1.1. 從設計說起

    什么是設計？設計是個相當復雜的過程。設計中各個相關要素（在裝配下的零件、在零件上的結構、在結構中的形狀和尺寸等），在設計全過程中要反復調整、配湊，這是設計全過程中始終存在的動作。

    任何零件都是不可能單獨設計出來的，在進行各種各樣的零件設計的時候，我們需要從別的地方獲取零件的尺寸，外形，裝配關系等信息。比如孔與軸的配合，在設計模具時通過模型得到型腔形狀等等。一個零件必須與相關零件關聯、配合進行設計，才可能是正確的。這種“關聯”，不是某些CAD軟件所帶來的“新的設計思維”，而不過是把工程師設計過程共性的規則“模擬實現”而已，在可處理的數據上能更精確、在幾何模型關系上也越加接近完整。

    1.2. 傳統二維設計和三維設計的差異

    傳統的二維設計不包含任何的設計構思，工程關系是存在于工程師的頭腦中、甚至是在成熟工程師的潛意識中，并且用工程圖做有限的輔助記憶和表達。如果要更新或修改，就要重新繪圖。說到關聯，則主要是工程師在操心。所以，設計的差錯總是難以避免的；多次拆、裝，繪制裝配圖就是必要的；審核校對也是不可缺少的。

    在CAD軟件中如果能夠實現這些裝配關系的定義，進而做到關聯的零部件設計，工程師就可以大大地省心，而設計的差錯也因此被大幅度減少，這就是提高設計質量的根本原因。設計質量提高，必然帶來設計效率提高。因此我們需要使用CAD軟件進行設計輔助。

    因此，在三維軟件中進行設計，我們就可以設法在現有的軟件功能基礎上，盡可能多地實現這種“再現”、或者說規則的對應。眼前能夠解決的，也是最需要解決的，就是“基于裝配的關聯設計”。

    1.3. 本文的寫作目的

    根據上面的介紹，在利用三維CAD軟件進行設計時，都必須始終把握“基于裝配的關聯設計”這樣一種基礎的數據結構和流程。而這“恰好”是Inventor的最具特色的功能。

    本文將以具體的案例來介紹如何在Inventor中通過基于裝配關系的關聯設計來提高設計的質量和效率。因此，本文不是一個技術手冊，讀者來閱讀時需要體驗的是其中的設計思想，關于其中的具體功能的具體用法，請參考相關的技術手冊。

    2. 在Inventor中如何實現零部件間的關聯設計

    2.1. Inventor中的實現關聯的幾種方法

    基于裝配關系的關聯設計是Inventor的特色功能之一，主要有以下幾種實現方法：

     · 基于fx參數表
    ·自適應技術
    · 衍生
    · 跨零件投影
    · 對象復制
    · ……

    這些方法有各自的優缺點和適用范圍，下面我們通過具體的案例來感受一下這些方法的運用技巧和給設計帶來的體驗。

    2.2. 功能點

    案例一：利用fx參數表進行零部件之間的關聯設計

    在設計中，常常有一些零部件，它們之間因為某些設計參數而關聯在一起。這種參數的求解，常常是在上一級設計中產生和確認的，是作為這一個設計的原始參數，而且一般不能由這一個設計的工程師改變。像這樣參數實例還有：車床尾座中心高、齒輪的齒形參數、組合機多軸箱的軸距等。這樣的設計參數文件，往往是許多個零件、部件、裝配所共同使用的數據；數據的修改，將直接改變所關聯的模型參數，最后造成整個裝配的改變。在Inventor中，通過fx參數表可以很順暢的實現這種基于設計參數的關聯。

    下面我們以傳動軸上的鍵與鍵槽的設計為例來體驗一下這種參數化設計的方法。相關模型見001文件夾。

    設計要求#p#分頁標題#e#

    基礎零件也就是軸已經設計好了，如圖1.1所示。現為軸上安裝齒輪的軸段設計鍵與鍵槽。

    圖1.1 軸

設計過程

    1. 根據軸徑，選用A10×45系列：鍵寬=10；鍵高=8；鍵長=45；軸上鍵槽深=5；輪轂鍵槽深=3.3

    2. 在Inventor中，新建零件。

    3. 啟用fx參數表，創建用戶參數，輸入上述參數如圖1.2所示。需要注意的是要將輸出選項勾選，否則將不能關聯到軸零件中。

圖1.2 創建用戶參數

4. 創建鍵零件。需要注意的是在創建鍵的時候，所有尺寸均引用fx表中的參數。如圖1.3所示。

圖1.3 鍵的創建

   5. 接著我們再來設計軸上的鍵槽。因為鍵槽的尺寸和鍵的尺寸是相對應的，所以我們希望在設計鍵槽的時候直接引用鍵fx參數表中的相關參數。打開軸的零件，激活fx參數表，鏈接前面已經設計好的鍵，在鏈接參數對話框中，選中所有的用戶參數，如圖1.4所示。這樣在軸這個零件中，就引用了鍵零件中的相關參數，實現了兩個零件之間的關聯。

   圖 1.4 鏈接鍵的用戶參數

6. 利用拉伸，在軸上創建鍵槽特征，其關聯尺寸都引用參數表中的相關參數，如圖1.5。

圖1.5 軸上鍵槽的創建

7. 完成后的軸如圖1.6所示。

圖 1.6 完成后軸

8. 用同樣的方法完成齒輪上輪轂鍵槽部分的設計，如圖1.7所示。

圖 1.7 完成后的齒輪

9. 最后，在裝配環境下將軸、鍵、齒輪裝配在一起，如圖1.8所示。

圖1.8 裝配圖

關聯體驗

    打開鍵零件，修改用戶參數。可以看到當鍵的參數發生改變時，相關的軸上鍵槽、輪轂鍵槽都發生相應的改變。

    點評

    1. 這種裝配關系所依據的參數，往往都是在裝配尚未進行之前，就已經被確定了的；而這種確定常常是基于比裝配更原始的設計構思（例如：根據軸徑而確定的鍵的尺寸）；

    2. 這種方法的結果是極其穩定的，思路也是十分清晰的，但是不適合設計數據不確定的零件；

    3. 除了在本案例中提到的直接關聯模型文件來實現參數關聯的方法之外，衍生也能達到相同的效果。#p#分頁標題#e#

    4. 在Inventor中，通過Excel文件也能實現模型之間的參數關聯。關于這種方法的具體使用方法，本文不做具體介紹。需要說明的是：Excel具有強大的計算和統計功能，我們可以在Inventor利用這些優勢；但是這種方法使得關聯響應速度慢；而且參數項的數據和含義的正確性需要自己把握，Excel不會有任何提示；各種數據輔助性能都不如Inventor自己的參數表。

    案例二：利用基于裝配約束關系的自適應技術進行零件設計

    任何零件都不是單獨設計出來的，設計的過程實際上是一個不斷配湊的過程。而這種配湊的過程很多時候都是基于裝配約束關系來推動的，也就是說設計中的很多零件尺寸都是通過裝配約束關系來確定的。因此我們希望在零件設計的初期緩約束這些尺寸，等將來在裝配環境下基于約束關系去確定這些尺寸。在Inventor中，利用自適應技術，可以實現這樣的設計思想。

    下面以一軸系部件上軸套的設計來體驗基于裝配約束關系的自適應技術。相關模型見001文件夾。

    設計要求

    在上游設計中軸上的關鍵零部件(軸、齒輪、軸承、鍵)已經設計并裝配完成，如圖2.1所示。為了固定軸上零部件，需要設計兩個套筒。下面介紹固定右端軸承的軸套的設計過程，該套筒的一個端面和軸承端面平齊，另一端面和齒輪端面平齊，因此軸套的軸向長度是根據齒輪以及軸承在軸上的安裝位置來確定的。我們可以通過自適應技術來確定軸套的長度。

圖 2.1 原始軸系部件

設計過程

    1. 打開原始軸系部件，在裝配環境中新建一零件（套筒）。

    2. 創建套筒零件。如圖2.2所示。

圖2.2 套筒

需要注意的是決定套筒長度的尺寸應該是緩約束的。

    3. 在零件環境和裝配環境下，將套筒設置成自適應狀態。

    4. 添加裝配約束：套筒的軸線與軸做同軸約束，兩端面分別與軸承和齒輪端面平齊。

    當添加完以上約束后，套筒的長度會自動地根據裝配關系計算出來，如圖2.3所示

圖2.3 裝配后的套筒

關聯體驗

    此時套筒的尺寸完全由裝配關系決定，改動套筒軸端的長度，套筒長度也會做出相應的變化。

點評：

    1. 自適應這種方法適用于設計的參數不太清楚或者不太關心，只能確認幾何結構和裝配關系條件下的關聯設計；

    2. 在這個軸系部件的設計中，我們使用自適應的方法，通過裝配關系來確定套筒的實際長度。這樣簡單化了設計計算，讓設計師更關注于主要問題。

    3. 簡單裝配時Inventor的自適應可以實現，但是零件多的時候就容易會出錯。

    案例三：利用衍生來實現零件級別的布爾運算

    機械加工過程往往是一個材料的去除的過程，因此在零件設計時有時需要實現零件級別的布爾運算。在Inventor中，利用衍生功能能夠輕松地實現這個要求。

    下面我們以電話機底座上按鍵孔的設計為例來體驗這種方法。相關模型見003文件夾。

    設計要求

    根據按鍵的形狀和排列，設計出電話機的面板上按鍵孔。我們可以先將按鍵“安裝”在外殼上，調整其位置達到最佳效果，然后再在外殼上“減去”按鍵作出孔，得到外殼零件。可能在設計后期當需要更改按鍵的形狀和排列時，電話底座上的按鍵孔也會相應的更改。#p#分頁標題#e#

    設計過程

    1. 電話底座已經設計完成，如圖3.1所示.

圖 3.1 電話底座

2. 新建裝配體，將電話底座和按鍵導入到裝配環境中。

    3. 利用裝配約束在裝配環境中將按鍵“安裝”在外殼上，并調整按鍵的位置、形狀、大小等，達到最佳效果。在裝配環境下，通過陣列功能陣列出其它的按鍵，如圖3.2所示。保存。

圖 3.2 “安裝”所有按鍵

注意：按鍵在電話機上是傾斜安裝的，因此需要先在外殼上做出一個用于安裝的傾斜工作面同時根據這個傾斜的面做出陣列時需要的縱橫兩條工作軸。

    4. 新建零件，并在這個零件中衍生剛才創建的裝配體。在衍生選項中，底座設置成“包含選定的部件”，按鍵設置成“減去選擇的零部件”，如圖3.3所示。

圖3.3 衍生部件設置

5. 點擊確定后得到“真實”的電話機底座的前面板，如圖3.4所示。

圖 3.4 最終的電話底座

關聯體驗

    更改按鍵的形狀和排列時，電話底座上的按鍵孔也會相應的更改。

   點評

    1. 在該設計中，通過衍生實現了零件級別的布爾運算；

    2. 衍生是Inventor中一個強大、實用的工具，它是設計人員常掛在嘴邊上的設計用語—“在xxx基礎上如何如何…”這個設計思維的清晰的表達方法。Inventor關于零件環境中衍生機制的幾個規則是：

    2.1 草圖的衍生：對于二維草圖，可見的草圖都能衍生進來，而不管是否被特征引用過；但是，三維草圖不會被衍生帶進來。

    2.2 非幾何參數的傳遞：一個零件的設計數據，是幾何參數和非幾何參數組成。而衍生實際上僅是在大部分幾何構成上作數據處理，并不會涉及到非幾何數據。在衍生的參數設計中，目前還沒有提供關于原始模型的非幾何設計參數，這幾乎是唯一的缺憾。

    案例四：利用復制對象技術來實現復雜曲面之間的關聯設計

    在裝配體中，有時零件與零件之間裝配關系并不能通過一些簡單的點、線、面來描述，而是通過一些復雜的空間曲面來配合的。在這種情況下，我們很自然地希望能夠在設計過程中建立這種曲面之間的關聯關系。在Inventor 2008中的復制對象功能能夠很好地滿足這種要求。

    在本案例中，我們以電話手柄的設計來說明上述需求是如何在Inventor中來實現的。相關模型見003文件夾。

    設計要求

    在上一案例中已經設計好了電話底座的外形，現設計手柄部分，手柄外形需要和底座貼合。

    設計過程

    1. 新建裝配體，在裝配體中插入設計好的底座部分

    2. 新建手柄零件

    3. 在裝配環境下的瀏覽器窗口中，雙擊手柄零件的圖標進入零件環境，點擊復制對象命令，選中所有將和手柄零件貼合的表面，如圖4.1所示。

圖4.1 復制底座貼合面

注意經過第三步以后，瀏覽器中的曲面和手柄圖標都變成自適應的圖標，表明手柄部件已經如我們所期望的那樣和底座相關表面關聯起來。#p#分頁標題#e#

   4. 下面利用掃掠功能，建立手柄的實體部分

    4.1 利用手柄部分的兩個側面建立工作平面，該平面將作為掃掠路徑和引導軌跡的草圖平面；

    4.2 創建掃掠路徑和引導軌跡，掃掠路徑應該要保證掃掠后的實體包含貼合面；

    4.3 掃掠，掃掠條件如圖4.2所示。

圖4.2 掃掠條件

   5. 分割掃掠實體。利用復制過來的曲面來分割掃掠實體，形成貼合面。分割前和分割后的手柄實體如圖4.3和圖4.4所示。

圖4.3 分隔前的手柄

圖 4.4 分割后的手柄

至此已經在手柄上形成了滿足條件的貼合面，而且沒有任何的干涉存在。

    6. 繼續一些細節的修飾，這里就不做細節描述。

    最終的裝配圖如圖4.5所示.

圖4.5 最終的電話裝配體

關聯體驗

    打開底座零件，在一定的范圍內修改曲面的形狀，手柄都將作相應的改動。

    點評

    1 在裝配環境下，可以通過對象復制對象命令來實現這種跨零件的基于曲面的關聯關系。

    2 在Inventor中，通過衍生也可以建立這種跨零件的基于曲面的關聯關系。但是兩種方法有以下幾點不同：

    2.1 衍生必須關聯被衍生件的所有表面，而復制對象則可以隨意關聯任意希望關聯的表面；從這個意義來說，對象復制命令比衍生更為靈活，且易于控制。

    2.2 復制對象僅在裝配體環境下零件的有效，也就是某零件A如果想關聯別的零件，必須將該零件插入到包含零件A的裝配體中；衍生則無此要求。

    3 在Inventor 2008以前的版本中，復制對象命令叫做升級。

案例五：通過跨零件投影實現空間異形構件設計

    在裝配體中，有些零部件之間是通過幾何形狀連接在一起的，如法蘭盤、花鍵等結構。對于這樣的結構，在設計的后期可能需要更改其中的某個零件的結構，這時候我們自然希望和它關聯的另外一個零件也能夠相應的自動更改。在Inventor中，可以利用跨零件之間的投影來實現這種設計需求。

    下面我們以一連接件的設計來體驗這種設計方法。相關模型見005文件夾。

    設計要求：上一級設計的結果是005-1和005-2兩個零件。其裝配關系比較復雜，通過005-0零件控制，如圖5.1所示。現為這兩個零件設計一中間連接件。

圖5-1原始裝配體

設計過程：

    1. 創建連接件

    2. 連接部分兩端的幾何形狀外形與相應的 零件相同，因此我們使用裝配體中的跨零件投影功能。在被連接物體的接觸面上創建一張草圖，并將這個接觸面投影在這張草圖上。如圖5.2所示。然后利用投影出來的輪廓直接拉伸，便得到了連接部分。如圖5.3所示。用同樣的辦法創建另外一端的連接部分。

圖 5.2 投影零件輪廓

 #p#分頁標題#e#

圖 5.3 拉伸連接部分

3. 接下來通過掃掠功能創建過渡部分的結構，創建過程如下所示。

4. 最中設計結果如圖5.8所示。

圖 5.8 最終設計結果

關聯體驗：通過004_0調整兩被連接件的位置，或者修改兩被連接件的形狀，連接件都能夠正確更新。

    點評：

    1. 像這樣的比較麻煩的空間位置關系，很難用二維的設計手法解決。而在三維的，具有參數化核心算法的Inventor中零件創建過程相當順利；

    2. 通過使用跨零件的投影功能，連接部分的設計變得十分地簡單，同時滿足了連接件與被連接物體的位置關系和幾何尺寸兩個關聯要求。如果我們更新被連接物體的裝配關系或是幾何尺寸，連接件都會做出相應的改變；

    3. 使用跨零件投影，“直接”使用了別的零件的外形尺寸，簡便地實現了零件間的關聯。

    操作技巧：

    1. 需要注意的是，并不是所有的這類投影（包括點、棱邊、投影剖切邊）都能建立裝配關聯。如果投影結果不是當前顏色方案（見工具->應用程序選項->顏色）下的關聯線顏色就說明這個投影是“非關聯的”。例如在“黃金時代”顏色方案下，粉紅色的投影線為關聯線顏色，黑色圖線則無法關聯；

    2. 在裝配中要實現跨零件投影，需要注意Inventor的參數設置，圖5.8的設置是必要的，否則可能會出錯。

圖5.8 應用程序選項

案例六：利用三維投影創建控制路徑進行管道設計

    在設計過程中，有時需要創建空間曲線來構造復雜模型，而這些三維曲線可能是依附在一定的曲面上的。在Inventor中，可以先做出輔助曲線，利用三維交線來產生此類曲線。

    下面，我們以一管道件的設計來體驗這類零件的設計方法。相關模型見003文件夾。

    設計要求：設計零件的結構如圖6.1所示，它是用鋼絲彎曲而成的。

圖6.1 設計要求

在Inventor中，只要完成了空間曲線組成的三維路徑，用掃掠將很容易完成這類模型的創建。這提示我們，可以做出輔助面，為生成三維掃掠路徑創造基礎條件。于是，解決方案就有了。

    設計過程

    1. 根據設計要求拉伸出兩輔助曲面；

    2. 新建三維草圖，創建兩曲面的交線；

    3. 在交線起始端創建掃掠截面輪廓；

    4. 掃掠。創建過程如圖6.2所示，參見006.IPT#p#分頁標題#e#

圖6.2 創建過程

關聯體驗：修改相應的尺寸，管道都將作相應的更新。

    點評：

    在本案例中，通過空間曲面的交線來產生空間曲線，可視性強，而且易于控制。

    3. 總結

    從前面的案例我們可以看出，在Inventor中提供了多種有利方法來支持基于裝配的關聯設計，這些方法都能夠很好地支持自頂向下的創成設計構思，使得設計過程非常順利的進行，提高我們設計質量和設計效率。

    這些方法都有各自的適用范圍和場合，設計人員的在設計過程中，應該根據自身設計對象的特點靈活運用：

    ▲ 對于幾何構成方面的關聯，投影（零件內部或者跨零件）關聯是主要的手段；衍生也能做到；
    ▲ 對于設計數據方面的關聯，衍生也同樣有效；還有就是否Fx表的鏈接；
    ▲ 對于負責曲面之間的關聯，對象復制是一個強大的工具。