草图技术(9)
     11、草图的其它一些技术问题
  草图间模型的基础,草图在进一步创建成模型结构之前,应当被完整和合理地约束好。
  在使用Inventor之前,大部分人都熟悉AutoCAD,因此多数人认为Inventor的二维绘图功能不如AutoCAD好。实际上Inventor的草图功能相当好,甚至在二维工程图的直接绘图操作中,也明显地好于AutoCAD。这里有观念问题,也有技术方法问题。
  下面补充上面还未提及的技术问题。
    11.1正确的观念是什么?
  工程师怎样描述一个正六边形图形?“17mm的六方”。“六方”是几何关系,“17mm”是尺寸大小,这就是人本来的设计思维和表达习惯。
  在AutoCAD中,几何关系和尺寸大小一般是同时达到要求的,这是AutoCAD最大的缺陷。所以说AutoCAD是为绘图员准备的工具,而Inventor则是为工程师准备的工具。关键在于:要从设计的角度切入使用CAD软件,以设计中的通常思维模式为基础,把几何关系和尺寸大小分开来描述。在Inventor中,草图结果相对于设计构思的原始条件,已经达到了“是”的层次,而不仅仅是“像”。在AutoCAD中,解决“是”的问题相当困难。这就是为什么曾经有那么多人,在研发基于AutoCAD的参数化软件的主要原因。
  例如,图2-86的图样。若在中,可是比较麻烦的.在Inventor中就很简单了,按照自己的思维直通通地做下去就行:
          
 ◆绘制草稿图线,完全不考虑尺寸,只要图线的类型正确就可以,甚至几何关系也可以忽略。 参见图2-87左。
 ◆用几何约束,将图线按要求的几何关系(竖直、相切…)做规整。参见图2-87中。
 ◆修剪掉不需要的线条片段,参见图2-87右。
 ◆标注驱动尺寸,完成。
        
  可见用Inventor绘制二维的图线,要比用AutoCAD舒服得多。甚至许多在AutoCAD下相当麻烦的图形,在Inventor中变得极其简单,几乎所有的针对AutoCAD学员的较难的作图考题,在Inventor中变得极其简单和顺畅。
     11.2 关于完整的约束
  原则上,一个正确的草图,必须达到完整的约束。欠约束虽然也能完成“看起来像”的模型,但毕竟不是完整的设计思维表达。
  是否完整的约束,简单的测试方法是:在草图模式下,不启用任何功能,点选任何一条线或者点,按住拾取键拖动,整个图形整体移动,不发生变形甚至散架子的现象,就是完整约束的了。   因为设计过程是个参数配凑的过程,在配凑修改参数的时候,才发现约束不完整,回去重新修改,将是很麻烦的事情,尤其是多层次参数继承和关联的条件下。
  过约束时,Inventor将发出明确的提示。
  注意:在准备使用基于装配的关联设计技术时,实际上我们自己施加的草图约束数量,尤其是尺寸约束,会少于完全约束的数量。这种情况不是“欠约束”,而是“缓约束”。在基于装配的、变量化算法的设计中,缓约束是很常见的技术手段,但是最终的约束必须是完整的,只是不完全在草图创建过程实现。
     11.3 构造线的实例
  构造线(辅助线)在草图绘制中很重要,再举几个例子:
  例1:铣刀刀槽
  参见图2-88。再看"02-015.IPT"中的“切削槽-前刀面”特征下的“草图24”,这里作了一条竖直的构造线作辅助线,这条线起自刀体的圆心;之后,就可以借助这条辅助线,明确而直接地添加主前角的驱动尺寸10°角了。
  如果是纯尺寸驱动,需要计算10°前角的条件下,前刀面与刀体中心的距离。关键在于,用纯尺寸做驱动,每次修改前角设计都需要再次计算,很麻烦、而且不是直接表达了设计师的思维和意图。
        
  例2:对称孔
  图2-89右,这是另一个典型的实例,其中关键是要表述孔的对称和尺寸,参见图2-89左图的两个草图。
 
  右下图实例分析:
  这是不好的处理结果。因为所有的位置都是靠驱动尺寸和计算表达式进行控制,很啰嗦且不容易直接更改孔距数据,也不是设计构思的准确表达。
  左上图实例分析: 这是比较好的处理结果。几何约束和尺寸约束被正确而合理地使用了。其中,构造线是关键的角色。
   例3:椭圆的焦点
目前Inventor的椭圆草图,不完全符合几何学的规则,因为没有焦点。
  而焦点,在椭圆的应用中相当重要。例如在创建椭圆齿轮的时候就需要。Inventor不知何时才能提供焦点,而我们现在就需要它。
  解决方案很简单:利用构造线。
  例如图2-90的椭圆就具有所有的几何结构,并能够动态拖动跟随。做到这一点,正确使用构造线表现椭圆的几何构成,是关键的一环。具体方法如下:
      
  ◆绘制椭圆(轴最好不在水平或竖直位置上);
  ◆用构造线创建长、短半轴。由椭圆中心向椭圆线上作垂线或平行线就能生成短半轴和长半轴; 图2-90 椭圆焦点 焦点中心点长轴短轴
  ◆从短半轴端点到长半轴上的一点作构造线;
  ◆约束这条连接的构造线与长半轴“等长”,它与长半轴的交点就是椭圆的焦点。因为,从椭圆上任一点到两焦点距离之和等于常数,即等于二倍长半轴;
  ◆做出焦点、中心点。
  ◆拖动椭圆的中心点或椭圆上任意一点,焦点也跟随椭圆变化而变化。这就与标准的草图没什么不同了。
   可见,Inventor按经典几何学的概念创建带焦点的椭圆,绝不是难事。可为什么不给出焦点呢?
    11.4. 几何约束的“隐式”和“显式”
  对于几何约束,有“隐式”和“显式”两大类。
前边讨论的基于传统的画法几何的概念,使用构造线充当辅助线,则是显示的约束,这样可以在很长久以后再次编辑草图时,也能清楚地看到这些约束的辅助线和结果。对于隐式的约束,则只能通过查看图线的几何约束,才能真正找到,而不能一目了然。
  例如,将一个圆放到矩形的几何中心上,显式的约束至少需要一条辅助线,虽然显得罗嗦,但未来的可识别性能好;隐式的约束可利用中点的捕捉和竖直、水平约束来实现,显得简单些,但未来可识别性不好。
  在Inventor中构造草图,并不是完成了这个草图的模型特征就完成了任务,后期的设计配凑才是真正的需要,在草图阶段为后期设计准备充要条件,提供尽可能方便的准备,才是正确的规则。所以,笔者推荐“显式”约束,而不主张使用“隐式”约束,虽然Inventor两者都能完成。     11.5 草图的驱动尺寸单位
  这是一个很有趣的事情,如果得到了一个英制零件,想在自已的设计中借用,怎么能保证所有的驱动尺寸变成mm制?例如02-027.IPT,过程很简单:
  在菜单中“工具(T)”-〉“文档设置(S)”-〉“单位”选项卡,在“长度”栏目中设置成“毫米”。 最后(这是关键的一步),在在菜单中“工具(T)”-〉“全部重建(R)”。
    11.6 草图中输入点
  一些复杂的二维或者三维草图,其控制点可能是第三方软件创建出来的数据,如果能直接读入这些数据到Inventor的草图环境变成图线,就很理想了。
   Inventor为此新加了个功能“输入点…”,前提是需要一个按规定格式填写数据的Excel文件,例如3D.XLS和图2-91:其中A1处必须是数据的量纲;从A1/B2/C2/开始往下,按X/Y/Z的规则填写数据;可以不填写Z数据,即既可是二维点也可是三维点。
      
  在草图工具面板中启用“输入点”,会弹出文件选择界面,选定2D.XLS文件并“打开”,Inventor将自动把所有的草图点按2D.XLS文件中的数据创建起来了。
  但是,多数使用需要时将这些点按次序连结成一条三维曲线,但Inventor没有这样做。为什么不顺手把连线的机制做出来,笔者不能解释。
  曾经有过这样的例子,用户自己的程序中计算得出了两组720个空间点,想创建一个圆柱凸轮。数据进入之后,连接着1440个点成为路径线,则几乎是灾难性的过程,漫长而紧张,多次连错…
     12. 草图功能下的CAGD
  计算机辅助几何设计,也就是CAGD(Computer Aided Geometrical Design),是以计算机几何为基础,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。
  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用解析的程序自动实现的,也就是说,
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。
    12.1 设计参数求解实例之一
  某链轮的设计,已知条件节距t=12.7mm、齿数Z=17,求链轮节圆的半径,参见图2-92。
       
  ◆创建17边的正多边形,尺寸驱动边长为12.7mm。
  ◆标注中心到多边形顶点的对齐参考尺寸(参见图2-93)。
  如果变更链条节距,仅仅需要修改尺寸12.7到新值,新结果立即出现。这就是参数化设计的好处所在。
     12.2 设计参数求解实例之二
  齿条模数5mm。为了保证双向运动的精确性,机构设计要求实现齿轮和齿条的“无隙啮合”,设计构思是以加工精度控制装配之后的结果:齿轮控制其分度圆直径公差,而齿条则控制其节线到安装基准面的距离,这就是设计尺寸30。参见图2-94。
          
  但是,节线仅仅是一种设想中的,而非实际存在的几何要素,因此不能充当加工中进行测量的几何实体。为了能够控制尺寸30,需要设计一种过渡手段:用量棒进行测量的过渡,参见图2-95。
  为防止齿型角加工偏差带来的额外测量误差,应当使量棒放在齿沟中的时候,保证与齿面的接触点正好在齿条的节线与齿面的交点处,这样的条件下,齿形角的误差对于测量的影响是最小的。
  这就需要计算这根量棒的直径和直径确定之后的测量尺寸,这样的计算需求在传统设计中是比较常见,也是比较麻烦的,利用Inventor草图的CAGD则相当简单。
  先体验一下:打开“02-008.IPT”,可见到只有草图。参考尺寸d6和d7就是要求解的尺寸。如果今后又有类似的求解,只要修改尺寸d0(模数)或者尺寸d8就行了。求解过程参见图2-96左。
       
 ◆做ABCDFGHIK折线,约束AB、CD、FG、HI为水平线,DF与GH线等长,DF平行于IK;
 ◆做水平线EL,端点在DF线和HG线上;
 ◆做水平线LJ,端点在GH线和IK线上;
 ◆约束EL和LJ线水平、端点重合、等长;
 ◆标注DF-GH线夹角40度;
 ◆标注CD-EL线垂直间距d0=5(模数);EL-FG线垂直间距为d0*1.25;
 ◆标注EL-AB线垂直间距为30(设计尺寸);
 ◆标注E-J点水平距离为d0*3.14159265(周节);这样基础图线就做好了,改变d0,全图正
确跟随改变。之后作构造线:
 ◆自E点起、垂直于DF线;自L点起、垂直于GH线;
 ◆以两线交点为圆心,过E或L点做圆;
 ◆标注圆的直径和圆的上像限点与AB线的垂直距离,完成.
  如果变更了设计参数(例如模数),仅仅需要修改相关驱动尺寸到新值,量棒的新的设计数据将会立即出现。
     12.3 设计参数求解实例之三(02-009.IPT)
  两个皮带轮,中心距200,节圆直径分别是50、80,求皮带的长度。
  参见图2-97,按设计要求做草图,标好驱动尺寸,修剪,剩下皮带中心线。在菜单中“工具(T)”→"测量周长(L)”,感应拾取草图线,Inventor将计算并显示所要的结果。
   
  类似地,求解链条大致长度,也可以借助这个方法,参见02-009a.IPT。过程是:
 ◆在“计算节径”草图中,根据齿数(21、35)和链条节距(12.7mm)求出两轮的节圆半径
d3);
 ◆再在“计算链长”草图中,根据半径和中心距(300mm)绘制链轮节圆的代表圆;
 ◆根据链条松边,做出连接圆孤线和弦线,添加垂直尺寸15。
 ◆修剪无用的线条部分,“测量周长”,结果参见图2-98。 

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