本文以autodeskInventor R3 軟件為環(huán)境，討論三維建模中幾個(gè)重要的觀念問題。企圖說明三維建模真正的用途，解決幾個(gè)常見的誤區(qū)。我把這類問題上的觀點(diǎn)分為“設(shè)計(jì)派”和“造型派”。我自己自認(rèn)為屬于“設(shè)計(jì)派”團(tuán)伙。 　 1．零件造型怎樣才是正確的結(jié)果
　　　　創(chuàng)建三維參數(shù)化零件模型，不僅僅是為了造型，正確的模型應(yīng)當(dāng)為以后的許多使用，如設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、參加裝配、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析、數(shù)控加工等，準(zhǔn)備好充分的數(shù)據(jù)和參數(shù)驅(qū)動(dòng)的可能。可以說，造型的近期目標(biāo)是為了修改，完成零件或機(jī)構(gòu)的配湊設(shè)計(jì)。這就要求所創(chuàng)建出的零件造型結(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便在零件設(shè)計(jì)過程中，可以對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)隨時(shí)作相應(yīng)的調(diào)整。應(yīng)當(dāng)達(dá)到如下的要求：
　　1〉 特征的完整性性。
　　在創(chuàng)建三維參數(shù)化零件模型中，簡化掉某些特征可以提高效率，減少圖形文件的體積。 但是某特征是否可以被簡化，與將來模型的應(yīng)用需求是直接關(guān)聯(lián)的。
　　例如：如果是為得到完整的二維工程圖，所有特征都必須完整做出。如果是為有限元分析，原則上講所有特征必須完整做出，但是對(duì)于相當(dāng)小尺寸的結(jié)構(gòu)特征可以省略。如果是為運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，某些細(xì)節(jié)特征（例如較小的圓角、倒角）可以省略。如果是為數(shù)控加工后處理，將來由銑刀頭部圓弧切削生成的內(nèi)圓角可以省略等等。
　　2〉 草圖輪廓約束的完整性
　　想在二維工程圖中出現(xiàn)的尺寸，應(yīng)當(dāng)添加到輪廓上。未來優(yōu)化設(shè)計(jì)中可能需要調(diào)整的尺寸，必須加到輪廓上。
　　能夠確定下來的幾何關(guān)系，例如輪廓片斷之間的相切、平行、等長、等半徑等等幾何約束，應(yīng)當(dāng)充分而完整地添加上去。可以將肯定不需改變的尺寸約束省略，而幾何約束必須保證齊全正確。在MDT中，堅(jiān)持使用多段線（PolyLine）生成輪廓草圖線，能夠最可靠地直接繼承輪廓的幾何約束關(guān)系。
　　總之，并不是MDT報(bào)告說“草圖已被完全約束。”就說明輪廓的約束就是完整正確的了，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是在未來設(shè)計(jì)中的可用性。在約束尺寸值的確定上，應(yīng)使用運(yùn)算表達(dá)式來與其他的尺寸關(guān)聯(lián)，將設(shè)計(jì)師頭腦中的設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確表達(dá)出來。如果目前不需要，而且輪廓是精確做圖生成的，可以省略一些尺寸約束。添加一個(gè)約束尺寸是可以隨時(shí)隨地進(jìn)行的。對(duì)于幾何關(guān)系的約束，則應(yīng)當(dāng)力求完整添加，以便發(fā)現(xiàn)原來構(gòu)思中的漏洞。而且?guī)缀渭s束的添加，可能直接影響到整個(gè)模型的樣子。
　　
　　2． 型實(shí)例分析
　　如下圖，這是典型的簡單機(jī)械零件：花鍵軸的二維設(shè)計(jì)圖，其具體結(jié)構(gòu)也是相當(dāng)普通而且常見的。為了討論方便，省略了其他結(jié)構(gòu)。
　　
　　2.1 軸的造型方案討論
　　按照MDT的能力，生成這根軸可以用分段拉伸或者輪廓回轉(zhuǎn)兩種方法生成結(jié)構(gòu)特征。從“造型派”的建模原則討論，兩種方法相同，都沒有問題。但從“設(shè)計(jì)派”的角度討論，用分段拉伸造型就有問題了：
　　1〉 從工程師頭腦中的概念來說，一根軸本來就是回轉(zhuǎn)體。多數(shù)工程師會(huì)直接選擇輪廓回轉(zhuǎn)法。這就是典型的：你怎么加工…我怎么造型。
　　2〉 必須做好準(zhǔn)備，應(yīng)付軸的結(jié)構(gòu)在今后的設(shè)計(jì)中可能調(diào)整。軸段的數(shù)量可能改變，軸上的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)可能改變或者增刪。使用輪廓回轉(zhuǎn)法生成，可以通過輪廓線的追加調(diào)整，方便地改變軸的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。而分段拉伸法就難以做到了。
　　3〉 廣義地討論，輪廓回轉(zhuǎn)法，可以將最終的模型中，表達(dá)軸的外部形狀的輪廓，可以直接將輪廓存出成為單獨(dú)的DWG，作為數(shù)控車削編碼生成的數(shù)據(jù)源。而分段拉伸就很難這樣做。
　　4〉 對(duì)于這個(gè)特例，應(yīng)當(dāng)生成“軸芯”。就是排除花鍵以及花鍵加工之后造成的結(jié)構(gòu)。雖然可以生成花鍵加工前的軸，但是這樣一來花鍵部分的生成比較別扭。
　　5〉 為了將來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和統(tǒng)一，花鍵部分的參數(shù)諸如R0、L、N等，已經(jīng)事先在設(shè)計(jì)變量中定義好了：實(shí)際生成中的輪廓如圖
　　6〉 回轉(zhuǎn)生成軸芯造型，并生成軸的中心線。
　　
　　2.2 花鍵的造型方案討論
　　按照MDT的能力，花鍵可以用輪廓拉伸和單鍵陣列兩種方法生成結(jié)構(gòu)特征。從“造型派”的原則討論，兩種方法都可以。但是從“設(shè)計(jì)派”的角度討論，輪廓拉伸就有許多問題了：
　　1〉 花鍵的制造過程本來就是典型的單鍵+環(huán)形陣列，多數(shù)工程師會(huì)“本能地”使用陣列方法造型。這又是典型的：你怎么加工…我怎么造型。
　　2〉 如果花鍵的結(jié)構(gòu)將來進(jìn)行修改，不外乎鍵數(shù)和鍵寬之類的參數(shù)，單鍵陣列能夠適合于這種可能的修改。
　　3〉 單鍵陣列可以比輪廓拉伸更簡潔明晰地進(jìn)行特征約束，約束的實(shí)際參數(shù)比較少，而且比輪廓拉伸的參數(shù)控制能力要強(qiáng)。
　　4〉 實(shí)際造型是以軸的右端面為工作面，生成單鍵的輪廓，拉伸到表面。這個(gè)到達(dá)面就是軸上R30的部分表面。
　　5〉 之后環(huán)形陣列剛才生成的單鍵，陣列數(shù)量為事先設(shè)好的設(shè)計(jì)參數(shù)N。
　　
　　2.3 花鍵根部臺(tái)階軸端面造型方案討論
　　　　這是這根軸造型中比較繞彎的部分，因?yàn)镸DT沒有提供直接的功能。造型中，既要保證幾何形狀正確，又要保證實(shí)現(xiàn)將來設(shè)計(jì)修改中可能的要求。如果使用花鍵切削工具體與臺(tái)階軸進(jìn)行減運(yùn)算的方法，也能圓滿完成造型，本例子使用的是另一種方法。具體過程如下：
　　1〉 生成定義這個(gè)端面的工作面。這個(gè)工作面平行與軸的右端面，相距為L尺寸。這是為將來對(duì)于花鍵有效長度L的可能修改作必要的準(zhǔn)備。
　　注意：工作面驅(qū)動(dòng)尺寸是L，而在此之前，軸芯上R30中心位置尺寸是L+2，這個(gè)+2是典型的工藝需要（足夠的過切，使花鍵底徑確實(shí)越過這個(gè)端面）。這樣一來，無論怎樣改變?cè)O(shè)計(jì)變量L，軸各部分的結(jié)構(gòu)都會(huì)相關(guān)驅(qū)動(dòng)，相互位置正確。
　　2〉 在這個(gè)工作面上生成單鍵切削加工結(jié)果的輪廓（門字形）。主要輪廓線均使用幾何約束與已有的特征關(guān)聯(lián)。例如：鍵兩側(cè)與已有鍵側(cè)“共線”、拱門的弧段與直徑55的圓柱“同心”“等半徑”…
　　3〉 用生成單鍵的方法拉伸這個(gè)補(bǔ)充部分，之后陣列之，數(shù)量使用設(shè)計(jì)變量N。
　　4〉 創(chuàng)建平行于花鍵側(cè)面、通過軸中心線的工作面。
　　5〉 生成退刀槽輪廓，回轉(zhuǎn)切削出退刀槽。槽的軸向約束尺寸要相對(duì)于剛才生成的直徑55的臺(tái)階端面標(biāo)出。
　　
　　2.4 各部分結(jié)構(gòu)完成之后的樣子
　　
　　3． 結(jié)論
　　　　由于大家不同專業(yè)的設(shè)計(jì)習(xí)慣、規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)都相當(dāng)不一致，這造成了機(jī)械設(shè)計(jì)CAD推廣中的困難之一。因此本文引用了一個(gè)比較簡單的，機(jī)械專業(yè)通用的例子進(jìn)行分析。從中是否可以得出下面幾個(gè)要點(diǎn)：
　　1〉 三維模型存在的價(jià)值在于：充要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫
　　繪制工程圖的目的是記載和傳達(dá)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，生成三維的模型，一樣也是這個(gè)目的，而且數(shù)據(jù)更加完整，更容易實(shí)現(xiàn)相互的關(guān)聯(lián)。在CAD軟件中，核心功能都是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫的能力遠(yuǎn)比一般的“數(shù)據(jù)庫軟件”要好很多。無論你是否意識(shí)到了這一點(diǎn)，在你使用任何的CAD軟件時(shí)，都是在構(gòu)建你的數(shù)據(jù)庫。有人要問：我怎么沒感覺到？這正是這一類數(shù)據(jù)庫的高妙之處：你做了，可是沒有感覺。多么自動(dòng)化的數(shù)據(jù)錄入過程。
　　數(shù)據(jù)庫是建立了，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否正確？將來的可用性如何？是否完整地表達(dá)了設(shè)計(jì)？因此，用“三維模型存在的價(jià)值在于：充要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫”這個(gè)原則來指導(dǎo)你的三維建模，就是有意識(shí)、有目的、有內(nèi)容的結(jié)果。否則還不成了“盲目樂觀”了。
　　2〉 并不是看起來已經(jīng)挺像，就算完成了造型
　　如果看起來不像自己設(shè)計(jì)的東西，這是好事，因?yàn)楫吘怪馈安幌瘛保蜁?huì)去進(jìn)一步修飾。而看起來挺像，不見得是好事，因?yàn)榭赡苡幸淮蠖褑栴}，被“挺像”這一俊，遮住了百丑。設(shè)計(jì)界有一句話：正確的設(shè)計(jì)一定好用，而能用的設(shè)計(jì)不見得正確。比如：一個(gè)支座模型，十分漂亮，可是一旦改變了底腳螺孔的中心距，這個(gè)模型就被參數(shù)驅(qū)動(dòng)給“拉散了”，不再像了。這樣的模型，再像也毫無意義。
　　3〉 不能進(jìn)行“基于裝配的、參數(shù)相互關(guān)聯(lián)的”零件設(shè)計(jì)，是不可用的三維建模軟件
　　有一種挺流行的觀點(diǎn)：用三維建模軟件直接設(shè)計(jì)零件，并且參數(shù)化。我認(rèn)為這是夢(mèng)想。持這種觀點(diǎn)的人有一個(gè)共同點(diǎn)：沒有真正設(shè)計(jì)過，他的老師也沒有給他講過設(shè)計(jì)究竟是什么。他一直以為，設(shè)計(jì)就是繪圖或者建模。沒有任何一個(gè)零件能夠獨(dú)立地被設(shè)計(jì)出來，就連標(biāo)準(zhǔn)件也不例外。零件設(shè)計(jì)，一定是基于實(shí)際裝配，或者基于可能的裝配約束，才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此對(duì)于一個(gè)三維建模軟件的評(píng)價(jià)，首要的就是這個(gè)軟件中，基于裝配的建模功能如何。在我用到的有限的幾個(gè)軟件中 autodesk Inventor 這方面是最好的。
　　4〉 在三維軟件的使用中，多數(shù)題目的成敗，取決于工程師對(duì)自己設(shè)計(jì)的理解是否到位
　　CAD系統(tǒng)究竟能出多少成果，取得多大的效益，與軟件本身不無關(guān)系，但是決定性的因素是使用這個(gè)軟件的人。計(jì)算機(jī)應(yīng)用的價(jià)值在于“我們已知如何做的事情的自動(dòng)化”，你讓軟件給你做一件事，可你自己都沒有想清楚，軟件如果能替你完成，可不真的成了“電腦”了，這種情況下就不是CAD，而是CD（計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)）了。
　　雖然你我都?jí)粝脒@樣的結(jié)果，但是畢竟不可能。這使我想到一種并不少見的現(xiàn)象：一個(gè)對(duì)AutoCAD并不太熟悉的人，給AutoCAD寫增值軟件。這樣的增值軟件不好用，當(dāng)然是正常的。
　　在三維建模設(shè)計(jì)的過程中，肯定會(huì)淘汰一批在職工程師，因?yàn)樗麄兊闹橇Α⒅R(shí)水平、設(shè)計(jì)能力，都不能適應(yīng)這種真正的創(chuàng)成設(shè)計(jì)要求。可見，在進(jìn)入三維設(shè)計(jì)這個(gè)較高層次的、必然要走的道路之前，整理和提高自己的能力，就是必不可少的準(zhǔn)備。