徑為0.508cm的圓，進行拉伸，于圖40求差，便可得到螺旋桿孔的實體模型。 圖42螺紋孔實體圖 3.5.3 底座模型構(gòu)建 在圖42底部畫出底座輪廓線 圖43底座輪廓線 對圖43進行旋轉(zhuǎn)，得到底座的實體模型。 圖44底座實體圖 對外殼進行倒角得到外殼的實體模型。 圖45外殼實體圖 4 運動仿真 選擇主菜單“應用程序”中的“運動仿真”命令，進入運動仿真環(huán)境。 圖46仿真面板 圖47運動仿真環(huán)境 在inventor 中打開例配文件,選中鉆子并拖動它，可以旋轉(zhuǎn)，也可以做上下運動。在部件環(huán)境下，可以用鼠標向下拖動并側(cè)向拖動，手柄可以旋轉(zhuǎn)自由，在裝配部件環(huán)境下，可以用鼠標向下拖動并側(cè)向拖動，是轉(zhuǎn)動手把旋轉(zhuǎn)并向下運動，也可以用鼠標拖動旋轉(zhuǎn)兩個手柄中的任何一個來驅(qū)動鉆子作上下運動，前者模擬將鉆子鉆入瓶塞運動，后者模擬將鉆子提上來把瓶塞打開的運動。 在裝配部件的構(gòu)件“手柄”、“轉(zhuǎn)動手把”和“鉆子”只能分別作旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)運動和上下運動、旋轉(zhuǎn)運動和上下運動。一個構(gòu)件的運動能帶動另一個或者多個構(gòu)建運動。這是因為在部件環(huán)境中構(gòu)件相互之間是被約束的，它們只能夠以一定的方式運動。運動的方式取決于構(gòu)件的自由度。 圖48運動仿真環(huán)境 圖49運動仿真環(huán)境 在運動仿真環(huán)境中，運動仿真瀏覽器在其“固定”項下列出了所有的零部件如圖49這意味著目前條件下沒有任何一個零件可以在運動仿真環(huán)境中運動，即在默認情況下，所有零件有0個自由度。運動仿真使用戶可以對裝配部件構(gòu)造一個運動機理，在部件環(huán)境中，與裝配約束相關的自由度不會完全轉(zhuǎn)換為運動仿真中的自由度。因為在運動仿真環(huán)境中，通過“連接”來定義零件的自由度。 連接，或機械連接，是運動仿真環(huán)境中兩個零部件的運動關系。它決定零部件如何相對運動或相互作用。我們知道，開瓶器的鉆子應該允許上下運動。為此，在運動仿真環(huán)境中，應該產(chǎn)生一個連接來確立開瓶器主框架和齒條之間的運動關系。 5 結(jié)論 通過這次畢業(yè)設計讓自己提高了動手實踐能力，提高了自己分析問題、解決問題的能力，豐富了自己的知識儲備；同時也讓我認識到了自己的很多不足之處，使自己在以后的學習和研究更有針對性，為今后打下了良好的基礎。 本次設計應用三維建模軟件 Inventor 對葡萄酒瓶起蓋器進行建模和運動仿真，更加形象的理解了葡萄酒瓶開瓶器的工作原理，同時認識到 Inventor 軟件在同系列軟件中的一些優(yōu)點和智能操作系統(tǒng)。 參考文獻 (1)陳伯雄，Autodest Inventor Professional 2008機械設計實戰(zhàn)教程 化學工業(yè)出版社，2008 (2)唐湘民，Autodest Inventor有限元分析和運動仿真 機械工業(yè)出版社，2009 (3)紀名剛，機械設計 高等教育出版社，2011 (4)孫桓，機械原理 高等教育出版社，2011 (5)編輯委員會編， 《現(xiàn)代機械傳動手冊》 機械工業(yè)出版社，2002年3月 (6)楊玉英,工程制圖,紡織工業(yè)出版社,1997年 (7)徐尊平 ，雷斌隆，陳 輝．壓力鋼管弧坑缺陷有限元分析叨[J]．電焊機，2005 (8)王文斌,機械設計手冊 (M)．北京：機械工業(yè) 出版社，2004 致 謝 時光如流水，日月次穿梭，不知不覺中大學四年的時光馬上就走到了終點，在這四年內(nèi)我有太多的不舍和留戀，也有許多的感嘆和遺憾，唯一讓自己欣慰的是我并沒有荒廢這四年的時光，在老師和同學的幫助下，我學到了很多東西，豐富了自己的知識儲備。 在本次設計中，我特別感謝楊淑華老師。從課題的準備到設計的最終完成，楊老師都始終給予我細心地指導和不懈的支持。同時楊老師嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，深深地感染和激勵著我。在此謹向楊老師致以誠摯的謝意。 論文即將完成，我心情十分高興。從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫編排整個過程中，得到了許多的熱情幫助。通過這次畢業(yè)設計所收獲的不僅僅是愈加豐厚的知識，更重要的是在閱讀、實踐中所培養(yǎng)的思維方式、表達能力和廣闊視野。很慶幸這四年來我遇到了這許多的恩師益友，無論在學習上、生活上還是在工作上都給予了我無私的幫助和熱心的照顧，讓我在諸多方面都有所成長。在此我深深的感謝幫助過我的老師和朋友，謹以最樸實的話語致意最崇高的敬意，謝謝你們。 24