关于Inventor三维建模的几个误区

本文以autodeskInventor R3 软件为环境，讨论三维建模中几个重要的观念问题。企图说明三维建模真正的用途，解决几个常见的误区。我把这类问题上的观点分为“设计派”和“造型派”。我自己自认为属于“设计派”团伙。 　 1．零件造型怎样才是正确的结果
　　　　创建三维参数化零件模型，不仅仅是为了造型，正确的模型应当为以后的许多使用，如设计的修改和调整、参加装配、力学分析、运动分析、数控加工等，准备好充分的数据和参数驱动的可能。可以说，造型的近期目标是为了修改，完成零件或机构的配凑设计。这就要求所创建出的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在零件设计过程中，可以对不合理的结构随时作相应的调整。应当达到如下的要求：
　　1〉 特征的完整性性。
　　在创建三维参数化零件模型中，简化掉某些特征可以提高效率，减少图形文件的体积。 但是某特征是否可以被简化，与将来模型的应用需求是直接关联的。
　　例如：如果是为得到完整的二维工程图，所有特征都必须完整做出。如果是为有限元分析，原则上讲所有特征必须完整做出，但是对于相当小尺寸的结构特征可以省略。如果是为运动和动力学分析，某些细节特征（例如较小的圆角、倒角）可以省略。如果是为数控加工后处理，将来由铣刀头部圆弧切削生成的内圆角可以省略等等。
　　2〉 草图轮廓约束的完整性
　　想在二维工程图中出现的尺寸，应当添加到轮廓上。未来优化设计中可能需要调整的尺寸，必须加到轮廓上。
　　能够确定下来的几何关系，例如轮廓片断之间的相切、平行、等长、等半径等等几何约束，应当充分而完整地添加上去。可以将肯定不需改变的尺寸约束省略，而几何约束必须保证齐全正确。在MDT中，坚持使用多段线（PolyLine）生成轮廓草图线，能够最可靠地直接继承轮廓的几何约束关系。
　　总之，并不是MDT报告说“草图已被完全约束。”就说明轮廓的约束就是完整正确的了，判断的标准是在未来设计中的可用性。在约束尺寸值的确定上，应使用运算表达式来与其他的尺寸关联，将设计师头脑中的设计意图准确表达出来。如果目前不需要，而且轮廓是精确做图生成的，可以省略一些尺寸约束。添加一个约束尺寸是可以随时随地进行的。对于几何关系的约束，则应当力求完整添加，以便发现原来构思中的漏洞。而且几何约束的添加，可能直接影响到整个模型的样子。
　　
　　2． 型实例分析
　　如下图，这是典型的简单机械零件：花键轴的二维设计图，其具体结构也是相当普通而且常见的。为了讨论方便，省略了其他结构。
　　
　　2.1 轴的造型方案讨论
　　按照MDT的能力，生成这根轴可以用分段拉伸或者轮廓回转两种方法生成结构特征。从“造型派”的建模原则讨论，两种方法相同，都没有问题。但从“设计派”的角度讨论，用分段拉伸造型就有问题了：
　　1〉 从工程师头脑中的概念来说，一根轴本来就是回转体。多数工程师会直接选择轮廓回转法。这就是典型的：你怎么加工…我怎么造型。
　　2〉 必须做好准备，应付轴的结构在今后的设计中可能调整。轴段的数量可能改变，轴上的细节结构可能改变或者增删。使用轮廓回转法生成，可以通过轮廓线的追加调整，方便地改变轴的设计结构。而分段拉伸法就难以做到了。
　　3〉 广义地讨论，轮廓回转法，可以将最终的模型中，表达轴的外部形状的轮廓，可以直接将轮廓存出成为单独的DWG，作为数控车削编码生成的数据源。而分段拉伸就很难这样做。
　　4〉 对于这个特例，应当生成“轴芯”。就是排除花键以及花键加工之后造成的结构。虽然可以生成花键加工前的轴，但是这样一来花键部分的生成比较别扭。
　　5〉 为了将来设计数据的关联和统一，花键部分的参数诸如R0、L、N等，已经事先在设计变量中定义好了：实际生成中的轮廓如图
　　6〉 回转生成轴芯造型，并生成轴的中心线。
　　
　　2.2 花键的造型方案讨论
　　按照MDT的能力，花键可以用轮廓拉伸和单键阵列两种方法生成结构特征。从“造型派”的原则讨论，两种方法都可以。但是从“设计派”的角度讨论，轮廓拉伸就有许多问题了：
　　1〉 花键的制造过程本来就是典型的单键+环形阵列，多数工程师会“本能地”使用阵列方法造型。这又是典型的：你怎么加工…我怎么造型。
　　2〉 如果花键的结构将来进行修改，不外乎键数和键宽之类的参数，单键阵列能够适合于这种可能的修改。
　　3〉 单键阵列可以比轮廓拉伸更简洁明晰地进行特征约束，约束的实际参数比较少，而且比轮廓拉伸的参数控制能力要强。
　　4〉 实际造型是以轴的右端面为工作面，生成单键的轮廓，拉伸到表面。这个到达面就是轴上R30的部分表面。
　　5〉 之后环形阵列刚才生成的单键，阵列数量为事先设好的设计参数N。
　　
　　2.3 花键根部台阶轴端面造型方案讨论
　　　　这是这根轴造型中比较绕弯的部分，因为MDT没有提供直接的功能。造型中，既要保证几何形状正确，又要保证实现将来设计修改中可能的要求。如果使用花键切削工具体与台阶轴进行减运算的方法，也能圆满完成造型，本例子使用的是另一种方法。具体过程如下：
　　1〉 生成定义这个端面的工作面。这个工作面平行与轴的右端面，相距为L尺寸。这是为将来对于花键有效长度L的可能修改作必要的准备。
　　注意：工作面驱动尺寸是L，而在此之前，轴芯上R30中心位置尺寸是L+2，这个+2是典型的工艺需要（足够的过切，使花键底径确实越过这个端面）。这样一来，无论怎样改变设计变量L，轴各部分的结构都会相关驱动，相互位置正确。
　　2〉 在这个工作面上生成单键切削加工结果的轮廓（门字形）。主要轮廓线均使用几何约束与已有的特征关联。例如：键两侧与已有键侧“共线”、拱门的弧段与直径55的圆柱“同心”“等半径”…
　　3〉 用生成单键的方法拉伸这个补充部分，之后阵列之，数量使用设计变量N。
　　4〉 创建平行于花键侧面、通过轴中心线的工作面。
　　5〉 生成退刀槽轮廓，回转切削出退刀槽。槽的轴向约束尺寸要相对于刚才生成的直径55的台阶端面标出。
　　
　　2.4 各部分结构完成之后的样子
　　
　　3． 结论
　　　　由于大家不同专业的设计习惯、规则、经验都相当不一致，这造成了机械设计CAD推广中的困难之一。因此本文引用了一个比较简单的，机械专业通用的例子进行分析。从中是否可以得出下面几个要点：
　　1〉 三维模型存在的价值在于：充要的设计数据库
　　绘制工程图的目的是记载和传达设计数据，生成三维的模型，一样也是这个目的，而且数据更加完整，更容易实现相互的关联。在CAD软件中，核心功能都是设计数据库，这种数据库的能力远比一般的“数据库软件”要好很多。无论你是否意识到了这一点，在你使用任何的CAD软件时，都是在构建你的数据库。有人要问：我怎么没感觉到？这正是这一类数据库的高妙之处：你做了，可是没有感觉。多么自动化的数据录入过程。
　　数据库是建立了，数据结构是否正确？将来的可用性如何？是否完整地表达了设计？因此，用“三维模型存在的价值在于：充要的设计数据库”这个原则来指导你的三维建模，就是有意识、有目的、有内容的结果。否则还不成了“盲目乐观”了。
　　2〉 并不是看起来已经挺像，就算完成了造型
　　如果看起来不像自己设计的东西，这是好事，因为毕竟知道“不像”，就会去进一步修饰。而看起来挺像，不见得是好事，因为可能有一大堆问题，被“挺像”这一俊，遮住了百丑。设计界有一句话：正确的设计一定好用，而能用的设计不见得正确。比如：一个支座模型，十分漂亮，可是一旦改变了底脚螺孔的中心距，这个模型就被参数驱动给“拉散了”，不再像了。这样的模型，再像也毫无意义。
　　3〉 不能进行“基于装配的、参数相互关联的”零件设计，是不可用的三维建模软件
　　有一种挺流行的观点：用三维建模软件直接设计零件，并且参数化。我认为这是梦想。持这种观点的人有一个共同点：没有真正设计过，他的老师也没有给他讲过设计究竟是什么。他一直以为，设计就是绘图或者建模。没有任何一个零件能够独立地被设计出来，就连标准件也不例外。零件设计，一定是基于实际装配，或者基于可能的装配约束，才能进行设计。因此对于一个三维建模软件的评价，首要的就是这个软件中，基于装配的建模功能如何。在我用到的有限的几个软件中 autodesk Inventor 这方面是最好的。
　　4〉 在三维软件的使用中，多数题目的成败，取决于工程师对自己设计的理解是否到位
　　CAD系统究竟能出多少成果，取得多大的效益，与软件本身不无关系，但是决定性的因素是使用这个软件的人。计算机应用的价值在于“我们已知如何做的事情的自动化”，你让软件给你做一件事，可你自己都没有想清楚，软件如果能替你完成，可不真的成了“电脑”了，这种情况下就不是CAD，而是CD（计算机设计）了。
　　虽然你我都梦想这样的结果，但是毕竟不可能。这使我想到一种并不少见的现象：一个对AutoCAD并不太熟悉的人，给AutoCAD写增值软件。这样的增值软件不好用，当然是正常的。
　　在三维建模设计的过程中，肯定会淘汰一批在职工程师，因为他们的智力、知识水平、设计能力，都不能适应这种真正的创成设计要求。可见，在进入三维设计这个较高层次的、必然要走的道路之前，整理和提高自己的能力，就是必不可少的准备。