光驱类产品的数字化建模与运动仿真毕业设计 42页

本科毕业设计（论文）说明书光驱类产品的数字化建模与运动仿真学院机械与汽车工程学院专业机械电子工程学生姓名潘国胜学号0指导教师王清辉提交日期2009年06月06日\n华南理工大学毕业设计（论文）任务书兹发给05机电（1）班学生潘国胜毕业设计（论文）任务书，内容如下：1.毕业设计（论文）题目：光驱类产品的数字化建模与运动仿真2.应完成的项目：（1）通过查找技术资料、以及对光驱的拆装分析，掌握光驱的机械结构、工作原理、以及在机构设计中的关键技术问题；（2）使用参数化特征造型技术，实现光驱零部件的三维CAD参数化建模；（3）在AutodeskInventor（或其它CAD建模系统）装配环境下，完成光驱系统的数字化装配模型设计；（4）基于AutodeskInventor（或其它CAD建模系统）集成的VBA二次开发环境与驱动约束，实现光驱系统运动仿真模拟，并检查运动过程中的干涉以确保产品运行的可靠性；（5）基于STL文件格式的数据交换；3.参考资料以及说明：（1）藤清.DVD机伺服技术[J].电声技术,1999,27(1)（2）孙力.新世纪光盘产业盘点与展望[J].光盘技术,2000,1:2-4（3）赵雯，王维平，朱一凡.协同虚拟样机环境结构研究[J].国防科技大学学报,2000.22（6）:60-64（4）宋培林.虚拟模型：机械工程新兴的一门技术[J].美国机械动力学公司,1999.（5）胡仁喜，董永进，邓娟等.Inventor9中文版机械设计高级应用实例[J].机械工业出版社,2005.1.4.本毕业设计（论文）任务书于2009年3月13日发出，应于2009年6月4日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。专业教研组（系）、研究所负责人审核年月日\n指导教师签发年月日毕业设计（论文）评语：毕业设计（论文）总评成绩：毕业设计（论文）答辩负责人签字：年月日\n\n摘要摘要光驱类产品工业生产的蓬勃发展，使得光驱类产品制造技术也必须不断改进。随着经济全球化的发展，产品的市场竞争日趋激烈，客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。市场竞争的核心是产品创新，产品创新主要体现在对客户的响应速度和响应品质上。虚拟制造技术是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以参数化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。本文中将阐述国内外虚拟制造技术的研究状况和发展趋势，针对现有光驱类产品设计中的不足，将虚拟制造技术引入光驱类产品设计领域。在研究光驱类产品设计的基础上，利用AutodeskInventor2009，采用参数化设计方法，构建了光驱类产品的三维实体模型，并进行虚拟装配，建立光驱类产品的虚拟样机。利用装配运动对模型进行碰撞、干涉检测，验证模型的正确性。最后，利用InventorStudio对模型进行渲染，输出静态效果图与运动动画。关键词：光驱类产品；CAD；参数化设计；虚拟装配；渲染；Inventor；Ⅲ\n摘要AbstractProductsdrivetherapiddevelopmentofindustrialproduction,makingproductsmanufacturingtechnologydrivemustalsobecontinuousimprovement.Withthedevelopmentofeconomicglobalization,marketcompetitionbecomesincreasinglyfierce,customerdiversificationofproductsandindividualitymoreurgentrequirements.Marketcompetitionisthecoreofproductinnovation,productinnovationismainlyembodiedintheresponsetimetocustomersandrespondtoquality.Virtualmanufacturingtechnologyisadvancedinmanyfieldsofknowledgeandapplicationintegration,whichparametricmodelingtechnology,computersimulationtechnology,analysisandoptimizationtechnology,inproductdesignstageorpriortoproductmanufacturing,real-time,inparalleltosimulatetheproductsthefutureofthewholeprocessofmanufacturinganditsimpactonproductdesign,forecastingperformance,costandmanufacturabilityinordertoachievetheproductdevelopmentcycleandcostoptimization,themaximumefficiencyofproductionpurposes.Inthispaper,bothathomeandabroadwillbeontheVirtualManufacturingTechnologyResearchstatusanddevelopmenttrendofopticalproductsfortheexistingdesigndeficiencies,theintroductionofvirtualmanufacturingtechnologytodrivethefieldofproductdesigncategory.CD-ROMproductsinthestudydesign,basedontheuseofAutodeskInventor2009,usingparametricdesignmethods,tobuildaCD-ROMproductsofthethree-dimensionalsolidmodel,andvirtualassembly,theestablishmentofavirtualCD-ROMprototypeproducts.Assemblymovementusingthemodelofcollisionandinterferencedetection,verificationofthecorrectnessofthemodel.Finally,theuseofInventorStudioRenderingthemodel,theeffectoftheoutputstaticmapwithanimatedmovements.Keywords:CD-ROMProducts；CAD；ParametricDesign；VirtualAssembly；Render；InventorⅢ\n目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1本课题的研究背景和意义11.2CAD技术的起源和发展21.2.1CAD技术的产生及发展过程21.2.2CAD系统的构成及分类31.2.3CAD技术的发展趋势41.3虚拟装配61.4本课题研究内容7第二章光驱产品的三维建模82.1AutodeskInventor介绍82.2光驱产品的三维建模82.2.1托盘进出装置的介绍112.2.2外壳的介绍162.2.3内部机构的介绍182.3本章小结19第三章光驱产品的虚拟装配203.1Inventor装配环境介绍203.2光驱的几何约束装配213.2.1插入213.2.2相切223.2.3配合233.3光驱的运动约束装配243.4光驱的中的过渡曲面约束243.5本章小结25第四章光驱产品的渲染274.1InventorStudio简介274.2运用InventorStudio对光驱进行渲染274.3本章小结30第五章结论31参考文献32致谢33Ⅲ\n\n第一章绪论第一章绪论1.1本课题的研究背景和意义20世纪70年代初期，荷兰飞利浦公司的研究人员开始研究利用激光来记录和重放信息，六年后，命名为LV（LaserVision）的光盘播放机正式投放市场。之后经过科学技术人员一级各行各业人员的共同努力，终于在1985年前后成功地把CD-ROM推向市场，从此光驱类产品工业走上了康庄大道。1991年，由有全球1500家软体厂商加入的Software-Publishers-Association中的MultimdeiaPCWorkingGroup公布第一代MPC（Multimedia-Personal-Computer）规格，带动了光盘出版品的流行。一张光盘的容量是640MB，光驱的数据传输率为150KB/S（被国际电子工业联合会定为单倍速光驱），平均搜寻时间为1秒。随着市场的不断需求，硬件技术的不断增进。1993年，第二代MPC规格问世，光驱的速度已变成了双倍速，传输率达到了300KB/S，平均搜寻时间为400ms。到了今天，光驱的技术已经趋于成熟，各家厂商的产品虽然可能采用的技术略有不同，但产品品质却都臻于完善，甚至说完美，表现在纠错率更强，传输速度更快，工作起来更稳定、更安静、发热量更低。光驱类产品工业生产的蓬勃发展，使得光驱类产品制造技术也必须不断改进。随着经济全球化的发展，产品的市场竞争日趋激烈，客户对产品多样化和个性化的要求愈加迫切。市场竞争的核心是产品创新，产品创新主要体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的设计制造流程在产品研发中已经越来越无法满足多变的、持续发展的市场需求，要想在市场竞争中获胜，缩短产品开发周期、快速响应市场，降低产品的生命周期成本，提高产品质量成为企业追求的目标。日益激烈的市场竞争要求制造业以最短的产品开发周期(Time)、最优的产品质量(Quality)、最低廉的制造成本(Cost)和最好的技术支持与售后服务(Service)即“TQCSP”来赢得市场与用户，同时要求制造业对环境的负面影响减垒最小。制造全球化以及消费观念的变革，给传统的制造技术带来严峻挑战，21世纪的制造业正在以机械为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。随着计算机软、硬件技术的发展，先进制造技术断涌现，2O世纪9O年代以来产生了一种新的制造概念和理论——虚拟制造(VirtualManufacturing，VM)，其全新的制造体系和模式已成为现代制造技术与系统发展的必然趋势。本文以DVD光驱为研究对象，针对现有光驱类产品设计中的不足，将虚拟制造技术引入光驱类产品设计领域。在研究光驱类产品设计的基础上，利用AutodeskInventor33\n第一章绪论2009，采用参数化设计方法，构建了光驱类产品的三维实体模型，并进行虚拟装配，建立光驱类产品的虚拟样机。利用装配运动对模型进行碰撞、干涉检测，验证模型的正确性。最后，利用InventorStudio对模型进行渲染，输出静态效果图与运动动画。1.2CAD技术的起源和发展计算机辅助设计（CAD：ComputerAidedDesign）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理等内容。随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用。1.2.1CAD技术的产生及发展过程1.准备和酝酿时期（50－60年代初）CAD技术处于被动式的图形处理阶段。2．蓬勃发展和进入应用时期（60年代） 提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。3．广泛使用的时期（70年代） 1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2．5万。4．突飞猛进的时期（80年代） 在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产吕设计发展到用于工程设计和工艺设计。5．开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年代） 由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。在CAD系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图1示所示的结构。33\n第一章绪论图1 智能CAD系统1.2.2CAD系统的构成及分类   CAD技术集中体现在CAD系统上，CAD系统是最终用户用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具。1．CAD系统的构成 CAD系统硬件构成如图2所示，从其体系结构讲可分为三个层次，如图3所示。基础由计算机、外围设备和系统软件组成。系统软件在工作站上流行Unix加Motif操作系统，在微机上流行Win95/98/NT操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。支撑层包含了图3中部所示内容，随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作。图2 CAD系统的硬件基本组成图3CAD系统的三层结构33\n第一章绪论2．CAD系统的分类CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个发展阶段，即：多用户共享一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。从系统结构上看，CAD系统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。集中式系统要求有功能较强的计算机，一次投资大，使用起来不灵活，在80年代中期以前应用比较广泛。从工作站和高性能微机问世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这类集中式CAD系统，形成网络化的系统。1.2.3CAD技术的发展趋势   CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。1．标准化 除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。传统形式的手画工程图已经有了成熟的国际标准，相互都能理解。而存储在磁盘、光盘上的形形色色的CAD二进制数字记录，要想实现标准化就复杂、困难得多。从80年代中期起，ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作ISO10303《产品数据表达与交换标准》，简称STEP。它要涵盖所有人工设计的产品，采用统一的数字化定义方法。由于STEP标准涉及的面非常宽，众口难调，标准的制定过程十分缓慢，存在问题很多。而在我国，CAD应用工程的实施具有更加严密的组织领导体系，而且实际从事CAD应用软件开发的单位相对比较集中，起步比国外晚，不存在要与过去开发的老系统保持兼容问题。如果我国采取主动贯彻STEP积极思想的方针，不纠缠于过分繁琐的技术细节，针对我国的现实需要和技术发展前景，及早统一协调自主开发软件的数据模型，这将有助于推动国内CAD界的学术研究风气，促进CAD软件开发水平的大幅度提高。这种主动出击的策略要比单纯等待STEP标准草案一版一版更新有利得多。回顾历史，CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先，性能最好，用户最多，主导了市场，谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。33\n第一章绪论目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。另外，也有人提出现在制定标准的单位很多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。这些观点对我国制定CAD标准也许有所启迪。2．开放性 CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95／98／NT和UNIX平台上，在JavaLINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统。3．集成化 CAD技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。国际CAD商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件，进行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家：Parasolid和ACIS；几何约束求解构件有一家，它的主要产品是2D和3D DCM。我国开发的机械CAD应用系统已经部分采用ACIS和Parasolid平台，这是合理的。但是国际上近来又有一种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。这就是选用Linux操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时，自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程，我们要及早做好准备。4．智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。33\n第一章绪论1.3虚拟装配基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。　　虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现状配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段;从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。近年来，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视，投人了大量的人力物力进行研究。波音公司在数字化代表产品波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍(238个Team)的有效实施，保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成，研制周期从过去的8年时问缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。德国Fraunhofer工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零件，并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本的分析。33\n第一章绪论我国从90年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究[，由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论探讨范围内，或者在非虚拟现实环境下进行研。但人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作用。1.4本课题研究内容本文主要内容结构为：第一章，介绍光驱产品的概况与发展趋势，CAD技术的历史与虚拟装配；第二章，介绍在Inventor2009环境下对光驱产品进行三维建模，此外还包括Inventor的介绍和参数化建模的基本方法；在第三章中将讨论虚拟装配约束，其中包括装配约束与装配运动；第四章中探索在InventorStudio环境下进行3D渲染，并给出最终效果图；33\n第五章结论第二章光驱产品的三维建模2.1AutodeskInventor介绍AutodeskInventor软件是美国AutoDesk公司于1999年底推出的三维可视化实体模拟软件，目前已推出最新版本Inventoror2010，本次研究使用的是Inventor2009。它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用AutodeskInventor可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的“连接到网络”工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。Inventor在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。它是建立在ACIS三维实体模拟核心之上，设计人员能够简单迅速地获得零件和装配体的真实感，这样就缩短了用户设计意图的产生与系统反应时间的距离，从而最小限度的影响设计人员的创意和发挥。AutodeskInventor产品系列正在改变传统的CAD工作流程：因为简化了复杂三维模型的创建，工程师即可专注于设计的功能实现。通过快速创建数字样机，并利用数字样机来验证设计的功能，工程师即可在投产前更容易发现设计中的错误。Inventor能够加速概念设计到产品制造的整个流程。AutodeskInventor主要包括零/部件设计、ACE交换、运动仿真/应力分析、InventorStudio四大模块，大模块里还包含有小模块；此外，Inventor的资源中心还提供设计加速器功能与各种标准的标准件，如齿轮、螺钉、皮带轮组、轴承等。在本研究中主要使用零部件设计模块进行零部件（包括钣金）设计、装配和运动仿真，在资源中心帮助下设计齿轮（包括直齿齿轮、锥齿轮）、带轮，最后在InventorStudio环境下进行渲染。2.2光驱产品的三维建模光驱是由多种类型的零部件构成的，其中有钣金件、塑料铸件、标准件等。不同类型零部件的建模环境、方法会有所不同，同类型的不同零件的建模过程也会有所区别。如塑料铸件在一般环境下即可完成建模，而钣金件需要转到钣金设计环境下，利用资源中心和设计加速器进行标准件设计会更有效率。在Inventor软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期图纸为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。三维模型的一般建模过程如图2.1所示。33\n第五章结论图2.1Inventor软件三维建模过程构造虚拟样机必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的构建对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能构建出与实际相符合的光驱实体模型。光驱是一个复杂的机械结构，考虑到Inventor所建立的三维模型要进行运动仿真分析，考虑其所需要的时间和成功率，所以在不影响本文对光驱进行运动学、动力学分析的前提下，在Inventor中尽量略去一些不需要分析的零部件几何模型的构建，如一般不必绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。这样可以减少运动仿真中零件的数量，同时减少零件间约束副的总数，从而可以减少运动仿真仿真所需的时间，保证了仿真实验的成功率。本文使用的创建光驱三维零件的方法和一般过程如图2.2所示。图2.2Inventor中创建三维零件的一般过程由于在Inventor中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。对于像光驱的基架、托盘、摇杆、主架等复杂的零件，选择合理的构造方法是尤其重要的。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。其中建模的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。按照是否存在相对运动将光驱划分为：光盘旋转装置、光头行走装置、托盘进出装置三个大运动部件。33\n第五章结论光驱虚拟样机的建模过程如图2.3所示。它的思路是按照生产工艺流程组织的，即“建模即虚拟加工，组装即虚拟装配，仿真分析即虚拟试验。”标准件端盖主轴。。。标准件光头主架。。。托盘齿条基架底板面盖托盘进出装置外壳光盘旋转装置光头行走装置内部机构光驱虚拟样机图2.3光驱虚拟样机的建模过程运动部件的构建及主要运动部件的介绍：根据各运动部件的几何形状，这里建立光驱三维实体模型的，用到了Inventor中的拉伸、旋转、挖空、扫略等基本操作，此外，还运用到了资源中心和设计加速器。二维草图环境下的基准工具条和草图面板如图2.4所示：图2.4基准工具条和草图面板三维特征建模环境下的零件特征面板如图2.5所示图2.5零件特征面板利用三维特征建模方法可完成大多数的零部件的建模，而钣金零件需要用“钣金转换”功能，转换到钣金构造环境下完成。钣金特征面板如图2.6所示33\n第五章结论图2.6钣金特征面板2.2.1托盘进出装置的介绍托盘进出装置是光驱的主要装置，关系到托盘能否顺利弹出/关闭。相关零件的稳定性尤为重要。1.基架基架是光驱架构的基础，支撑着其他所有零部件，并参与相关运动，其精度关系到整个光驱的运行状态。而基架的结构也是最复杂的。基架是在塑料铸件基础上加以加工完成的，主要参数如表2.1表2.1基架的主要参数长宽高壁厚190.5mm141.5mm36mm2.0基架的三维造型主要运用了拉伸造型方法，三维造型如图2.1.1所示：图2.1.1基架的三维造型2.托盘托盘负责运输光盘的进出仓。因此，托盘顺利进出仓是光驱正常运行的前提。除了一般结构外，托盘还有一条限位槽和一条齿条结构。托盘的主要参数如表2.2：表2.2托盘的主要参数长宽高壁厚齿条模数/长度187mm124mm9mm2mm0.5mm/138mm33\n第五章结论托盘的三维造型如图2.1.2所示：图2.1.2托盘的三维造型1.摇杆摇杆的主要功能是在托盘出仓时，降低内部装配高度，避免与托盘碰撞；在托盘进仓后，抬升内部装配回到水平位置，使读盘过程顺利完成。摇杆的三维造型如图2.1.3所示：图2.1.3摇杆的三维造型33\n第五章结论1.齿轮/齿条组齿轮/齿条组是托盘进出仓装置的传动与控制核心。齿轮、齿条的成型都有行业标准，属于标准件，而且Inventor的设计加速器支持齿轮组的设计，因此可用设计加速器进行设计。设计加速器面板如图2.1.4所示：图2.1.4设计加速器面板正齿轮零部件生成器界面如图2.1.5所示：图2.1.5正齿轮零部件生成器界面对于已知条件不同的齿轮组，可以采用不同的设计向导来进行设计。设计向导有五种：模数和齿数、中心距、模数、齿数、总变位系数。本次设计中采用“模数和齿数”为设计向导。齿轮组的参数如表2.3表2.3齿轮组的参数模数齿数齿轮厚度压力角大齿轮0.4mm702.5mm20o小齿轮196.5mm设计加速器初步生成结果如图2.1.6：33\n第五章结论图2.1.6设计加速器初步生成结果设计加速器除了能直接生成零部件外，也可以在已有的圆柱面上生成齿形特征。这样设计齿轮就变成一件非常简单的事情了。由于设计加速器不支持齿条设计，因此需要用其他方法进行设计。下面介绍齿条设计的具体过程。齿条与齿轮相比，有以下三个主要特点;l齿条相当于齿数无数多的齿轮，故齿轮中的圆在齿条中变成了直线，即齿顶线、分度线、齿根线等l齿条的齿廓是直线，所以齿廓上的各点的法线是平行的，又由于齿条作直线运动，故其齿廓上各点的压力角相同，并等于齿廓执行的齿形角。l齿条上各同侧齿廓是平行的，所以在与分度线平行的各直线上其齿距相等。以参数如表2.4的齿条为例表2.4齿条参数1齿条长模数m齿条厚度压力角α20mm0.5mm2.5mm20o相关公式：齿顶高ha=ha*m齿根高hf=(ha*+c*)m齿距p=πm齿厚s=πm/2齿槽宽e=πm/2根据以上公式，作出如图2.1.7的草图：33\n第五章结论图2.1.7齿条草图然后再利用拉伸和矩阵阵列功能完成齿条造型。最终完成的齿轮组与齿条如图2.1.8：齿轮组与齿条如图2.1.81.皮带轮组皮带轮组是联系驱动电机与齿轮组的纽带，有变速和防止损坏齿轮的作用。Inventor设计加速器本身支持皮带轮组的设计，但是并不支持微型皮带轮组的设计，因此需另行设计。利用旋转造型功能完成皮带轮的设计，利用扫掠造型功能可完成皮带的设计。皮带轮组的参数如表2.5，三维造型如图2.1.9：表2.5皮带轮组参数轮直径厚度皮带长大皮带轮22mm3mm120mm小皮带轮3.6mm3mm33\n第五章结论图2.1.9皮带轮组1.电机电机是进出仓的动力源，但其制造工艺不在本文讨论范围内，所以只需给出其三维外观造型即可，如图2.1.10图2.1.10进出电机2.2.2外壳的介绍光驱的外壳由上下面盖、面板、挡板构成，其中面板、挡板是塑料件，上下面板是钣金件。1.面板和挡板面板和挡板的结构比较简单，在此不再讨论其造型过程，其三维造型如图2.2.133\n第五章结论图2.2.1面板和挡板1.上下面盖光驱的上下面盖包括面盖和底板，均为钣金件，起到保护光驱塑料件和内部结果的作用。钣金是针对金属薄板（通常在6mm以下）一种综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、拼接、成型（如汽车车身）等。其显著的特征就是同一零件厚度一致。使用“钣金特征”工具面板上的“平板”工具，通过为草图截面轮廓添加厚度来创建钣金平板。如果创建的是第一个特征，该特征将被作为基础特性。对于随后创建的钣金平板，如果截面轮廓中的一条直线与现有的钣金边重合，将自动创建一个折弯。如果默认折弯或翻折设置不适当，可以使用“展开选项”选项卡或“折弯释压选项”选项卡替代各个平板特征的值，以达到满意结果。下面是面盖和底板的钣金三维图（图2.2.2）和展开图（图2.2.3）。图2.2.2上下面盖的钣金三维造型33\n第五章结论图2.2.3上下面盖钣金件的展开造型2.2.3内部机构的介绍内部机构是整个光驱的核心，其精度与性能决定了光驱的稳定性、读盘速度、寿命和安全。因此内部结构的设计显得尤为重要。本次设计中，光驱内部结构的设计是和许统奎同学共同完成的，这里不再讨论其建模过程，装配好的内部结构将作为一个部件在这里使用。内部结构三维造型如图2.3.1：图2.3.1内部结构33\n第五章结论2.3本章小结本章介绍了Inventor软件进行三维建模的特点和功能，介绍了构建光驱的一般流程，简要介绍并构建了光驱的主要部件。33\n第五章结论第三章光驱产品的虚拟装配3.1Inventor装配环境介绍装配约束决定了部件中的零部件配合在一起的方式。如果应用约束，即删除了自由度，限制了零部件移动的方式。要正确定位零部件，可以在应用约束之前预览约束的效果。在选择了约束类型、两个零部件、设置角度或偏移量后，零部件会移动到被约束的位置。可以根据需要调整设置，然后应用约束使用“添加约束”对话框可以创建约束来控制位置和动画。运动约束不会影响位置约束。Inventor装配环境下的工具面板如图3.1所示：图3.1装配面板l“装配”选项卡具有以下控制位置的约束：配合约束将选定面平行放置到另一个面使它们重合，或者对齐相邻零件使表面齐平。面可以相互偏移。要放置没有偏移的配合约束，可以按住Alt键，并把一个零部件拖动到相应位置。角度约束使两个零部件的线性面或平面按指定的角度定位。相切约束位于平面、柱面、球面、锥面和规则样条曲线之间，使几何图元在切点处接触。可以在曲线内部或外部相切。插入约束使具有平面的圆柱特征垂直于圆柱体轴放置。l“运动”选项卡具有以下指定零部件之间预定运动传动比的约束：转动约束指定一个零件按指定传动比相对于另一个零件转动。转动-平动约束指定一个零件相对于另一个零件的平动而转动。在部件中放置的第一个零件是固定的。其零件原点与部件原点重合，因而位置是固定的。当放置下一个零件并将其约束到固定零件时，该零件将移动到固定零件并根据应用的约束类型与固定零件配合在一起。添加零件时，将相对于其他已装配零件添加新的约束以定位新零件。放置约束后，添加运动约束以控制剩余自由度中的转动和平动。指定传动比以设置两个零部件之间的运动。添加约束后，可以驱动约束。而驱动约束和运动约束是有区别的：33\n第五章结论驱动约束不控制零部件之间的运动，而是通过一系列步骤来驱动单个零部件的约束，从而模拟机械运动。但是，通过使用“等式”工具创建零部件之间的代数关系可以模拟两个零部件之间的运动。驱动约束操作是一个临时的动画。运动约束指定零部件之间的转动传动比或转动-平动传动比。这些约束对指定齿轮与皮带轮、齿条与小齿轮之间的运动，或第三方零部件（如齿轮箱和输入输出轴之类）之间的运动很有用。使用工作几何图元和装配约束来限制运动范围。3.2光驱的几何约束装配运用“装配”选项卡即可完成光驱的几何约束装配。主要运用插入、相切、配合和表面齐平约束。在浏览器中单击以选择零部件，单击鼠标右键，然后选择“可见性”，可以在放置约束之前临时关闭/打开可见性。要将可选的几何图元约束到特定零件，需在对话框中选择“先拾取零件”。然后单击要约束的零部件。清除“先拾取零件”可以恢复正常选择模式。3.2.1插入光驱中有比较多的旋转机构，如齿轮、螺钉等，这些旋转机构通常采用插入装配。使用“部件”工具面板上的“约束”工具可以添加插入约束。插入约束将配合约束放置于所选面之间或将配合圆柱体沿轴放置。例如，插入约束可用于在轴上定位齿轮（如图3.2）。操作步骤如下：1.单击“约束”工具。2.在对话框中，单击“类型”选项下的“插入”约束按钮。3.单击“第一次选择”工具，然后单击第一个面或平面。4.如果尚未选择，请单击“第二次选择”工具，然后单击要约束到第一次选择的几何图元。也可以单击鼠标右键，然后选择“选择其他”循环选择几何图元。单击复选标记以选中。5.如果需要偏移，则输入偏移量。6.单击“反向”或“对齐”可以反转一个或两个零部件的配合面。7.选中“显示预览”，则可以观察应用约束的效果。如果有自适应零部件，则不能预览约束。8.执行以下操作之一：单击“确定”创建约束，关闭对话框。单击“应用”继续添加约束。33\n第五章结论图3.2插入装配：齿轮孔与轴插入装配可以分解为轴线对齐和表面齐平两个约束，两者作用是一样的。插入简化了装配约束，而“轴线对齐+表面齐平”操作起来更灵活。两者各有所长，在不同情况下采取不同方法，装配更有效率。3.2.2相切光驱中的齿轮组、齿轮齿条都是用相切约束进行装配的。使用“部件”工具面板上的“约束”工具可以在零部件之间添加相切约束。相切约束定位面、平面、圆柱面、球面、圆锥面和规则的样条曲线，使它们相切。下面以齿轮齿条装配为例（图3.3）：首先，在部件文件中放置要约束的零部件。1.单击“约束”工具。2.在对话框中，单击“类型”下的“相切”按钮。3.单击“第一次选择”工具，然后选择第一个面、曲线、平面或点。4.如果尚未选择，单击“第二次选择”工具，然后选择要与第一次选择的对象相切的几何图元。5.选择“内切”或“外切”，指定相切位置（如果适用）。6.如果有偏移量，则输入偏移量。7.选中“显示预览”，则可以观察应用约束的效果。如果有自适应零部件，则不能预览约束。8.单击“应用”继续放置约束，或者单击“确定”创建约束并关闭对话框。33\n第五章结论图3.3齿轮分度圆与齿条分度面相切3.2.3配合运用“配合”可以进行面面、线面、线线对对齐约束。这些约束在光驱装配过程中是使用最多的。配合约束将选定零部件面对面放置，或者将零部件相邻放置并使表面齐平。所选几何图元通常是零部件的面，但是您也可以为配合约束选择曲线、平面、边或点，或者为表面平齐约束选择面和平面。1.单击“约束”工具。2.在“部件”选项卡的“类型”框中，单击“配合”按钮。3.在“选择”框中，单击“第一次选择”按钮，然后选择第一个面、曲线、平面或点。4.如果还没有选择，则单击“第二次选择”工具，然后选择要与第一次选择对象配合的几何图元。5.在“方式”框中，选择一种方式：6.单击“配合”以面对面（或者使曲线、平面、边或点重合）方式约束几何图元。7.单击“表面齐平”以表面齐平（或者对齐曲线、平面或者点）方式约束相邻的几何体。8.也可以选中“预计偏移量或角度”复选框。偏移量是选定零部件之间的距离。如果零部件是平行的，并且法线方向相对（用箭头表示），则约束类型为“配合”。否则，约束类型为“表面齐平”。33\n第五章结论1.根据需要输入其他偏移量。2.如果选中“显示预览”，则可以观察应用约束的效果。如果有自适应零部件，则不能预览约束。3.执行以下操作之一：单击“应用”继续添加约束。单击“确定”创建约束，关闭对话框。3.3光驱的运动约束装配光驱中的各个运动零部件之间都有一定的传动比，因此，需要用运动约束对其进行约束。使用“部件”工具面板上的运动约束可以指定零部件之间的预定运动传动比。第一个选定的零部件相对于第二个选定的零部件进行移动。1.首先，在部件文件中放置要约束的零部件。2.单击“约束”工具。3.在对话框中，单击“运动”选项卡。4.单击“转动”或“转动/平动”按钮。5.在图形窗口或浏览器中选择第一个零部件。6.单击“第二次选择”工具，然后在图形窗口或浏览器中选择第二个零部件。7.选择“正向”或“反向”调整旋转方向。8.用以下方法之一指定运动：对于“转动”约束，接受默认传动比1:1或者输入一个传动比，以指定零部件之间的相对运动。对于“转动/平动”约束，设置第一个零部件每旋转一周，第二个零部件移动的距离。9.单击“应用”继续放置约束，或者单击“确定”创建约束并关闭对话框。实例：如图3.4所示图3.4运动装配3.4光驱的中的过渡曲面约束33\n第五章结论光驱的进出仓运动机构中有几个是通过碰撞来实现其运动的，如摇杆、齿轮条。这类零件需要用到过渡曲面约束。用“部件”工具面板上的“约束”工具可以在零部件之间添加过渡约束。通常，过渡约束保持柱面和另一个零件的一组相邻面之间的相切关系，如槽中的凸轮。可以沿着开放的自由度来滑动零部件。1.单击“约束”按钮。2.在对话框中，单击“过渡”选项卡。3.也可以选中“先拾取零件”框。4.单击“第一次选择（移动面）”工具，然后选择要过渡的零件。5.如果尚未选择，单击“第二次选择(过渡面)”工具，然后选择一个面，使所选零件沿该面滑动到其他相邻面。6.如果选中“显示预览”，则可以观察应用约束的效果。如果任有自适应部件，则不能预览约束。7.单击“应用”继续放置约束，或者单击“确定”创建约束并关闭对话框。约束好的齿轮条、摇杆如图3.5图3.5过渡约束此装配在驱动约束进行运动仿真时，Inventor会失去响应。此问题至今还无法解决。3.5本章小结本章介绍了Inventor主要的装配约束，并灵活运用各种约束对光驱模型进行了有效的虚装配，达到了预期结果。最后完成的装配模型如图3.6：33\n第五章结论图3.6最终装配模型：上：带边显示下：正常显示33\n第五章结论第四章光驱产品的渲染4.1InventorStudio简介InventorStudio是在AutodeskInventor零件和部件内的渲染和动画环境。该环境具有其自己的工具组和独特的浏览器节点，专用于渲染和制作动画。在“场景”或“动画”浏览器中，通过慢速双击方法来重命名Studio浏览器节点。两个浏览器保持同步并且反映名称更改。单击“应用程序”“InventorStudio”可以进入Studio环境。使用Studio，可以：l创建零件和部件的静止和动画渲染，以便在设计投入制造之前即可查看其外观和运动。l在相同零件或部件内，使用一个或多个照相机从一个或多个动画创建视频。l指定背景、光源和照相机的几何图元和设置，以便为渲染或动画创建一个场景。l在一个部件文件或零件文件中创建并保存多个动画。l在一个部件文件中的动画之间重复使用约束或参数。l重复使用目标和照相机位置的位置值，并将照相机复制到一个文档内或复制到Studio环境处于激活状态的多个文档中。l使用“选择顶层约束”以选择特定部件级别及其以下级别的所有约束。可以在一次操作中将选中的约束添加到动画收藏夹或抑制它们。l在一次操作中使用“选择所有约束”将部件中所有约束添加到“动画收藏夹”文件夹中，或抑制它们。渲染和动画环境会随用户在零件文件或部件文件中所作的后续更改而更新。第一次进入Studio环境时，它将处于模型状态。这是渲染或动画场景的起始状态。模型状态对应于Studio环境外部的模型的视图表达。所有动画都使用动画帧零的模型状态。在模型状态下无法执行动画，但是可以编辑照相机、光源和其他渲染特性。对Studio外部模型的更改会影响模型状态并因此影响每个动画开始的方式。若要在动画中工作，可以通过选择动画并使用关联菜单命令将其激活，或通过双击动画节点图标将其激活。可以通过双击相应的浏览器节点在动画和模型状态之间切换。4.2运用InventorStudio对光驱进行渲染Studio使用光源、场景、表面和颜色。随AutodeskInventor33\n第五章结论应用程序一起安装了样式库。作为在用户间简单分发样式的方法，可导出和导入样式。进入InventorStudio后，按如图4.1所示的视角进行工作。按表面样式—光源样式—场景样式—照相机的顺序进行设置，最后渲染。图4.1渲染视角1表面样式塑料零部件均采用“塑料（纹理）”表面样式，反射率10%，不透明率1%，漫射贴图、凸纹贴图缩放比例均为1%。钣金零件采用“金属—钢（机制01）”表面样式，反射率25%，不透明率100%，漫射贴图、凸纹贴图缩放比例均为100%。2.光源样式经过多次测试，最终选定“显示器”光源式作为基础光源样式，在此之上加以修改，得到较理想的结果。“显示器”光源样式整体强度90%，启用自然光—5%亮度，颜色—白色。阴影类型为模糊阴影，阴影质量为中等。具体局部光源在默认的基础上加以修改：关闭“右后角”光源，关闭所有点光源的阴影，再把点光源“前上方”的阴影样式设为模糊阴影。3.照相机目标选择“挡板”，启用“景深”，并“将焦平面链接到目标”，选“光圈”模式进行设置，“光圈”为8.33\n第五章结论4.渲染设置好各种样式后，打开渲染面板，如图4.2设置，并把“样式”中的“真实反射”选上。图4.2渲染设置经过60分钟左右的渲染得到如图4.3所示的渲染结果。图4.3最终渲染结果最后，在约束运动的基础上，输出渲染动画。33\n第五章结论4.3本章小结本章介绍了InventorStudio的功能，运用其对光驱3D模型进行了材质、光源、视角的设置，完成了光驱的渲染。33\n第五章结论第五章结论虚拟样机技术应用于产品设计和分析己成为世界机械制造业和汽车制造业的发展方向。虚拟样机技术可以在产品设计完成后不必制作物理样机，仅通过计算机建立的机械系统的虚拟样机模型就可对产品的部分性能进行分析和评估，为产品的设计改进和实际制造提供参考依据。它大大地缩短了开发周期，减少了物理样机地数量，降低了生产成本。光驱属于轻型机械，若按照传统的设计方法既费时又耗材，难以满足当今市场迅速发展的要求。而虚拟样机技术的发展，使产品设计摆脱了对物理样机的依赖。本文以光驱为研究对象，运用Inventor软件对其进行建模，并输出渲染图，对光驱的设计和宣传具有一定的实用意义。文章主要做的工作如下：(1)在Inventor软件中完成光驱虚拟样机的三维实体造型(2)在Inventor环境中完成光驱的虚拟装配。(3)在InventorStudio环境下完成光驱模型的渲染，并输出了质量较高的静态渲染图和动画。由于时间紧迫，加之自身能力有限，本人对光驱的研究只是相关领域很小的一部分，本人认为在以下方面还有很多工作需要进一步进行：1.如本文25页所提到的过渡约束问题。不知是否是软件存在的BUG，还是其它问题。2.在模型转到运动仿真模块中进行仿真时，当齿条与两个以上的齿轮相对运动时，大多情况下能正常运作，但有时齿条会莫名消失。齿条只与一个齿轮作相对运动是并不会出现此种问题。暂时还无法解决此问题。3．在InventorStudio环境下对模型的渲染结果距真实照片还有较大差距，在材质、光源等方面上的设置还有很大的改进空间。33\n第五章结论参考文献33\n第五章结论致谢本课题论文是在导师王清辉老师的悉心指导和帮助下，才使得本人在毕业设计期间于规定时间内得以顺利完成的。导师严谨的治学作风、渊博的学识使我受益匪浅。在论文结束和学业即将完成之际，谨在此向导师致以最崇高敬意和最诚挚的感谢！在我完成本课题论文的过程中，与许统奎同学进行了密切合作、深入交流，在各个方面上得到不少帮助。感谢我的家人对我学业的支持、关心和鼓励，是他们使我信心百倍的战胜了无数的挫折和困难，得以顺利的完成学业。在此，我向他们表示衷心的感谢和祝福，祝他们身体健康，幸福快乐。最后对所有帮助过和支持我的同学们朋友们表示衷心的感谢。感谢各位专家再百忙之中抽出时间对我的论文进行评审，感谢他们给我提出的宝贵意见和建议。33\n附录33