砂石加工系统三维建模及组装应用

党丽娟,陈晓霞

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京　100024)



砂石加工系统三维建模及组装应用

党丽娟,陈晓霞

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京100024)

摘要：首先阐述了利用Inventor软件建立砂石加工设备和辅助设施如胶带机、料仓等的三维模型的过程；其次，根据产品批量化的特点及建立模型库的需要，对各个三维模型进行了参数化设置；最后，利用AIW软件对整个加工系统进行了组装。组装后的砂石加工系统形象直观，不仅可以在AIW软件里漫游浏览，还可以导入其他软件，成为施工总布置三维可视化模型的组成部分。

关键词：砂石加工系统；三维建模；参数化；施工总布置；Inventor

0前言

近年来，计算机辅助设计技术快速发展，实体的三维模型创建变得简单便捷。三维模型具有直观清楚地表达设计者的意图、附加各种特征属性、修改方便、出图方便等优点，在工程设计领域应用越来越广泛。

近年来，有多位专家学者探索研究三维模型在水利水电工程中的多种应用，取得了丰硕的研究成果，并应用于多个水电工程上。如乔书光提出一种基于设计流程管理的水工协同CAD模型和框架[1]；钟登华等人提出了基于GIS的水利水电工程三维可视化辅助设计基本方法和结构体系[2]；袁锦虎等人提出实现三维可视化水工设计系统的可行框架和实现方案[3]；杜廷娜等人基于CATIA平台设计了水电站大坝廊道三维可视化配筋系统[4]。水电工程的三维一体化设计已成为一种必然趋势。

工程施工总布置是一个复杂的系统，施工总布置三维可视化数字模型，是整个工程设计成果的直观立体表现，可以直观地反映各建筑物和构筑物之间的关系，有助于合理地规划场地，优化各个方案。砂石料加工系统是施工总布置中必要的组成部分，砂石加工系统的参数化实体模型库，可以十分方便地导入施工总布置数字模型，进行漫游浏览，可作为工程施工组织设计科学有效的可视化分析和辅助决策手段。

本文基于Inventor和AIW三维软件，首先建立了砂石加工机械设备参数化数字模型库，设备的三维模型能够进行参数驱动下的修改，然后利用AIW软件进行了整个系统组装，组装后的数字模型可以进行漫游浏览，也可以导入其他软件进一步融合展示。

1 Inventor软件三维造型技术介绍

Autodesk Inventor是Autodesk公司推出的面向机械设计的三维CAD软件，它融合了当前CAD所采用的最新造型技术，属于参数化特征造型软件[5]。它基于特征的参数化实体造型，融合了二维和三维设计并带有装配功能，是集Autodesk Inventor 与参数实体造型、曲面造型、装配造型、二维与三维双向关联绘图以及与 AutoCAD 相互转换于一体的机械设计系统[6]。

1.1零件建模

零件可以通过草图来创建。草图设计，主要是绘制零件实体截面的轮廓线以及定义截面约束。

当建立新零件时，首先基于系统提供的空间坐标系，可以选择任意一个平面作为起始平面，绘制二维草图；创建下一个草图时，可以选择空间坐标平面或者上一个零件的表面来帮助定义。

截面约束包括尺寸约束和几何关系约束。尺寸约束指对实体结构的几何特征，诸如长、宽、高、角度、直径、半径、坐标位置等几何尺寸的界定；几何关系约束一般指重合、平行、垂直、共线、相切等这些相对空间关系方面的约束。创建零件时，尺寸约束和几何关系约束不能欠约束，也不能过约束，进而精确确定零件的形状大小和空间位置，将设计意图表达出来。基于约束的建模方法在创建和修改几何模型时非常方便。

1.2参数化技术

参数化设计是指用一组参数来定义或者修改几何图形的结构尺寸，进而实现修改实体外形的目的。参数与实体的特征一一对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型[7]。参数化设计思想为产品模型的可变性、可重用性等提供了手段，使模型调整变得快捷，快速地生成系列产品，大大提高了设计效率。尺寸参数修改的同时，模型中其它相关尺寸可以及时更新。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能。这对于系列化、标准化零件设计以及原有设计做继承性的修改十分方便。

1.3特征

特征是基于草图的。草图完成后，通过拉伸、旋转、放样等操作在草图基础生成基本的三维实体。然后通过进一步的操作如：打孔、倒角、圆角、阵列、镜像等生成更精准的三维零件实体。

1.4装配技术

装配是三维参数化CAD系统的重要技术。装配时先将零部件引用到装配图，然后通过施加装配约束消除自由度进行装配，装配后可以进行装配分析，装配后的零部件可以编辑修改。

零件的引用类似于AutoCAD 中块的插入，零件的信息随之携带进入装配模型中，插入到装配中的一个零件或部件是实际零件模型的一个参考备份，在一个装配里零件可以多次引用，引用的零件可以是前期建造的模型，也可以是系统资源中心提供的标准件零件库。零件修改时，装配件自动更新。

装配是带约束装配，添加的装配约束用于确定各个零件的相对位置关系和配合关系，可以在一个零件上多次施加约束，对零件施加约束就是减少零件自由度。

在模型装配后，可以通过干涉分析验证各个零、部件的设计结果，查找不合理之处。

2设备三维建模

为了充分利用Inventor 智能化三维建模的功能，提高设计效率，加快实体建模的速度，节省设计时间，选择正确的造型方法和工作流程是非常重要的。下面以AF圆锥破碎机为例说明基于Inventor 的三维建模的一般方法和过程。

2.1零件造型

2.1.1绘制草图

首先定义项目位置，然后选择二维绘图，建立草图平面，绘制基本特征轮廓；然后通过几何尺寸和参数变量等约束方法对草图进行约束，以确定零件的基本形状和尺寸。

2.1.2创建特征

首先是分析实体，找出零件的基本特征然后确定创建这些特征的顺序。使用拉伸、旋转、扫掠、放样和倒角、圆角等方法创建零件的基本特征，同时利用这些基本特征，通过阵列、镜像等命令创建出更多特征。

在零件设计完成后，在模型之间重复使用的零件可以作为标准件存入零件库中，并设定参数值，以便后期修改调用。

2.2参数化

零件建立后，虽然在建立过程中有关的尺寸可以通过数学表达式建立相关关系，但对于模型的修改来说，还要回到草图环境中进行编辑，有一定的麻烦，更不利于非模型创建者对于模型的修改。Inventor软件提供了外部链接Excel文件，通过一定的数据格式与模型中使用的参数一一对应，同时可以在Excel文件中添加某个参数对应于模型中具体部位和取值范围的描述，这不但极大地方便了使用者对于模型的修改，而且修改的数据能够实时更新。

2.3装配零件

装配零件即是将创建的零件或者资源中心库中的标准件调入部件环境中，并添加装配约束，形成三维实体。

装配部件后，进行干涉检查，验证各个零件的尺寸和位置关系是否合适，验证零件之间的几何关系是否合理。装配后的实体三维模型如图1～2所示。

图1　装配完成的圆锥破碎机模型图

3砂石加工系统组装

3.1砂石加工系统介绍

某工程项目砂石料加工系统，工艺流程共分为粗碎、中碎、细碎、筛分和制砂。系统共布置在4个平台上：① 受料仓平台。工程开挖石渣料由自卸汽车运至受料仓。② 粗碎、预筛分及中碎车间、半成品料堆。粗碎车间布置有颚式破碎机，粗碎后的混合料由带式输送机运至预筛分车间。预筛分车间布置有圆振动筛，中碎车间布置有圆锥破碎机。中碎产品同预筛后的混合料由带式输送机运至半成品料堆暂存。半成品料堆为条形，堆料高度8 m。料堆底部设有地弄，由惯性振动给料机卸料，经带式输送机运至筛洗车间。③ 筛洗、制砂、细碎车间。筛洗车间布置有圆振动筛和螺旋洗砂机。半成品混合料筛分为大石、中石、小石、砂4种产品，由带式输送机分别运至成品料仓堆存。④ 成品料堆。成品料由自卸汽车送往各区混凝土生产系统。

图2　装配完成的颚式破碎机模型图

首先利用Inventor软件分别创建鄂式破碎机、圆锥破碎机、立轴冲击破碎机、振动筛、棒磨机、胶带机、细碎(制砂)料仓、成品(半成品)料堆等加工设备和设施。将它们在CAD中安装工艺流程进行摆放，三维的砂石加工工艺流程如图3所示。与平面砂石加工工艺流程(见图4)对比可知，三维的砂石加工工艺流程表达条理清晰、形象直观、简单易懂。

3.2AIW软件中模型组装

AIW软件中自带有模型库，如道路、房屋建筑、景观树木、汽车等各类模型，建模者可直接从模型库中选择模型，拖拽到视图中，调整位置和大小，从而满足设计要求。AIW软件同时也提供了多种与其他建模软件的输入接口，如SDF格式、imx格式等，本次建模的主要思路是将Inventor及Civil 3D软件中建立的曲面模型或者实体模型，通过合适的文件格式，逐个导入AIW软件进行表达。创建的砂石加工系统模型见图5～6。

4结语

本文基于三维实体造型软件Inventor进行建模，每个模型都带有参数化数据表，不仅使模型的修改变得容易实现，也为加工设备这种批量化产品建立模型库提供了可能。砂石加工系统的三维工艺流程比平面方式直观、形象。各种类型的加工设备和设施在AIW软件中的组装，更加形象地展示了系统全貌，设计者不仅可以参考设计，规划场地的大小等，也可以验证工艺流程和平面布置的合理性，在总布置展示中，观察者可以一目了然整个系统在工程区中的位置和系统的设置情况，有利于整个工程设计成果的直观表达，为工程施工总布置提供一个科学有效的可视化分析和辅助决策手段，有利于水电工程设计的数字化和决策的智能化。

图3　三维砂石加工工艺流程图

图4　某工程项目砂石料加工工艺流程图　　粒径尺寸：mm

图5　砂石加工系统三维模型局部图

图6　砂石加工系统整体图

参考文献:

[1]乔书光.基于设计流程管理的水工协同CAD 模型研究[D].南京：河海大学,2003.

[2]钟登华,刘东海.工程可视化辅助设计理论方法与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[3]袁锦虎,常晓林,邓 虹.水工三维可视化设计系统的技术支撑和实现[J].水利水电科技进展,2009, 26(增1):93- 95.

[4]杜廷娜,丁一,何朝良等.水电站大坝廊道三维配筋CAD系统设计[J].重庆大学学报(自然科学版),2007,30(10):82-86.

[5]陈雪菱,李宏穆. 基于Inventor 的零部件三维造型设计[J].中国测试技术,2005.5.

[6]高霁,包明宇. 机械设计中参数化特征造型方法的研究[J].机械设计与制造,2002(1)：17-18.

[7]孟祥旭.参数化设计模型的研究与实现[D].北京：中国科学院计算技术研究所,1998.

[8]朱文华,过小容.三维约束装配技术[J].无锡轻工大学学报,1999(4)：95-98.

[9]苏梦香,郑超欣,王桂梅等.基于Autodesk Inventor 的三维参数化设计方法[J].机械设计与制造,2007(6)：168-169.

[10]王帅.基于Inventor 的皮带运输机参数化建模系统的研究与开发[D].重庆：重庆大学，2008.

[11]吴洁,李丽,孙荣权.新型截止阀的三维建模与虚拟装配[J].煤矿机械,2007(12)：92-94.

[12]朱慧蓉,钟登华.施工总布置三维可视化数字模型研究[J].计算机工程与设计,2004(7)：1049-1052.

3D Model Building and Assembly Application of Sand and Aggregate Processing System

DANG Lijuan, CHEN Xiaoxia

(Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing100024,China)

Abstract:The course of building 3D models, by application of the software of Inventor, of the sand & aggregate processing equipment and auxiliary facilities such as belt conveyor, silo, etc is described first. Then, each 3D model is configured in parameterization according to features of products in batch and demands of building model base. Finally, the whole processing system is assembled by application of AIW software. The assembled sand and aggregate processing system is vivid and visual. It can not only be browsed with AIW software but also be introduced other software, constituting components of the 3D visual model of the general layout of construction.

Key words:sand and aggregate processing system; 3D model building; parameterization; general layout of construction; inventor

中图分类号：TV42;TU63

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.014

作者简介：党丽娟(1981- )，女，河南省嵩县人，工程师，主要从事水利水电工程施工组织设计工作.

收稿日期：2016-01-20

文章编号：1006—2610(2016)02—0049—05