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InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 1 第 1 章 前言 第 1 章 前言 本书是以 Autodesk Inventor R9 Professional 为主线，展开 Inventor 的在机 械设计中的实际应用技术的。 对于初次接触 Inventor 软件的读者，笔者在其中介绍了许多基础的内容，供入门之用； 对于 Inventor 的熟练使用者，笔者在其中介绍了许多设计中的实用技巧和难题的解决方案，供 提高解决问题的能力之用。 本书的特色在于，用许多实战的例子的进行详细讲解，从设计条件、到构思表达、到设计完成， 能够引导读者正确使用 Inventor 进行机械设计。 为了使读者能沿用现有的知识，进入 Inventor 的应用学习，本书将从最基本的画法几何说起， 进而进入零件级设计，最后会讨论详细的机构设计。 阅读本书的条件很简单 □ 机械制造大学课程已经通过了二年级的学习。 □ 有计算机和相关软件可以使用。 当然，对于设计经验不足的读者，看后边的实例分析会有些困难，但是看懂这些，也是提高您 的设计能力的有效途径。 Inventor 是 Autodesk 公司在几年前就开始着手开发的、为机械设计准备的辅助系统，企图解决 所有机械设计中的需求，目前已经发布了 9 个版本。 与 AutoCAD 不同，AutoCAD 则基本上是为绘图员准备的工具，而 Inventor 则是为工程师作设计 准备的软件。通观 Inventor，充满了亮丽的华彩乐章。笔者极其喜欢 Inventor 算法核心表现出来 的变量化设计能力，认为这实在是为工程师准备的设计利器是一个真正的辅助设计（而不仅是辅 助造型）软件。 计算机是人类一项伟大的发明。 计算机应用的广义的目标是 “我们已知如何做的事情的自动化” 。 计算机的真正使用者，是一些具有明确目标的“人” ，例如机械工程师，为完成设计而用。 对于这样一种“人计算机相关软件”的系统，我们必须有清醒而正确的认识，才能把这个系 统的能力充分利用起来。从前，有一句“名言” ，说的是 “⋯ 带着问题学、活学活用、立竿见影、 在用字上很下功夫” 。窃以为，这对于在职工程师学习 CAD 技术，实在是具有指导性的意义。 书中的主要内容是笔者使用 Inventor 进行机械设计的经验与体会，还有一些评论。因为多数内 容是笔者自己的观点，难免有些偏颇、疏漏。 笔者在书中突出了 Inventor 的许多优点，也列出了 Inventor 的缺陷。讨论缺陷是企图在现有 条件下找到我们的解决方案，更有效地使用 Inventor 支持我们的设计工作。 这本书是在讲 Inventor 的应用技术，但是，更是在讨论如何将设计思维在 CAD 软件中表达的技 术、如何利用 CAD 软件真正进行设计辅助的技术。因此，对于所有的机械 CAD 软件使用者（甚至是 二维的软件） ，本书的观念同样有实际意义。 学习软件在设计中的使用，要解决的核心问题是，怎样正确地将自己的专业设计需要，与软件 的功能整合在一起，以便借助软件更好地完成专业设计。 当然要完整地了解软件的功能，但更主要的是“从专业设计的需求出发了解软件功能” 。这样的 目标，借助软件本身的帮助功能，是不可能达到的。本书的作用，就是要使读者能顺利完成自己的 专业设计需要与 Inventor 功能整合的过程。 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 2 本书参考资料 机械设计手册（第 2 版） 机械工业出版社 AutoCAD2002 高级应用技术陈伯雄 Inventor R6 机械设计应用技巧与范例陈伯雄 Inventor R6 VBA程序设计技巧与范例张朝阳 陈伯雄 Inventor R8 应用教程机械设计实战陈伯雄 机械制图刘小年 刘振奎 能为中国的工程师提高设计能力做几件实事，是笔者的最大愿望和生活构成中不能缺少的一部 分。本资料编写作过程中，得到了 Autodesk 公司的吴菌、敬勇、Buck Chai、单适南、张朝阳、黄 耕耘、刘雪冬先生的大力指导和支持，笔者在此衷心感谢他们。 许多网友的提问启发了我，也因此出现了一些针对性比较强的设计应用解决方案，笔者在此也 衷心感谢他们。 笔者的计算机主要的软、硬件系统配置如下 硬件 CPUIntel P4 2.4G；主板Gigabyte 845PE；内存768M； 显卡GeForce3 Ti200 64M；显示器AcerView 78ie 17”； 硬盘两片（40G16G） 。 软件 Windows2000 专业版SP4；AIP9SP1；Office XP；MS-IE6SP1。 陈伯雄 2004-10 于上海 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 3 1.1. 从“电脑”说起 从“电脑”说起 这里首先讨论的是一些“虚”的东西，是一些关于 CAD 软件使用与设计的 关系的讨论，其中的观念将贯穿本书的全部内容。 这可能是这本书的最明显的与众不同之处。千万不要小看这些观念，这决 定了您使用 CAD 软件进行设计的效果。 把 Computer（计算机）称为“电脑” ，从产生的过程看，可能是受到港 台地区习惯用语的影响，好像很大众化。甚至连央视这样的“标准”媒体也是时而“电脑” ，时而“计 算机” 。而实际上，这代表一种典型的概念错误。 既然“人脑”是“吃化学制品的脑”，那么“电脑”就是“吃电的脑”了 非也 11 脑 脑 在广漠无边的，据说产生于原始大爆炸的宇宙中，到现在为止，据说只有地球这唯一的绿洲⋯ 恰好的质量，造成恰好的引力，保留住厚度恰好的大气层，挡住致命的紫外线，具有合适的温 度和气候； 恰好有个大小合适的铁质核心，造成了强度合适的磁场，屏蔽了致命的太阳风。为生命提供了 必要的保护； 恰好的日-地距离，恰好有水和合适的温度，为生命的起源提供了温床和合适的能源来源； 恰好就产生了植物，它们会将太阳的能量初次转换为可用的能源，为我们和动物提供了食物链 的底层； 还是恰好，在生命进化中，鬼使神差，竟然从神经节进化出了大脑； 更为恰好的，一种超智能的生物人，从中脱颖而出，成为地球上（也可能是我们的宇宙中） 唯一最高级的生命形式 是谁，编写了这个巨大、复杂、精彩的、令我们这些写程序的人佩服得五体投地的进化程序 人类怀着无比孤独的心情，花费巨资搜寻另一个世界中的亲兄弟，想验证自己的种种推测，可 结果是空手而归⋯ 而在这一系列结果中， “脑”是其中最不可理解的、最神奇的、最令人钦佩，也最为凑巧的东西。 即使是一只极其古老的蟑螂的脑，与人类最新的、斥巨资研制的“智能机器”相比，也完全不 是同一个数量级上的东西。 22 人脑 人脑 在一系列的“脑”中，人类的脑不知为什么就比其它的脑存在着质的不同。例如对艺术的欣赏 和理解能力您见过几百只猴子，为了一只猴子奇怪的吼声而神魂颠倒、忘乎所以么您见过一只 善于吼叫的猴子，因此而丰衣足食么但是，人类却正在发生着这种故事。 这些可不是因为后天的教育、种族、 地域等因素造成的⋯ 因为人脑会创造， 而且具有着无、 穷、 无、尽、的创造力。 大猩猩比人类的历史长得多，但到今天它还是大猩猩。人类仅有几千年文明史，今天的人类在 应用技术上是古人完全不能相比的。 爱因斯坦“想”出来一个可能在强引力场作用下，时空的弯曲将引起光线弯曲。而在一次日 全食的观测中，证明他是对的。 阿基米德“想”出来几何定律，虽然的我们生存的世界中并不存在相关的实例，而且我们今天 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 4 还在用这些定律解决我们的专业设计问题。 爱迪生“想”出来了电灯，使我们摆脱了黑暗。 我们使用的计算机，其根本原理竟然是始起源于中国的古老数学八卦⋯ 这些绝不是对自然的模仿，纯粹是“想”出来的新鲜玩艺。直到现在，人类还在这样“想”着， 而计算机就是一个典型的“想”出来的结果。 想，这就是“创造” 。 会想，这就是人脑的奇迹之所在。 笔者常常感到困惑在思维上，几千年来人类可能没多少进展，例如现在的世界还是沿用战 国时期就建立的那些策略（可是当时人类的思维是怎样“突变”的呢） ；在应用技术上，却几乎是 按照几何级数在飞跃，例如十年前的计算机和今天的计算机是多么不同，甚至有这样的感觉那 时候的计算机实在名不副实⋯ 33 “电脑” “电脑” 那么，到底什么是“电脑”是计算机硬件应用软件。这个词应当来源于港台一带的词汇。但 是，它真的可以被称为“脑”么 评价的标准很简单会不会“思考” 。 最好的结果是 “深蓝”赢了人类象棋大师几盘棋。但我可以肯定，继续下下去，人类将会越来 越多地取胜，因为人类能够创造全新的、从未有过的战略战术，而“深蓝”绝不能。其实，这并不 是公平的竞赛，为了教会“深蓝”与“一个人”下棋，有多少个人在写程序⋯ 这样的东西能称为“脑”么不能，别玷污了“脑”的神圣之光吧。 好多年之前，人类中曾经有这么一伙软件设计师，自认为已经了解了神秘的人脑的工作模式， 可以用自己的程序模拟人脑的处理过程，这就是“人工智能”的研究。他们甚至认为一个 CAD 软 件，可以在和工程师做了几个设计之后， “学会”工程师对于这个设计思维方法，因此能够与人平等 地实施设计过程（并称之为“专家知识库的自学习”功能） 。 能么至少已经发生的所有事实都说明，不能。 这伙以为自己也和“上帝”一样能创造“脑”的哥们，终于认识到自己能力之不足，也就不再 坚持，该干什么干什么去了⋯ 为什么因为计算机是（并且永远是）人脑的衍生物，它只再现了人脑思维中能够表面化的一 小部分功能。 因为计算机确实不是吃电的“大脑” ，它就无法像人一样思考，像人一样创造。 为什么人没能制造出真正的“电脑”因为人太不了解自己的大脑了，实在是太不了解了。不 了解到什么程度人类对自己大脑的认识，类似于对宇宙的认识。宇宙大爆炸理论是目前的基础， 可是，为什么会爆炸谁、用什么点的“火”“炸药”从何处弄来的 笔者认为，无法真正认识脑的工作过程，这应当是一条规律。并且是一条永恒的规律。 44 软件 软件 软件是做什么的是实现一些规则处理的自动化。 什么是规则例如123。 “加法”是功能，而“123”是规则。 这样的规则有个特点，必须是明确的、可由程序实现的。这些规则越明确，软件就越容易实现， 而不在乎数据多么庞大。 操作系统软件的规则，几乎完全由软件设计师单方面确立，当然是建立在共同常识的基础上。 因此这样的软件相对容易创建，大家都按照既定的规则使用，也容易掌握、很少争议。 专业应用软件（例如 CAD） ，规则（设计构思）几乎完全是用户的已有模式，而且与常识相当地 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 5 不同。因此这样的软件不容易写好，大家按照自己各自的设计构思（规则）理解和使用软件，掌握 起来就不容易了、存在着大量的争议。 2.2. 关于软件的“规则” 关于软件的“规则” 前边提到了规则，必然引发谁确立、谁遵守等一系列问题。搞清 楚这些问题，就能恰当地确定我们自己的位置和对策，把精神头 用到合适的地方， 以较快的速度掌握软件、 较好的效果使用软件。 笔者认为，许多人在许多年的时间中使用 CAD 软件，还是不 能解决多少实际设计问题，关于规则的概念不清楚，是最为主要 的原因。 1 谁确立的规则 1 谁确立的规则 是软件设计者。 是软件设计者根据从未来用户那里听说的设计需要、再经过自己的理解和总结之后，结合自己 所掌握的数学模型和程序设计技术而确立的。 这里有两个要素 11 数学模型的创建和使用 数学模型的创建和使用 这个东西是研究数学的人们创立的。 随着技术进步，这个模型也在完善，能力逐渐加强，标志是能够越来越多地模拟人的思维和表 达。所以我们看到 CAD 软件已经比过去“能耐”大多了。但是，这种计算模型只不过是人类的一小 部分思维的模仿，要做到完全地、同等能力地模仿人类思维，以前不能，今后也不能。 22 软件工程师对设计需求的理解 软件工程师对设计需求的理解 这是最有问题的环节，要不怎么叫“隔行如隔山” 我们对于某设计的思考过程，很难能够被一个软件工程师真正理解。机械设计的“专业知识” 可不是“常识” ；也不是非专业人员能够很容易地理解和掌握的。因此，CAD 使用者的思维，与 CAD 创立者的思维不一致，这是在许多软件中的事实。 2 谁来执行规则 2 谁来执行规则 是软件使用者。 是软件使用者按照自己的设计需求，依据软件提供的规则（如果提供了对应的规则） ，来完成自 己的使用过程。 这些使用规则，在没有 CAD 软件之前就早已被确定和实施了，而且不可能依据软件能否做到而 明显改变这些已有规则。这一点在 CAD 类软件使用中尤为明确。 这里还有一个实际上确实存在的问题使用者是不是真的明确了自己应当明确的规则 笔者遗憾地看到，相当一部分 CAD 软件的使用者并不明确自己的规则，就是说，他们的设计能 力尚未达到合格工程师的水平（虽然也可能毕业于名牌大学） 。因此，他们只好从软件中寻求“设计 思维”的规则，这就是糊涂对糊涂的糊涂帐。 3 谁能解释规则 3 谁能解释规则 不甚明确。 在使用 CAD 软件进行设计的过程中，最常见的现象是人在与软件较劲，这几乎是永恒的主题了 “你怎么就做不到这个要求呢这不是很简单么 ”然后，上火、着急、⋯ InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 6 以前的传统设计证明，这个要求并不过分；这个要求下实现的设计已经被制造和使用过程验证 过了；从逻辑上说，没有任何问题的⋯ 可 CAD 软件就是做不成。 谁来解决这个问题谁来告诉我们怎样实现设计要求的规则 利用软件的在线帮助因为只有某个功能的解释，而没有解决设计需求的方法。还因为帮助文 件的编写者不是软件编写者，可能也没有像用户一样深入地使用软件，其中的错误是不可避免的。 书实在不好说。实际上许多作者对软件使用的理解还不如读者深透。 4 谁去完善规则 4 谁去完善规则 当然是软件开发商。 但是，需要完善的具体内容和结果如何，将是取决于他们对问题的理解，而不会完全是用户的 意见。所以，规则的完善，还不是我们所希望的那样。 这样，有效地使用 CAD 软件目前我们能做到的，应当是解决我们自己的问题解决我们自己的问题。至少这样做是可 能的、是由我们自己说了算的、是有希望解决一些问题的。在规则尚不完善的条件下，能用多少就 用上多少、能解决一个问题是一个问题，随着软件的完善，能解决的问题将会越来越多。 而尽快掌握软件的定制和程序设计技术，绝对是在规则尚不完善的前提下，扩大我们的使用战 果的有效手段。 5 软件应用效果的分析比较 5 软件应用效果的分析比较 为了能清楚地说明问题，用大家都熟悉的 Word 和 AutoCAD 进行比较。 项目 Word AutoCAD 所涉及的知识范围 常识 比较专业 软件设计者对未来使用的理解 到位 不太到位 软件功能与用户需求的关系 相当对应 需要自己对应 需要用户定制的部分 很少 很多 普通百姓掌握使用技术的难度 简单 比较难 现有参考书的指导作用 很大 很小 通常的使用效果 好 一般 还有一个比较，来说明专业基础与 CAD 软件使用效果的关系。 例如用 Word 写文章，打印结果相当好，文字整齐，几乎与印刷品一样。用 AutoCAD 绘图输出也 有同样的效果。 但是如果您的文笔并不好，或者心中空荡荡的，就算文章打印出来很漂亮，可读起来却味同嚼 蜡。用 AutoCAD 绘图也一样，图再好看，设计出来的东西不行，不是白好看了么 可见，使用任何应用软件，用户的专业水平实在是结果好坏的第一要素。 3.3. 怎样有效地使用 CAD 软件 怎样有效地使用 CAD 软件 前面罗列了现状和笔者的分析。笔者认为，我们的一切对策应当以此为基础， 才会是可行的方案。 解决我们自己的问题，这就是出路。而首先是观念问题。 但无论如何，CAD 软件是一个重大的技术进步，对于提高我们的设计质量、设 计能力、设计效率，起到了前所未有的推动作用。所以我们才要使用这种技 术方法。 11 从一种典型的观念说起 从一种典型的观念说起 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 7 有相当多的人在研究，如何在 CAD 软件中创建渐开线齿轮，为了能“看一看” ，至少已经听到几 十次这样的说法，就是仅仅是为了完成造型，好看。 笔者曾经明确地指出，这是一个普遍的 CAD 软件的应用误区。 不是不能完成齿轮，实际上能相当精确地完成齿轮造型。这里的关键是“为什么要这样做，做 完之后又想怎样” 。如果说“看一看” ，似乎找真的一个齿轮零件，拍一张数码照片看着更好。 天下没有“仅仅为了”的事情，每一件事情都有它的前因后果。对于 CAD 技术中的原始模型的 创建（包括 AutoCAD 中的二维图线） ，当然更没有“仅仅为了”的事情。 从二维 CAD 技术来说设计总要绘图，是迫不得已。因为一个工程师无法记住自己的设计（那 怕是较简单）中的全部细节，图形表达就是唯一可能的方法。 这些图首先是给设计者自己看为了记住、研究和配凑设计自己的构思。其次是给别的工程师 看，为了互相讨论交流，共同合作完成设计；最后是为了给制造者看，为了将设计意图在制造车间 变成实际零件。 可见，我们绘制工程图，实际上是设计思维的表达手段，从来也没有“仅仅是为了绘制这个图” 的可能。 时至今日，软件已经有了质的飞跃，但是在多数用户那里，一提起 CAD，人们仍然先想到代替 手工绘图，而不是有效的全面辅助设计。 许多机械设计部门的领导问我，过去我们用纸绘图，现在用计算机了，这两者有什么不同从 设计过程来看，真的没多少不同。在纸上不好办的事，现在仍然不好办；图纸画得规范、漂亮，而 设计质量却没有提高多少；仅从绘图来看，提高了一些效率，可考虑到软硬件的投资，日常消耗品 的投资，这点效率似乎很不够，你很难说清楚这笔投资的回收期多长，能否在系统技术折旧到期之 前有盈利... 所以，仅仅是计算机辅助绘图，并不能够提高设计质量，解决技术创新中的关键问题。 使用 CAD 软件之前要有两个基本的标准我用这个东西，要解决什么问题怎样评估我要解决 的问题是否已经解决否则就是相当盲目的。 回到一开始的讨论，在 CAD 软件中创建齿轮，既不必进行装配啮合仿真，也没有必要用什么软 件进行这种啮合过程的应力分析。我曾经与一位研究生争论过这个问题。他说想用这种方法研究渐 开线蜗轮付的啮合过程干涉。我说 “您有这样的信心么就是说，你能够在 CAD 软件的支持下，找 到经典的齿轮设计理论和设计标准中的漏洞么” 。结果是清楚的不能。那您还做齿轮干什么 如果是用来做“演示” ，那就完全是另外一回事了。即便在 AutoCAD 中也能很好地完成，因为所 有的轮齿的轮廓都可以简化为圆弧 这个问题相当典型。 我在 CAD 技术方面已经作了近二十年的工作， 这是多年以来， 始终在与“一 代又一代”的别人讨论的问题，而不见对方有多少进展。 什么原因因为对方基本上不知道“设计”的含义，虽然他可能作了多年的工程师。其中的客 观条件是，我国的设计部门，多数处于照抄、照搬洋人的设计结果，而很少自己搞产品开发，因此 对设计的理解和设计能力都比较差。 实际上，这种观念认为，CAD 软件只不过是一些二维或三维的电子图板，也只能做一些代替原 来的手工绘图， 做些 “形状表达” 之类的事情。 究竟 CAD 软件会对我们的设计有什么样的辅助作用 这就要从设计的过程和计算机软件的基本概念开始讨论。 22 计算机软件和数据库 计算机软件和数据库 所有的计算机软件都是“数据库” 。 一谈到数据库，人们就会联想到 dBase、Access 之类的软件，就象一说到 CAD，想到的就是“电 脑绘图”一样。这确实是相当普遍的现象。普遍，不见得正确。普遍如果不正确，就有必要认真讨 论了。 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 8 计算机的软件有没有非数据库一类的呢没有，全都是数据库。 因为目前计算机能够处理的任何东西， 都是、 也仅仅是可以数字化表达的东西， 除此之外的东西， 计算机都不会处理，所以我主张别把计算机称为“电脑” ，计算机与“脑”的差别何止千万里。 只能处理数据，这就是目前我们使用的计算机的性能。就是说，要想在计算机上处理某物 必须有表达此物的方案（数据结构） 、 必须有存放此物的容器（数据库） 、 必须有操作此物的工具（处理方法） 、 必须有填充数据的方法（输入功能） 、 必须有结果处理的功能（输出功能）⋯ 这是一般的道理。 所以， 所有的计算机软件都必须有数据库功能， 就是顺理成章的当然的结果了。 再看实际的软件，从操作系统到游戏，无一不是以数据库和数据处理为核心功能的，只是外在表 象上，不见得直接说自己是数据库（也没有必要这样说） 。相比之下，CAD 软件必须有更高级的数据 库作为基础设施 作为数据库，根据其具体容纳的数据结构之不同，数据关联关系之不同，分成许多专用类型。作 为 CAD 软件的底层，除了要具有常见数据库的数据结构之外，还必须带有几何图形数据库结构，因 为这是它要处理的主要对象。这是超出一般数据库的地方。为了能精确表达几何数据，CAD 软件的 数据表达精度一般都能超过十万分之一毫米。 作为数据的输入， 一般数据库是直接 （文件或者键盘） 输入原始数据。 而 CAD 软件的几何数据库， 就必须有良好的、容易掌握的、足够精度的方法，输入用户的数据，这就是一系列的绘图功能和图 形状态下的交互操作界面。而生成图线的过程，就是在填充这个图线的几何数据库的纪录，这是必 须具备的图形输入。这又是超出一般数据库的地方。 作为数据提取，一般数据库是以某些关键字之类的代码进行检索。而对于 CAD 软件，这样的检索 功能就太单调了，因此，CAD 软件数据库的检索功能相当复杂和完美，例如指定图线的透视显示 影像，也能找出关联的数据库记录，就像我们用手指点一个物体，与他人进行交流一样，而且这种 功能还在继续丰富和提高。这也是超出一般数据库的地方。 总之，任何一个 CAD 软件，其数据库从结构到功能，在设计数据处理方面，都超出了那些通用的 数据库软件。当然，对于一般数据库所具有的，CAD 软件也是必须具有的基础功能。 这是一个重要的基本估计。就是说，使用 CAD 软件的原因，就是因为能够建立和使用比较完整的 设计数据库。 33 设计表达的数字化 设计表达的数字化 设计，是一种人类大脑所特有的创造性过程，决不是“电脑”所能理解或掌握得了的技术。以 前为了表达和记忆自己的设计思维，不得不借助工程图；而现在，也有可能借助软件，使用三维模 型进行了。 但无论如何，对这些表达的建立和结果的解释，还必须由经过专业训练、成熟的工程师（人） 进行。大量的设计构思，需要在这样的解释下才能展开和讨论。可见，图形与数据之间，需要人的 介入、记忆、解释，才能真正有用。这就是传统设计中对于“设计构思图形化”的处理规则。 前边说到，计算机不能处理没有被数字化的东西。而传统设计中的表达方法却不是这种数字化 的东西。如果是直接按照传统设计的习惯使用 CAD 软件，会因为离不开“具体某人的解释” ，就会出 现许多困难，也就是说，并没对设计过程有多大的提升作用 例如就是经过几个人的审校，漏标尺寸的事仍时有发生。而且设计师在这个设计中独创的地 方越多，审校的人对这个设计的构思越熟悉，漏尺寸、漏图线就越难防止。正是不识庐山真面目， 只缘身在此山中。 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 9 例如最基本的设计过程中，基于装配关系的、各个结构之间的配凑，需要人进行把握，稍有 不慎，就会在现场装配中出错，于是，就需要重新设计和制造。 例如设计的更新与修改问题。传统的二维设计是一锤子买卖。如果要更新或修改，就要重新 绘图，一般规定不可以打补丁（多数设计部门是这样要求的） 。尤其是多视图零件，在修改设计时， 零件的表达和它的有关设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的关联，这些技术资料的保存 和更新都十分麻烦。虽然二维图形在 AutoCAD 中有较方便的修改方法，但是由于是对表达“图线” 的修改而不是对设计“概念”的修改，仍然是相当麻烦，相当不可靠的。 例如设计工程管理问题。这里所说的是对设计的管理，不仅仅是对图纸的管理。我们一些 CAD 用得好的单位，已经有几千个 DWG 文件，而且在继续增多。这些文件中除了图形信息外，还会有大 量的设计参数等非图形信息，它们按装配层次关系有一种复杂而有序的关联。能否将传统设计中的 管理模式用在 CAD 中 ⋯⋯ 原因是因为在使用 CAD 软件的过程中，您完全没有准备在二维/三维构造过程中表达充分的原始 设计数据，也没有对设计数据进行关联和使用，进而使设计构思的“数字化” 。 要知道，传统的二维工程图表达本来就不是设计构思的完整表达，也不是设计构思的真实表达。 这样的图样必须由经过专业训练的人（熟记表达规则）才能读懂，数据的提取必须由读图的人按照 许多规则进行解释，他才能了解绘图人的意思。 在传统设计的基础上，按照“CAD 软件不仅仅能绘图，更是有效的设计数据库，因此必须做到设 计构思的数字化表达”这样的观点进行软件使用，将尽量完整的设计构思记入 CAD 软件的数据库之 中，将这些数据的关联关系描述清楚⋯ 就可能解决上述问题。这就是说，在所有的 CAD 软件使用过 程中，应当始终以“构建和使用设计数据库”的基本概念操控软件，就能产生源于传统设计、高于 传统设计，切实发挥 CAD 软件支持能力的好结果。这就必然涉及到参数化设计技术。 在 CAD 软件的专业应用上，一直存在两种相当不同的技术风格。 以真实零部件为参照， 在几何构成范围内讨论， 以 “像” 为标准的、 笔者称为 “造型派” ； 以 “是” 为标准的、笔者称为“设计派” 。 笔者属于“设计派” 。 “造型派”认为只要看起来象，创建的方法是否合理，设计数据怎样构建都无所谓。例如 造型派们甚至可以使用 CorelDraw 生成二维机械工程图，用 3DSMax 生成三维机械模型，并认为这没 什么不对劲的地方。造型派也用参数，但主要目标是使结果“看着像” ，而不是为了设计数据的正确 表达。因此，他们用 Inventor/MDT 或其他三维软件，最终结果经常处在欠约束的状态，也不认为基 于装配的参数关联设计有多大的意思。例如他们要求软件要能够实现 600 零件的装配。想想看， 600 个零件，谁能在一张装配图上表达 600 个零件的装配关系别的不说，600 个零件的明细表可怎 样才能铺开 “设计派”则认为看起来象是必然，因为我的模型是完全正确的。但是，整个的模型必须有 充要的参数驱动、装配关联和设计数据表达。最基本的要求是在设计参数的范围内，模型不会被 “拉散” 、 “扭曲” ，而且能够根据设计配凑的需要进行方便的修改调整和后期的设计数据的提取。因 此设计派认为用 CorelDraw 生成工程图是无法理解的荒唐做法， 也不可能在一个装配模型中处理 600 个零部件，一定是多层次分级装配而成。 两种风格的关键分歧，是对“设计”两个字的理解和专业设计能力的高下。 另外，这个“参数化/变量化设计”并不是 CAD 软件带给我们的新设计模式，仅仅是对传统设计 过程的提炼和抽象，为的是能够将我们的设计过程在计算机软件中处理。当然，这可绝不是“电子 图版”和“电脑绘图”这种概念下的结果了。 44 绘图/建模是设计构思的工具，而不是设计的结束 绘图/建模是设计构思的工具，而不是设计的结束 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 10 CAD 的 D 是“设计” ，而不仅仅是“绘图”或者“建模” ，这一点对于“设计派”的读者是十分 清楚的。D 的过程中，会发生了许多困难，我们当然想有人 A 我们一下。而现在，由于计算机技术 和软件技术的飞速发展，C 可能就是 A 我们进行 D 的人。这就是 CAD 技术。 我们发现，无论是何种 CAD 软件，最基本的功能就是构建二维或三维的模型，为什么呢因为 这是 CAD 软件的及格线。一个 CAD 系统，无论是二维还是三维，其主要部分大致应当包括下述内容 □ 几何构成的创建、修改、保存等功能，几何模型数据库。 □ 专业设计支持功能。 □ 非几何模型数据的数据库，以及这些数据的管理功能。 可见，绘图、建模，是设计的起点和过程中的动作，是辅助手段。认为工程图绘制或者三维模 型的表达完成，设计就结束了，这显然是极其错误的。 下面就是几个关键概念 11 什么是“设计” 什么是“设计” 设计，创建、策划、构思之谓也。设计是个相当复杂的、只有经过专业训练的、有一定天赋的 人脑才能实现的过程，设计中各个相关要素（在装配下的零件、在零件上的结构、在结构中的形状 和尺寸⋯） ，在设计全过程中要反复调整、配凑，这是设计全过程中始终存在的动作。 作为整个设计过程，大概的约束条件，按重要性排列 满足功能要求完全实现这个机器设计之前的提出的工艺要求。 实现操作自动化条件容许的情况下，实现更多的自动化机构。 足够的可靠性整体机器的寿命和动作可靠性，能将材料合适地用到该用的地方。 良好的可加工性各个零件的工艺性要好，利用现有工艺环境能可靠地制造、装配。 良好的人-机关系和可操作性要实现舒适的、顺畅的操作。 合适的、漂亮的外观包括形状、结构、颜色⋯ 通俗地具一个例子计算机专用桌椅。设计的原始条件是两个来源统计学基础上的人和现有 的计算机。 根据人体结构的统计学尺寸，确定了椅子坐面高 410mm，桌子面高 700mm，这是最舒服的尺寸。 根据具体计算机的尺寸，确定了放键盘的部位不少于 750 x250mm；17”显示器，距键盘外沿为 450mm，因此桌子的面积至少是 750 x800mm⋯ 之后要进入详细设计，完成结构、外观、装配关系、工艺方法、材质、颜色⋯ 还要考虑可维护 性如何、技术经济分析结果如何、可加工性如何、受力状态如何⋯ 最后才能产生装配工程图和零件 工程图，投入试制。试制的结果还要给设计许多反馈，设计还要进一步修改，这才是第一轮设计的 结束。 您可以看看自己的计算机操作用的桌椅，它是不是一个正确设计过程的产物我敢预测，多数 不是。因为多数计算机桌椅，不是那些熟悉计算机使用的人设计出来的，尤其是放键盘的位置，多 数没有想到计算机上还有一个重要的、比键盘使用率还高的鼠标器可见，一个设计可决不是学会 了绘图、建模的人，就能够完成的。 从需求、到大致结构、到具体零部件、到完成最终结构，这就是设计的基本过程。所以，能不 能很好地支持自顶向下的创成设计构思，是评价 CAD 软件能力的主要指标。 22 设计的大概内容以及与工艺的关系 设计的大概内容以及与工艺的关系 设计的过程，就是策划、构想所设计对象的制造、装配、使用等等细节，将他们从设想变成可 以实施的结果方案。可见，一个设计师，必须清楚地知道所设计对象的工艺、装配、动作⋯ 细节， 并据此设计出它的最终形状、大小、材质等参数，如果不清楚，则必须通过讨论、配凑、请教，甚 至中间试验，把它搞清楚。这是基本的条件。 InventorR9 应用培训教程机械设计实战应用培训教程机械设计实战 11 并不是能想明白的东西都能完成设计，关键在于“工艺” 。不能实现的、或者很难实现的设想， 最终都不能成为设计结果。 一个产品，当然要销售到用户手中，这样，设计构思的最后结果就是公开的了。按说，只要测 绘完成，谁都能达到同样的设计，按人家这个设计方案制造同样的产品（除了专利保护的限制） 。 但是，测绘完成，只是明确了零件的几何形状和它们的结构关系，能不能像原厂家那样成批的、 可靠地、成本合理地做出来，可就不那么简单了。这就是工艺问题。这就是在参观某工厂时，产品 可以随便看，可是车间却有几个不让看、或者飞速掠过的原因，因为哪里是关键工艺环节。 看一看铝的生产历史，现在是太便宜了；据说以前在某国家，大臣用金、银的餐具，皇帝才能 用铝餐具。现在为什么这样普遍铝的提炼工艺解决了。 尼龙是什么年代发明的尼龙袜子的价格是怎样迅速下滑的还不是工艺问题。 空心等壁厚的钢球，作为轴承的滚动体，具有大预加载荷、高承载能力、高精度的特点，这个 设想早已完成。为什么不成为设计，去生产呢空心钢球的制造工艺没解决。 在 CAD 软件的辅助下，能不能明显提高用户的工艺知识和能力呢不能。实际上现在我们看到 的 CAPP 软件，都只是“计算机辅助工艺编辑” ，并没有真正的工艺设计的味道。当然，在 Inventor 中，有可能做工艺参数的求解，但这并不是工艺方法的创建。 在 CAD 软件的使用中，对工艺知识的要求怎样应当是更为严格。不知道零件的制造和安装工 艺，甚至不能正确地建立有效的零件模型和装配模型。 设计与工艺的关系怎样把握，是在 CAD 应用中“造型派”和“设计派”风格最明显的不同点。 对于任何 CAD 软件（Inventor 也是） ，在利用它进行设计的过程中，应当时时刻刻与制造工艺关联 起来。例如打了个孔，想的是钻-铰加工；开了个槽，想的是圆柱铣刀铣槽⋯ 这样，设计的味道才比较浓烈，结果才更有意义。 因此， “看着像”将不是问题， “实际上是”则可能完满地做到。 可以说设计就是模拟加工、模拟装配。 设计过程中，自始至终充满了“假如⋯ 因此⋯ 于是⋯”这样的思维推理过程。就是说，实际 上工程师是在脑子里模拟自己设计的东西未来的样子。可见，一个不懂相关的工艺、测量、装配、 调试技术的工程师，无法进行真正的设计，至少不能完成优秀的设计。 于是 “你怎么设计，我怎么测量；你怎么测量，我怎么加工；你怎么加工，我怎么造型” ，就 成为粗略的规则。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、装配过程 紧密相关，不可脱节。 于是在 CAD 软件中尽量完整地再现这样的思维过程，甚至因此出现了各种专门的“仿真”软 件，在计算机上进行过去生产现场才能完成的过程⋯ 这种目标成为 CAD 系列软件永恒的追求，这就 是学术界讲的“虚拟设计”的主要意思。 于是 我们就设法在现有的软件功能基础上， 尽可能多地实现这种 “再现” 、 或者说规则的对应。 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” 。 而这“恰好”是 Inventor 的最具特色的功能。 33 参考书的负面影响 参考书的负面影响 笔者在工科学校教了 20 年的机械设计专业课，认为我国的工科大学教育相当失败，许多学生已 经毕业了，还是没真正尝过设计的味道是什么，因为他们在校期间从来没有真正“设计”过；他们 的老师，多数也没做过真正的设计；教科书更是陈腐不堪。 这样，CAD 软件相关参考书，就是他们毕业之后不得不重新“学习设计”的主要“助手”之一。 笔者清楚地看到，目前可以找到的这类书籍，无论是 AutoCAD、MDT、Pro/E、MasterCAM、I-DEAS 还是 UG，虽然书名也说是xxx 设计 ，可是多数的书，通篇竟无一例是设计，作者也说不出来为什 么要这样做这个模型，哪怕是作者
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