基于装配关联的CAD软件

陆逸羽

　　无论是何种CAD软件，最基本的功能就是构建二维或三维的几何模型，这是CAD软件的及格线。一个CAD系统主要应当包括三方面的内容：第一，几何构成的创建、修改、保存等功能，几何模型数据库；第二，专业设计支持功能；第三，非几何模型数据的数据库，以及这些数据的管理功能。
: g; t- r- |% q　　设计是创建、策划、构思的意思。设计是个相当复杂的过程，只有经过专业训练的、有一定天赋的人才能完成。在设计时，各个相关要素(如在装配下的零件、在零件上的结构、在结构中的形状和尺寸等等)需要反复调整、配凑，这是设计过程中始终存在的动作。
0 z+ }: Z0 M3 F2 z3 M5 x　　以设计计算机专用桌椅为例。设计的原始条件有两个：一是在统计学基础上的人，二是现有的计算机。根据人体结构的统计学尺寸，可以确定椅子坐面高应为410mm，桌子面高700mm，这是最舒服的尺寸。根据具体计算机的尺寸，可以确定放键盘的部位应不少于750mm×250mm，17寸显示器距键盘外沿为450mm，因此桌子的面积至少是750mm×800mm。
/ a2 a% Y2 i& \9 C4 P　　之后进入详细设计，确定结构、外观、装配关系、工艺方法、材质、颜色的设计，还要考虑可维护性、技术经济分析结果、可加工性、受力状态等问题。最后才能产生装配工程图和零件工程图，投入试制。从产生需求到确定大致结构，再到设计具体零部件，最后完成最终结构，这就是设计的基本过程。
: M3 P1 e, b7 O6 |$ N+ _　　最后，还要考虑如果将电子管显示器更换成液晶显示器，这个设计随之改变的可能性。这就要求在这个过程中，所有零部件的设计都要与相关的零部件联系，在装配关系控制下确定参数。所以，能不能很好地支持自顶向下的创成设计构思，完成基于装配关系的关联零件设计，是评价CAD软件能力的主要指标。
( [' \+ v0 L4 J- a9 s　　设计过程的实质，就是对尚未定型的对象进行模拟加工、模拟装配等一系列动作，直到满足各个设计约束条件，完成最终的几何模型。反过来说，设计方案的确定，就必须与被设计对象未来的加工、测量、装配和结构紧密相关，不可脱节。
　　如何在CAD软件中尽量完整地再现这样的思维过程？各种专门的仿真软件应运而生，人们可以在计算机上进行过去生产现场才能完成的过程。这是CAD系列软件永恒追求的目标，也就是学术界讲的“虚拟设计”的主要意思。
　　于是，在现有的软件功能的基础上尽可能多地实现这种“再现”，或者说规则的对应，成为目前CAD软件的发展重点。而眼前能够解决的，也是最需要解决的，就是“基于装配的关联设计”。我们以Inventor软件为例，它最具特色的功能主要表现在四方面。
) x9 |$ y% f9 G6 j. h3 \# @6 W　　1.参数化算法下的设计参数关联
　　在零件设计中，设计参数可以在造型中产生，也可以由用户自定义。一个主零件的参数，可以通过衍生关联到其他的许多零件，并在模型中直接使用。这样，当主零件参数改变后，关联零件将跟随更新。这就表现了设计中的主要构思：这个零件的某尺寸，与某零件一样，或者相关。
　　2.变量化算法下的装配关联
5 _( b1 s  W" F" f- ~　　在装配设计中，设置新零件的形状草图成“缓约束”状态，剩余约束通过装配功能添加，最后造成与老零件之间的关联。在老零件做了修改之后，新零件将依照装配关系跟随更新。这就表现了设计中的另一个主要构思：在装配中某零件的结构形状与相关零部件是某种关系。
8 _2 {7 H" R" S. }  G( r　　3.草图在设计中的作用
# K( X1 ?# s- g4 D" @　　在Inventor中，草图不仅仅是特征的基础，也能参与装配设计，可作为零部件的装配基准、甚至用于机构的动作模拟。从而圆满完成了几何范围内的概念设计和后期应用。这就完成了设计中的“骨头”，并可以在此基础上长出“肉”，完成最终设计的概念约束条件。
　　4.设计项目管理
+ N5 P& |4 [1 s9 F4 [1 q　　这个功能已经超越了“图档管理”的概念，是从设计项目切入的管理，将自动地、完整地控制相关模型、装配、工程图和其他辅助信息，在版本、相互关联等方面的管理。像找不到复杂装配设计中的某张工程图这种事就不会发生了。
( M/ y) V. G* v5 U; G　　这些主要特色功能，是对现有设计规则更为完整而精确的表达手段，同时，使设计人员从繁杂的操作中解脱出来，把更多的精力集中在设计方案的改进和修饰上。
' G/ y. I  z- k! l　　从未来的发展看，以Inventor为代表的新CAD软件，必将为机械设计师带来更为称手的设计工具，提升设计质量，进而明显提高设计效率。
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