組合設計

不管使用那一套3D CAD軟體，
多數的使用者對進行零件設計都非常的熟悉，
程序上就是要先有幾何輪廓，
直(曲)線可以擠、掃、旋轉成平(曲)面，
封閉輪廓可以擠出、掃、混成、旋轉生成或切割實體，
這個過程只要經過短暫幾個小時的上課練習，大概就知道用法，
接下來就是不斷的重複進行將最終所需要的零件幾何外型形塑出來就可以完成零件設計；
零件設計領域最複雜的就是像鑄造件、不等肉厚的塑膠件以及對應所需的模具等，
隨便作完大概都有成千上百個特徵，
雖然只是一個零件，設計到完成可說是曠日費時。

3D CAD到了全新組合設計作業就開始很容易出問題了，
尤其是一個全新的設計，
在沒有零件的情況下要如何開始一個組合設計？

但是這個問題不是在3D CAD時代才有，
在以前2D CAD時代就存在，
所以這個問題嚴格來說並不是進入 3D CAD 時代才發生的問題，
其中的關鍵出在於一開始的時候很難有精確尺寸的零件可以置入到組合中進行約束、固定位置。

那為什麼在2D CAD時代這個問題好像不是那麼嚴重？

有一個很重要的原因出在於 3D CAD 的"參數"化！

可以觀察一下設計者初期的作業：
設計時可以任意手繪、無尺寸的畫一段線條、曲線、 方塊、圓、多邊形等等，
將幾何組合起來表達設計的概念，
到了電腦繪圖 (2D CAD) 時代，
軟體允許可以將這些幾何隨便移來移去，
不需要像手繪般反覆的畫、擦，
讓設計作業更方便更快速。
設計者把這些幾何概念進一步加上細節，
作成機構組合的設計圖，
隨後並拆解出各個單一零件的零件圖。
在AutoCAD中，組合到零件的設計就是將這些幾何分類作成圖塊，
然後將這些圖塊分離出來，
補上更多精確的尺寸與形狀，
例如孔、肋、圓倒角等細節，
以符合功能及後續加工、組裝的要求；
所以細節還包括要再加上尺寸標註、精度要求、使用的材質、加工要求等，
才能完成完整的零件設計。

所以一個新的機構組合設計的過程，
應該是從一個完全空白的情況開始進行組合幾何構型 、拆解設計零件，
到完成工程圖面 、BOM等資料。

以前手繪跟2D CAD時代會有很多製圖員負責"拆圖"，
就是作將資深工程設計人員完成的組合設計概念圖予以個別零件化，
並加上標註等細節，
最後在再給資深工程師更新組合圖並檢查是否符合一開始的組合設計概念。

所有零件細節設計完成後，
資深設工程師會將組合圖中的細節進行"必要"的更新，
為什麼要在"必要"上加引號？
原因是在組合設計中，
其實我們只需要提供零件的基本外型跟相對關係位置等資料，
其實並不需要過多的細節資訊，
例如說固定孔大小、位置，防止割傷的小尺寸外圓角(去銳角加工)，內部掏空減重的幾何等等。


簡單的解釋早期設計作業過程，
就可以發現一個重點：
一開始是沒有精確幾何跟尺寸的。

所以就造成許多熟悉使用2D CAD的工程師不知道該如何在3D CAD中進行"設計"這個作業，
但是零件設計(相當於拆圖)是沒有問題的；
所以在瞭解這個問題後，
就衍生出來一個在3D CAD組合設計應用上必需解決的問題：
一開始又沒有零件，怎麼把零件置入組合中進行約束作組合設計？


這個問題其實是跟在一開始導入3D CAD進行教學時，在台灣幾乎所有的CAD軟體公司跟補習班的講師多數都沒有實務的設計經驗有關，
他們對軟體指令很熟悉，使用者則需要很快地作出一些有3D效果的零組件，
所以教學的重點自然而然就是從零件設計開始，再把設計好的零件置入到組合進行約束，
這樣可以很快地交出上課成果，
大家都可以交差了事。

結果上完課回到辦公室要開始進行設計時，問題就來了，
要怎麼開始進行一個新的組合設計？

所以很多公司3D CAD開始應用的方式就是先把一個舊的2D CAD設計3D模型化，
然後再以這個模型作為基礎進行修改設計。
這個方法並不是不好，甚至可以說很好，
因為對剛開始學習3D CAD的使用者來說，
可以順便熟悉軟體環境、指令與零件設計的程序，
跟在組合中進行約束的方法。

實務上我也是如此建議多數已經熟悉使用AutoCAD的公司如此進行，
在有現成 2D CAD 資料的情況下，其實這個 2D 資料轉 3D 的過程所需要的時間並不如想像中的耗時，
尤其是如果有適當的整合分配工作，
例如先(找)畫共用零件如市購標準零件(現在幾乎市購件都有3D模型)，再分次組合，
將相關零件畫好，進組合將畫好的零件逐個置入進行約束，
再將各個次組合組裝到總組合中，完成整個組合模型，
檢查完成後，建立相關的零件工程圖、組合工程圖、BOM，
以及其他必要與相關的圖面資料，
最終使用"打包傳送"指令備份與整理相關模型、圖面等資料；
如此完成一個舊2D CAD轉成3D CAD模型的過程。

時間需要多少要視模型複雜度而定，
以一般機械設備的狀況來說，
除了機架零件以外，一般機械零件一天應該可以處理10~30個，
若以一台機械設備約200種自製零件來估計(其他市購品可以下載或使用圖庫中既有的)，
大概要6~12人工作天；
但是對有的老闆來說，很難有資源可以投資這個人力成本，
結果就是一直停在慣用的AutoCAD，
或者說服工程師利用自己的時間完成，
如果想要完全 0 成本轉換，說真的有點困難，
老闆還是必須要投資人力資源下去跟犧牲部份的收益機會...


很明顯的要從0開始進行組合設計，
軟體公司早期教的零件設計開始的方法是不可行的，
那該如何進行？

這時候要回到設計工作的本質來檢討，
例如要設計桶槽支撐架，
首先蒐集一些必要的資訊，例如桶槽的大小、形狀，從大概到精確的尺寸、材質、法規要求與限制等等，
這些資訊蒐集完成後，其實就提供了一個建立起始基礎模型的資料，
例如桶槽直徑、高度、壁厚、內容物等，
這些資料足以給工程師資料去建立一個桶槽的大致外觀，
接下來就可以去評估要如何固定桶槽，
固定式還是可拆卸活動式，
安裝位置與固定方法，桶槽進出口位置、附件位置，
檢查人員需要的附屬裝置，
桶槽測漏方式與裝置等等，
這些資料通常會導引至一些明確的形狀尺寸資料可以先建立好3D模型，
或者是只有2D CAD投影圖形都好，
但是一定有東西可以填在那完全空白的組合設計檔案中作為一個基礎，
在這個基礎之上，
就可以利用 2D 草圖中的建立圖塊來模擬類似在AutoCAD中作的事情，
再使用"製作元件"功能，
將草圖中的圖塊發布成為零件或次組合，
再將這些發佈的零件或次組合變成實體加上細節等完成設計，
其他工程圖、BOM等方法跟原來的就很類似了；
所以在Inventor中模擬 2D AutoCAD 進行設計是可行，
這種方法在Inventor中有個名稱叫做"由上而下設計"，
英文稱為"Top Down Design"，
可以參考官網的說明範例。

Inventor草圖圖塊與"製作元件"功能為Top Down Design主要功能

當完成組合設計後，若要使用動畫或者是進行動力學模擬，
需要先進行組合約束關係的整理，
可是Top down design 製作元件時，
因為是從2D草圖出發，
所以所有衍生的元件在組裝約束關係受限於2D概念是不正確的，
所以必須進行約束關係整理，
將零件進行適當的約束，
才能夠產生正確的自由度進行設定與動作模擬。