数字化样机解决方案系列实战之:Inventor高级应用之大装配技术(5)

机械设计是一个富有创造性和复杂性的任务，功能强大的计算机硬件和软件为设计者提供了技术支撑，为用户设计出有竞争力的产品，缩短设计周期，在设计团队之间协同沟通提供了可能。

3D软件只是设计结果表达和实现的工具，如何更高效地实现完成设计任务，还依赖于设计人员如何利用这种工具去诠释自己的设计。在探讨三维设计时，有两种常见的设计方法，那就是自顶向下和自底向上。

一、自顶向下vs. 自底向上

自底向上是一种创建装配的传统方法，大多数人在学习使用软件之初，都会习惯地采用这种方法。首先，用户需要设计出各个零件，然后把这些零件放置到子装配中并添加彼此间的约束关系，子装配再被放置到更高一层的装配中去，并添加彼此之间的约束关系，这种方法会在零部件之间创建了很多的关系。从软件使用的角度，这种装配方法最为直接，但当模型数据比较复杂的时候，也会导致两种结果。

消耗过多的系统资源，并降低系统的性能。

相互之间的参照和引用关系复杂，当参照或引用的物体发生改变时（形体改变或被删除、替换），造成设计出错、难以修改。

从产品设计的角度来看，自顶向下更符合产品被定义并完成细节设计的整个过程，除了对产品有一个全局的考虑之外，还需要使用者了解软件的实现方法，并加以使用。

首先，我们用一个搭纸牌房子的例子来阐述一下两种设计方法的区别。现在我们需要用扑克牌来搭建一座纸牌房子，这里的纸牌就好比是我们在设计中每一个零部件，最终的纸牌房子就是我们的最终产品（图1）。

如果用自底向上的方法，从最底层开始搭建，卡片和卡片之间相互支撑，一层层向上搭建，当需要做设计变更的时候，这里类似我们想要替换其中的一张卡片，我们会发现替换卡片会导致这张卡片之后放置的卡片陷入稳定性的困境，因为这些后续放置的卡片都依赖于想要被拿走的卡片。

如果换用自顶向下的方法，我们在开始准备搭纸牌屋，从设计结果出发，在设计之初将各种已知的设计条件定义出来，作为子部件及零件设计依赖的基础。在这里，我们先为最终的纸牌屋，搭好骨架，所有的纸牌都依赖该骨架来搭建，这样的话，每一张纸牌都可以轻松地被替换，而不会影响其他纸牌。这里的骨架，就是一种典型的自顶向下的设计方法。

将纸牌房子的游戏换成Inventor的产品设计过程，对于自底向上就好比，创建好一个个的零部件模型，逐一装配，最终完成产品模型的设计；而采用自顶向下的设计方法，就是使用唯一的骨架模型文件包括设计的总体信息，对于会造成零件之间相互影响的设计变更，该骨架模型也是唯一的变更源头。使用这种方法创建的Inventor模型，相对于自底向上的设计方法，更加稳定，更新速度更快，系统资源（内存和CPU）消耗相较小，从而相同的硬件能够处理更大的模型。此外，这种设计方法也更适合于团队协作环境下开展设计协同任务。

二、自顶向下的实现方法

自顶向下的设计，其核心就是创建整体的骨架，以及基于骨架驱动整体的方法，这里我们介绍骨架文件和共同原点两种方法。

1.骨架文件

骨架文件（Skeleton），如同人体的骨骼，是整个身体构造的基础。一般而言，骨架文件中包括了下列四种设计元素的一种或多种。

草图：用来定义最终产品的概念设计，或者用来表达产品装配的布局。

工作特征：用来定义关键的连接点、轴的方向，或者是装配的安装（工作）平面。

参数：定义关键的零件尺寸、放置的角度和其他已知的设计值。

实体：用来表达最终装配中的形体，实体代表的可以是零件也可以是部件。

Inventor中有很多应用骨架文件的实例，例如：钢结构设计中定义型材布置的草图（或曲面、实体），管路模块中定义的管线路径（图2）。

通过Inventor文件来传递参数或链接外部的Excel参数表格，通过设计参数的驱动。

基于草图布局（或草图块）的主草图设计过程。主草图可以用来控制设计的形状、配合关系，设计功能，参考如图3所示的简单实例。

如图3所示，左侧的草图，定义出零部件的关键尺寸、相互之间的配合关系。用户将该主草图衍生至当前设计的零部件中，实现基于主草图的关联驱动。由于所有零部件都是基于同一草图设计，最后的装配文件中，零部件放置后，选择放置在（0，0，0）点，并固定，即完成了装配工作。

将零件分割为多个实体，并将实体创建为零部件的过程如图4所示。

2.共同原点

这种方法里，所有的子装配都基于同一个原点放置。通常，该原点是通过一个零件文件中的草图或者实体定义出相应的体量（位置），所有的子装配文件都基于该文件做后续的设计，在最后的装配文件中，零部件放置后，选择放置在（0，0，0）点，并固定，即完成了装配工作。

采用绝对原点的设计方法，易于定义、易于管理，由于相互之间的位置已经确定，所需的装配约束大大减少，当设计发生变更时也很容易处理，甚至对于需要替换某个子部件的需求，解决起来也易如反掌，它的局限性是不太适合部件与部件之间有机构运动的设计。因此，对于只需考虑部件之间的静态位置，或者考虑产品的模块化设计、团队之间协作设计的需求，这种方法是不错的选择，参考图5所示的简单实例，A、B、C代表产品的三个子模块，它们基于共同的设计原点，关键的设计参数都可以通过草图或实体的改变而关联驱动。

在全局坐标系之外，Inventor也提供用户自定义坐标系的功能，通过自定义用户坐标系对齐（约束）也是这种方法的运用之一（图6）。

在实际的设计中，并没有所谓的“通用法则”或“万能设计方法”，设计的目标需要考虑多重因素，易于加工、生产成本合理，同时还需要考虑作业文档的要求。无论是自顶向下还是自底向上，在特定的设计场景下，都有各自的优缺点及适应性，我们不能一概而论孰优孰劣。

实际的设计中，往往是部分零部件是已经确定（借用已有设计，或外购），部分需要重新设计，因此往往需要将自顶向下和自底向上结合起来使用。

提示：自顶向下的设计中，骨架文件会被运用到装配结构中，而实际的产品中并不存在的，因此我们还需要关注骨架文件的BOM属性。

参考件：零件的BOM属性被设置为参考件时，将不被计入质量汇总和零件明显；部件被设置为参考件时，部件及其包括的所有零部件都将不被计入质量汇总和零部件明细。因此比较适用于骨架零件一类应用。

虚拟件：当部件设置为“虚拟件”时，该部件在BOM结构中将不显示，它所属的零部件在结构上将向上提一层级。需要注意的是，如果零件设置为“虚拟件”，但是其质量属性不为零的话，其质量会被计入整体质量。

例如：在Inventor钢结构生成器中，默认的骨架文件被设置为虚拟件，对于草图或曲面构建的骨架，并无大碍，但是如果骨架文件是实体的话，因为其质量不为零，为保证最终质量汇总数据准确，应该将其改为“参考件”（图7）。

三、大装配工作流程

之前笔者介绍了很多Autodesk Inventor在大装配方面可以采用的方法，这里我们想用一个简单的表格来做一个简短的总结（表）。

四、结语

通过以上连载的五个章节，我们从不同的方面介绍了适用于大装配的技术和方法，内容包括了系统和软件的设置，模型简化技术、快速加载方式、工程图处理方式和设计方法。由于用户产品的差异、零部件复杂程度的差异和硬件配置条件的差异，设计方法的差异，很难给出一个量化的指标，更多的时候，需要用户熟悉自己的设计需求，并结合各种方法的特点，选择适合自己的方法。本系列的文档，是Autodesk中国研究院Inventor产品团队的员工，在归纳用户提出的问题，总结Inventor的产品功能的基础上加以整理而成，供大家参考学习。如有问题，欢迎email至。

（未完待续）