基于Inventor葡萄酒開瓶器的三維建模與運動仿真【2013年最新整理畢業(yè)論文】

中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 1 基于 Inventor 葡萄酒開瓶器的三維建模與運動仿真 摘 要 眾所周知飲用適量的葡萄酒對人身體有很大的幫助。比如：增進食欲 ；滋補作用 ；防衰老。并且，葡萄酒也漸漸走入我們的生活， 隨著人們物質文化生活水平的不斷提高，我國的酒文化也在不斷發(fā)揚光大，今天的人們在注意身體健康的前提下，飲用保健飲料已經成為生活的主旋律，因此宴會上飲用葡萄釀造的干紅酒成為人們追逐時尚的酒文化。 葡萄酒雖好，但是由于葡萄酒瓶蓋的原因給我們日常生活中飲用葡萄酒帶來了極大的不便。在我們開啟瓶蓋的時候如果不一不小心的話有可能把木塞弄斷，木塞掉 進瓶里的話會極大影響葡萄酒的口味。本課題就是基于 inventor 軟件，做出一款比較實用的開瓶器的三維建模與運動仿真。通過此過程，我將加強對 inventor 軟件的認識，并且使人們會更加了解開瓶器在開啟瓶蓋時的過程，使其更好的服務于我們的生活。 關鍵詞 ： Inventor 軟件； 建模； 運動仿真 Abstract As everyone knows drinking moderate amounts of wine on the human body has a great help. For example: stomachic tonic effect； aging. And, the wine has gradually into our lives, as peoples material and cultural life level unceasing enhancement, our country wine culture continues to carry forward, todays people pay attention to the health of the premise, drinking health drink has become the theme of life, because the party drinking grape dry red wine become the people chasing the fashion of wine culture. Wine is good, but because the cause of the JiuPingGai grapes to our daily life drinking wine with great inconvenience. In our open cap when if not carelessly words may change the wood plug broken, a cork fell into the bottle words will greatly influence the taste of the wine. This topic is based on the inventor software, make a practical bottle opener 3 d modeling in and movement simulation. Through this process, and I will strengthen the understanding of the inventor software, and to make people better understand the bottle opener in open cap of process to better service to our life. Key words: Inventor software； modeling； motion simulation 目 錄 1 前言 .1 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 2 2 Inventor 軟件介紹 .1 2.1 零件設計 .2 2.2 草圖繪制 .2 2.3 載荷定義 .2 2.4 可視化 .2 2.5 應力分析 .2 2.6 易用性 .2 2.7 運動仿真 .3 2.8 裝配設計 .3 3 模型的構建 .3 3.1 木塞模型構建 .3 3.2 開瓶器把手的模塊構建 .4 3.2.1 輪齒的建模 .4 3.2.2 手柄的建模 .6 3.3 開瓶器轉軸的模塊構建 .9 3.3.1 螺旋桿的建模 .9 3.3.2 螺旋桿頂部頂板建模 .10 3.3.3 螺旋桿把手建模 .11 3.3.4 螺旋桿底部針尖的建模 .11 3.4 開瓶器中心桿的模塊構建 .12 3.4.1 中心軸建模 .12 3.4.2 中心軸孔建模 .13 3.5 開瓶器外殼的模塊構建 .14 3.5.1 殼體建模 .14 3.5.2 螺旋桿孔建模 .15 3.5.3 底座模型構建 .15 4 運動仿真 .16 5 結論 .18 6 致謝 .19 7 參考文獻 .20 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 3 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 4 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 5 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 6 1 前 言 葡萄酒瓶起蓋器已經經歷了很長的發(fā)展史，從開始的笨拙不方便到現在的輕巧靈便，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功能多樣化，使用方便省力，比如不銹鋼開瓶器中出現小刀，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，但是產品體積龐大，笨拙。氣壓和電動開瓶器在技術上還不成熟，外觀上也不美觀。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 7 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，開瓶器經歷了這三個階段的發(fā)展。雖然說第三代已經相對成熟，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)新產品推向市場 。 Autodesk Inventor 產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)建數字樣機，并利用數字樣機來驗證設計的功能， 并能 夠加速概念設計到產品制造的整個流程 。 Autodesk Inventor Professional 提供了一套全面、集成的設計工具，可用于創(chuàng)建完整的數字樣機，以驗證設計的外型、結構和功能。 Inventor 創(chuàng)建的模型是一種精確的三維數字樣機，支持用戶在工作過程中驗證設計和工程數據，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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 8 Inventor 可以幫助設計人員更為輕松地重復利用已有的設計數據，生動地表現設計意圖。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效率。利用 Inventor 中的 iPart 技術，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構方案進行評估。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思。使用幾何約束功能與草圖 修改工具 ，并結合顏色和線型的設置，更好地表達設計構思。 2.3 載荷定義 可以添加不同的驅動載荷、扭矩以及基于時間的力函數。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 設計數據，從而體驗數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 數據轉換器 ，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，然后將其配置傳輸到另一臺電腦上。 DWG 保存可將三維設計的結果表達保存為 DWG 格式。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 9 2.7 運動仿真 Inventor 軟件能夠實現物體的運動仿真， 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 。 通過仿真機械裝置和電動部件的運轉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周期內的動態(tài)運行條件，并精確調整電動機和傳動器的尺寸，以便承受實際的運轉載荷?？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)建高質量的產品。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)建的數據，因此用戶只需專心工作在所關心的部分零部件上。快速裝配獨立的零件和子裝配，以定義完整的產品結構并驗證產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 模型的構建 3.1 木塞模型構建 圖 3 木塞實體模型 現在市場上葡萄酒瓶木塞一般尺寸為，直徑 22.5mm 高 44mm。根據此尺寸在 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。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 10 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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 11 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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 12 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“數量”框中指定陣列中元素的數量，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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 13 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，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 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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 14 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，結果如圖 圖 18 手柄放樣圖 去除齒輪底部的部分齒輪。 根據測量實體得，齒輪底部 99 度沒有齒輪，創(chuàng)建草圖 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 15 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 開瓶器轉軸的模塊構建 3.3.1 螺旋桿的建模 根據測量實體得，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。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 16 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。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 17 圖 24 螺旋桿掃掠圖 3.3.2 螺旋桿頂部頂板建模 根據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 根據測出的尺寸在草圖中畫出輪廓圖。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 18 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 得到開瓶器轉軸的實體模型 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 19 圖 30 轉軸實體圖 3.4 開瓶器中心桿的模塊構建 3.4.1 中心軸建模 根據測得的尺寸，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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 20 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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 21 圖 38 中心軸實體圖 3.5 開瓶器外殼的模塊構建 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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 22 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 底座模型構建 在圖 42 底部畫出底座輪廓線 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 23 圖 43 底座輪廓線 對圖 43 進行旋轉，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 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 24 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，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向拖動，手柄可以旋轉自由，在裝配部件環(huán)境下，可以用鼠標向下拖動并側向拖動，是轉動手把旋轉并向下運動，也可以用鼠標拖動旋轉兩個手柄中的任何一個來驅動鉆子作上下運動，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 的構件“手柄”、“轉動手把”和“鉆子”只能分別作旋轉運動，旋轉運動和上下運動、旋轉運動和上下運動。一個構件的運動能帶動另一個或者多個構建運動。這是因為在部件環(huán)境中構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件的自由度。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 25 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，應該產生一個連接來確立開瓶器主框架和齒條之間的運動關系。 中國地質大學長城學院 2012 屆畢業(yè)設計 26 5 結論 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