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利用Inventor草图进行概念设计 |
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作者：Autodesk |
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1. 前言
草图(Sketch)是三维造型的基础，绘制草图是创建零件的第一步。草图多是二维的，也有三维草图。 在创建二维草图时，必须先确定草图所依附的平面，即草图坐标系确定的坐标面，这样的平面可以是一种“可变的、可关联的、用户自定义的坐标面”。在三维环境中绘制草图时，三维草图用作三维扫掠特征、放样特征的三维路径，在复杂零件造型、电线电缆和管道中常用。草图并不仅仅是为三维模型准备的轮廓，它也是设计思维表达的一种手段。
而概念设计，是设计的最初阶段。在这阶段中，没有具体的零件形状，只有简单的结构关系和基础设计尺寸，例如大家熟悉的机构简图就是一种典型。
Inventor草图的概念设计，就是在草图中确定结构关系和基础设计尺寸，确定具体零件在装配中的相对位置关系，还可以模拟零件在装配中的运动等。所以设计概念草图时，要对整体设计有全面的理解，然后进行抽象。
2. 如何利用Inventor草图进行概念设计
2.1. 草图概念设计的优势
利用Inventor草图进行概念设计有如下优势：
· 直观
在草图的概念设计中，没有具体的零件形状，只有简单的结构关系和基础设计尺寸，用户能一目了然的观察、设计与修改； 对于模拟零件在装配中的运动的结构草图，能更加直观的表达出最终的运动状态。而且在基础零件变更后，相关联的零件与部件跟随更新后能直观的观察出是否符合设计要求。
· 便捷
利用草图功能下的CAGD，能够进行二维、甚至一些三维几何图形的构建与数据分析，进而得到要求的设计参数。且利用概念草图构造的零部件，在基础零件修改关键参数后，可以及时更新，快速便捷，符合工程师设计重用的要求。
· 实时更新
利用概念草图构造的零部件，在基础零件发生变化后，更新的按钮会高亮，要求更新，这样用户就不会在旧的版本上进行设计，贻误设计的宝贵时间。
· 自顶向下建模的开端
利用概念草图进行设计时，需要把整体的结构关系与基础设计尺寸在最初的草图设计中表达出来，然后再根据此概念草图进行后续的具体设计，这个思路正是自顶向下建模的开端。
2.2. Inventor对概念设计的支持
Inventor提供了很多元素、机制来支持概念设计，下面一一介绍这些功能点：
2.2.1. 驱动尺寸
驱动尺寸事实上是定义了几何结构的属性，如长、宽、高，角度、直径等，并为这其大小赋值约束。这样就限定了草图几何图元的空间位置。驱动尺寸是所标注对象的几何数据库的基本内容，不是对所标注的对象的一个“注释”。驱动尺寸的作用和机制，与AutoCAD中的尺寸不同，虽然它们看上去比较相似。一旦修改了驱动尺寸也就修改了几何结构的属性，从而“驱动”了几何结构。
值得一提的是在Inventor 2008中对草图图元的约束有了监控，如图2-1所示。工程师可以根据状态栏所示了解当前草图是否全约束，如在转动中就至少有一个尺寸是未约束的。当然，我们更希望Inventor能提供真正的草图级别的自由度的提示，这样就真正方便了工程师对机构运动的分析。
图2-1草图约束状态栏
2.2.2. 计算尺寸
与驱动尺寸不同，计算尺寸只定义属性，而不赋值不约束，它只反映几何结构属性的当前状态。这种情况经常发生在尺寸标注产生了“重复约束”，如标注了三角形三个边的长度，又标注某个角的角度，这个角度标注就是重复的。此时，Inventor将弹出图2-2的提示：
图2-2 计算尺寸创建
按下“接受”按钮，Inventor将创建在显示时用圆括号包起来的“计算尺寸”。这种尺寸可以被引用，但不能修改数据。这很类似机械设计中的“参考尺寸”。这是一种对设计过程很有用的机制。此类尺寸应随相关联的参数变化而跟随变化。
用户也可以“主动”标注计算尺寸。在设计过程中，对有些尺寸我们无需赋值，但需要观察它的变化情况，却需要动态地得到它随其他几何约束或驱动尺寸的结果。这时可以按下计算尺寸开关，如图2-3所示，并标注目标尺寸。
图2-3 计算尺寸开关
2.2.3. 草图功能下的CAGD（计算机辅助几何设计）
计算机辅助几何设计，也就是CAGD（Computer Aided Geometrical Design），是以计算几何为理论基础、以计算机软件为载体，进行几何图形的表达、分析、编辑和保存的一种技术方法，被称为“计算机辅助几何设计”。这是任何CAD软件功能的底层机制。
如果以机械工程师的熟悉的知识，可以粗略地理解为：CAGD 功能应用就是用几何作图法来求解设计参数。在CAGD功能支持下，用户不必有高深的数学基础，不必构建复杂的解析计算模型，也能完成精确而快速的二维、甚至一些三维几何图形的构建与数据分析，进而得到要求的设计参数。
下面将举例说明如何在草图中应用CAGD：
1. 设计参数求解实例之一：模型参见“草图功能下的CAGD\01链轮节圆半径. IPT”
已知条件：齿距t=12.7mm、齿数Z=17，求链轮节圆半径，参见图2-4：
图2-4 链轮设计图
求解步骤：
1） 创建17边的正多边形,尺寸驱动边长为12.7mm
2） 标注中心到多边形顶点的对齐参考尺寸（参见图2-5）
图2-5 链轮设计参数求解实例
3） 如果变更链条节距，仅仅需要修改尺寸12.7，便可得到新的结果。这就是参数化设计的好处所在。
2. 设计参数求解实例之二：模型参见“草图功能下的CAGD \02三齿轮_求B对A的相对位置.IPT”
三个齿轮（A/B/C相切）的参数已经确定，齿数为20、31和27，模数3。A-C齿轮水平中心距为125mm、垂直中心距为10mm。求解B齿轮相对于A齿轮的中心位置尺寸，结果参见图2-6。
求解步骤：
1） 绘制三个齿轮的草图分度圆，直径尺寸用模数*齿数的表达式
2） 给三个圆添加两两相切的几何约束
3） 添加A-C齿轮水平中心距约束尺寸125mm
4） 添加A-C齿轮垂直中心距约束尺寸10mm
5） 标出B齿轮与A的水平、垂直中心距的计算尺寸；这就解得了所要的数据。
以后只要修改A-C齿轮的中心位置尺寸，B的参考尺寸就能自动更新。
3. 点评CAGD
可见，CAGD功能已经超出了单纯绘图的范畴。实际上，Inventor草图中的相关功能就是经典数学模型自动解析的程序实现方法，也就是说，只要用给定了充要条件，就能精确生成相关图线；而只要画了出来，就解得出相关的几何参数或工程数据。因为草图的参数化特性，使得CAGD功能在Inventor中表现的更加顺畅和优秀。
在设计中，工程师早已习惯于用图解法求解设计数据。在传统设计中，这样做的结果因为是手工绘图而不精确。在CAD软件中，精确程度完全不必考虑，可以认为结果没有误差。
并且Inventor把关系和大小分开来讨论，加上“参数化/变量化”数据处理的核心算法，就能很容易地做到“只要模式相同，参数具体值可以很容易地更改”，并立即求解出需要的设计数据。
这样在草图中进行概念设计，还没有建立具体模型与进行装配，就已经在有效地解决设计中的问题了，这就是概念草图的优势所在。
2.2.4. 几何图元的投影
我们使用草图进行概念设计的目的在于在后续设计中引用概念设计的结果作为设计蓝本。这些结果可以是驱动尺寸，计算尺寸，也可以是几何图元。对于几何图元的引用，Inventor提供了衍生和投影两类方式。
在概念设计中对同一零件草图间的几何投影能起到关联草图间的位置，引用需要的几何图元，准确进行关联设计的作用。在多草图中关联作图也使设计有了“层”次，方便日后的衍生。
为了确定零部件间的装配关系，Inventor提供在装配设计中跨零件投影，如在位创建零件，投影已有零部件的轮廓。这样，新零件的设计中就可以定义相对于其他零部件的尺寸，做到关联设计，也在一定程度上避免了干涉。一旦布局图被更改，相应的零部件会随之更新，避免了在总装中由更新导致的（大量的）配合错误。
2.2.5. 概念设计结果的衍生
在客观存在的设计过程中，有一种极为常见的构思想法：新设计的零件是在某现有零件上添加一些结构、或者依照现有零件设计新的零件；而原有零件的改变，应当在新零件上同步反映出来。
这里有两个最主要的实质机制：继承和关联。对于继承，做起来不难，打开现有零件，修改后另存为新零件，这就有了继承的意思；但这样并没有关联，原零件的改变不能引发新零件的关联更新。而设计需要的意图是继承与关联两者同时存在，在Inventor中实现这种需求的机制就是“衍生”，原零件的内容作为“基础结构”。
衍生，就是使用Inventor 零件作为基础零件创建新的衍生零件。基础零件中的实体、可见二维和三维草图、定位特征、曲面、参数和 iMate 都可以加入到衍生零件中。可以将衍生零件相对于原始零件按比例放大或缩小，或者用基础零件的任意基准工作平面进行镜像。衍生几何图元的位置和方向与基础零件相同。装配时由于衍生了定位特征和iMate，采用对齐定位特征的方式或使用iMate能方便地组装部件，避免了装配约束对具体几何造型结构的依赖，在后期设计调整和管理模型上提高效率。
任何CAD软件的基础功能，都是“关联与表达”，因为设计参数的关联，是所有客观的设计过程中的必然涉及到的、基本的功能要求。但是，这种关联可能不是很具体的数据，而是某个图样。例如总体设计提出了一种方案，而表达方法是一个二维的草图，并保存为“概念草图.IPT”文件。
有好几个并列进行的具体零部件设计，都与这个总体设计的意图相关，我们希望做到：“多个几乎同时进行的设计，共同基于这个草图；并且在这个草图发生改变之后，所有的相关设计能够跟随改变”。
如果可以实现，就能做到“一个设计数据，有一个人、在一个位置上说明，大家同时关联使用”。这就可以借助Inventor的衍生零件功能很贴切地完成数据关联。当总图设计修改了这个原始草图之后，所有利用这个草图衍生的零件，都将做到关联修改，这正是通常的设计管理所需要的结果。改变原零件的参数，下游零件会跟随关联改变各自的形状，这就实现了原始设计意图的传递与执行。
2.2.6. 平动机构
图2-7所示是一个能产生精确的直线运动的杆系的模式图，设计目标是杆系最右边的端，能沿着右边50mm高的竖直线运动。附件中有“平动机构的设计过程\概念.AVI”，播放这个文件，可见设计的最终要求（杆系的运动情况）。
本案例所有模型与AVI均见“平动机构的设计过程”文件夹。
设计过程与分析：
1. 建立CAGD技术支持下的各杆参数求解
参见004-计算.IPT，这是求解用的图。
按各杆在典型极限位置考虑，又照顾到尽量少用几种杆的规格，以提高工艺性，结果成为图2-8的样子。其中只有两种杆子：L12和L34规格。
其中，50mm是原始设计数据，L12长度的三条线是“等长”约束的结果，而右边的三角形也是等边三角形。这样L12杆实际上是6根，L34杆两根，连结相关的铰接点就行了。
杆子长度所标注的都是“计算尺寸”，在“参数”中改成方便的名称，并“可输出”，参见图2-9：
图2-9参数的结果
参数表中的“参考参数”实际上说的就是草图中带圆括号的“计算尺寸”。至此，主要参数已经存在了。
2. 建立各杆的零件概念表达
开始新零件，绘制杆的概念草图，衍生004-计算.IPT的参数，引用有关参数标注杆长的驱动尺寸，参见图2-10，保存。
图2-10 杆的概念草图
结果参见004-12杆.IPT和004-34杆.IPT。同样的方法创建杆系引动条件概念表达，参见004-条件.IPT。
3. 建立概念装配
新建装配，装入各个相关的零件，按图2-7的关系装配好，这里的装配有两件事情：一是将秆的草图与条件的XY面配合，二是将铰接点的圆完成中心线重合约束，结果参见004.IAM。
在这个装配中，可以验证概念设计的正确性，也就是进行机构草图基础上的动作模拟，这很重要，可以在最简单的操作后得出确实的结论。
4. 实际零件创建
参见004-12杆p.IPT。创建新零件，衍生004-计算.IPT的参数，创建草图，参见图2-11左。
图2-11 零件草图和模型
这就建立了概念设计中的数据与结果零件的关系。以后的造型就很顺利了，结果参见图2-11右。这样，当概念设计中的参数调整后，将直接改变结果模型的形状。
5. 实际结构的创建
参见“平动机构的设计过程\总装.IAM”，这是实际结构的模拟。为了简化，没有详细进行零件具体结构设计。其中，子装配“杆系”从设计概念上说，应当是相同的两套。为了在装配中能够活动，需要将它们设置成“柔性”的部件。
机构运动是驱动“上板移动”约束而成，结果装配模型参见图2-12。为了确保机构正确运动，添加了拉杆零件；为了尺寸关联，拉杆和上版零件的孔中心距衍生于底座零件的参数。
图2-12 装配模拟模型
点评：
这个例子完整地表现了在Inventor中，在几何参数范围内，使用CAGD技术，从概念设计，到零件设计，到部件设计，到总成设计，到机构动作模拟的全过程。
3. 总结
从前面的论述可以发现，概念草图是进行自顶向下设计的基础，其优势表现如下：
· 单一草图中CAGD计算设计参数；
· 零件设计中衍生概念草图进行具体设计，保证了设计的延续性；
· 虚拟装配中利用草图进行装配运动的模拟；
· 装配部件设计中利用概念草图定位；
· 设计更新应用中，可以做到牵一发（概念草图）而动全身（整体设计）。
用户应该充分理解、掌握和使用概念草图，这样可以大大简化设计重用的过程，使得设计事半功倍。(end)
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(2/28/2008) |
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