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1、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
2、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Autodesk Inventor 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Inventor Studio 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； Abstract Products drive the rapid development of in
3、dustrial production, making products manufacturing technology drive must also be continuous improvement. With the development of economic globalization, market competition becomes increasingly fierce, customer diversification of products and individuality more urgent requirements. Market competition
4、 is the core of product innovation, product innovation is mainly embodied in the response time to customers and respond to quality. Virtual manufacturing technology is advanced in many fields of knowledge and application integration, which parametric modeling technology, computer simulation technolo
5、gy, analysis and optimization technology, in product design stage or prior to product manufacturing, real-time, in parallel to simulate the products the future of the whole process of manufacturing and its impact on product design, forecasting performance, cost and manufacturability in order to achi
6、eve the product development cycle and cost optimization, the maximum efficiency of production purposes. In this paper, both at home and abroad will be on the Virtual Manufacturing Technology Research status and development trend of optical products for the existing design deficiencies, the introduct
7、ion of virtual manufacturing technology to drive the field of product design category. CD-ROM products in the study design, based on the use of Autodesk Inventor 2009, using parametric design methods, to build a CD-ROM products of the three-dimensional solid model, and virtual assembly, the establis
8、hment of a virtual CD-ROM prototype products. Assembly movement using the model of collision and interference detection, verification of the correctness of the model. Finally, the use of Inventor Studio Rendering the model, the effect of the output static map with animated movements.Key words: CD-RO
9、M Products ；CAD；Parametric Design；Virtual Assembly；Render； Inventor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11.2 CAD技术的起源和发展21.2.1CAD技术的产生及发展过程21.2.2 CAD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82.1Autodesk Inventor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
10、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274.1Inventor Studio简介274.2运用Inventor Studio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33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（Laser Vision）的光盘播
11、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Multimdeia PC Working Group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M
12、PC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，
13、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(Virtual
14、Manufacturing，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Autodesk Inventor 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Inventor Studio 对模型进行渲染，输出静态效果图与运动动画。1.2 CAD技术的起源和发展计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Des
15、ign）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（5060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
16、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CADCAM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25万。4突飞猛进的时期（80年代） 在这个时期，图形系统和CADCAM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。CADCAM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959
17、8NT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。图1 智能CAD系统1.2.2 CAD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。1CAD系统的构成 CAD系
18、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3 CAD系统的三层结构 2CAD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
19、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
20、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
21、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
22、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。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
23、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9598NT和UNIX平台上，在Java LINUX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，
24、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
25、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
26、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。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
27、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
28、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
29、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
30、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。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Inventor 2009环境下对光驱产品进行三维建模，此外还包括
31、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Inventor Studio环境下进行3D渲染，并给出最终效果图；第二章 光驱产品的三维建模2.1Autodesk Inventor介绍Autodesk Inventor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Inventoror 2010，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Autodesk Inventor可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的
32、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。Autodesk Inventor 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
33、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。 Autodesk Inventor主要包括零/部件设计、ACE交换、运动仿真/应力分析、Inventor Studio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Inventor Studio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
34、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。图2.1 Inventor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
35、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2.2 Inventor中创建三维零件的一般过程由于在Invent
36、or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。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。”
37、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
38、2.6所示图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
39、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/138mm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3. 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4. 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
40、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：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
41、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20mm0.5mm2.5mm20o相关公式：齿顶高 ha=ha*m 齿根高 hf=(ha*+c*)m 齿距 p=m 齿厚s=m/2 齿槽
42、宽e=m/2根据以上公式，作出如图2.1.7的草图：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2.1.85. 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3.6mm3mm图2.1.9 皮带轮组6. 电机
43、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2.2.1图2.2.1面板和挡板2. 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
44、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
45、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。 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。
46、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：驱动约束不控制零部件之间的运动，而
