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2026/6/23

AutoCAD的使用與教學經驗

近日接了一家軟體公司的委託案,

幫忙去上了一天6小時的軟體課程,

學員反應還不錯,

軟體公司又問了可以上AutoCAD零基礎課程?

坦白說以技術上來看是可以,但還是委婉的拒絕了,

原因很簡單,懶^_^。


第一次接觸到AutoCAD在大學三年級,

後來上班第一份工作是生產機械設計,用的也是AutoCAD,

每天就是用握著類似滑鼠的小玩意在繪圖板上快速的移動點選指令、拉線條、圖形,輸出整理BOM;

我學這種東西應該算是有天份,

同期進來的工程師裡我的進度最快,

也常常教同事一些使用技巧,

前前後後大概用公司這特化版的AutoCAD有7、8年以上的時間,

作業系統當時還是MS-DOS^_^,

因為用AutoCAD用得還不錯,

後來就指派我去導入3D CAD,

在Inventor R5的版本全面導入用在作機械設計後,

AutoCAD幾乎就只用在作產線佈置規劃跟空壓迴路圖設計上。


第三份工作到了CAx公司上班以後,

AutoCAD幾乎就沒在用,

相關技術支援上課都有其他人負責。

後來到最後一家公司上班時,

因為單位內還是習慣用AutoCAD畫規劃圖跟空壓迴路圖,才又開始使用AutoCAD,

但是因為這兩種設計作業都只是很簡單的拉線條、改顏色、複製、貼上、移位、陣列複製等功能就可以完成,所以就這樣……^_^。

所以現在對AutoCAD實在是沒那麼熟,甚至偶而用都覺得很不方便。


實務上AutoCAD在市場上有好幾個不同版本:

簡化的AutoCAD LT,有基本的各種繪圖、圖層、編輯指令,但不支援程式開發,

標準的AutoCAD版本,相較LT版本最大差異就是多了二次程式開發,可以自訂一些指令按鈕加速作業效率,很多老公司都會用到,包括BOM屬性資料的產生、快速導入某些常用模組圖形設計參考等等,

Autodesk公司還蒐集、併購了市場上不少作二次開發的公司,

把一些產業上常用的二次開發指令集、圖形庫放進標準版,如:

機械設計用的AutoCAD Mechanical,

建築設計用的AutoCAD Architecture,

土木結構用的AutoCAD Civil,

電控硬體系統設計用的AutoCAD Electrical。


曾經稍微看過AutoCAD Mechanical,

在機械設計的電腦輔助作業功能性來看,有Inventor可以用,實在是不太需要再去用AutoCAD Mechanical。


就以前在CAx公司接觸過一些市面上的電腦補習班,甚至職訓中心的經驗,

很多教AutoCAD,甚至Inventor的講師其實都不是業界出身的,

原因很簡單,電腦補習班給的講師薪資跟職涯發展不太有競爭力,很難讓業界的工程師願意長期待在電腦補教業,

其中很多教AutoCAD的講師背景甚至都不是相關機械、建築、土木、電機、製圖科系,只是因為以前當學生曾經用過就來教,

尤其是教零基礎開始的AutoCAD課程講師,

甚至念文組的願意花一點時間練習過都可以教,

誰讓學員都是AutoCAD“零”基礎^_^。


坦白說以前在CAx軟體公司,教這種AutoCAD, Inventor基礎課程都是公司新人負責,

像我這種老骨頭,要嗎陪業務出去秀軟體功能拐客戶買軟體,

要嗎上難的進階課程,

公司不會讓我去上基礎課程,人事跟機會成本划不來;

所以這家軟體公司找我去上AutoCAD零基礎課程?

我還真的有困難,沒上過。沒教材,

要重新作一份教材實在太麻煩了,

而且市場上很多人可以上,

我要開高價講師費也難,

所以算了,沒興趣接,

這個年紀沒缺那點小錢,缺的是生命、體力跟時間,

花那些時間作教材、上課,

還不如去看小說、影片,出門去走走看看還比較值得。


至於市場上還有這麼多使用者用AutoCAD也是有趣,

機構設計上幾乎都改用SOLIDWORKS、Inventor、SolidEdge、Creo、NX等軟體,

AutoCAD多半是輔助規劃設計、空壓迴路圖、工程圖標示,

如果願意改習慣,

像Inventor應該也可以處理規劃設計、空壓迴路圖、工程圖標示,而完全不需要用到AutoCAD。

2025/4/25

Inventor支援免費LibreOffice

有些使用Inventor作機構元件設計的使用者會使用與Excel連結功能去讀寫外部的Excel檔案表格中的內容,
與內建尺寸標註產生計算關連後就可以利用外部的Excel檔作參數驅動自動設計產生生的3D模型,
早期的Inventor "應該"有花錢跟Microsoft買Excel驅動程式,在安裝時會自動進行安裝,
即使客戶端電腦沒有裝Microsoft Excel可以讀寫Excel檔,
但是不知從那個版本開始就不行了,
我想原因也很簡單,成本費用問題,
Autodesk不想付這筆錢,
要用客戶自己付,
所以就變成客端電腦如果沒有安裝Excel程式就無法使用參數連結Excel檔的功能,
這對本來有使用Microsoft Office的使用者來說沒什麼差別,
但是對一些比較在意費用沒有花錢買Microsoft Office軟體的使用者等於就切斷了與參數表與Excel檔案連結使用的功能。

如果擅長使用iLogic,其實問題不大,改用iLogic作計算再丟給尺寸參數用,把外部參數檔案改用標準的 csv 或txt檔就可以。

像我已經習慣使用免費Google的"試算表、"簡報"、"文件"、"表單",Microsoft Office其實早就沒在用,所以每次開以前有使用參數表Excel連結檔案就會無法使用該功能,不方便但是還是能作參數驅動的自動設計。

註. 一些使用到讀取Ecxel表的功能或預設值載入,例如螺紋、間隙或板金折彎表格) 的預設格式,沒有Excel就會無法直接編修,必須上傳Google"試算表"修改後再下載到電腦中使用,有點小麻煩,但是省錢^_^。

對已經花不少時間在熟悉Excel檔的使用者來說問題就來了,不能用很麻煩,要把一些既有檔案轉換格式才能用,
而且在一些可以很方便使用LOOKUP函數就可以輕鬆作到的參數計算用iLogic改寫會比較冗長且難以維護,
所以對一些使用者來說還是想用參數表Excel連結檔案功能。

好在從Inventor2025版開始,Inventor加入了支援LibreOffice功能,
不願意花錢裝Microsoft Office的使用者解放了可以繼續使用參數表Excel檔案連結的功能。

在「應用程式選項」的「一般」頁籤中加入了新的下拉式方塊,可讓您指定用於開啟工作表檔案的預設編輯器。



如果您的系統上已安裝 LibreOffice,則可以使用以下三個選項:

自動:Inventor 最初會搜尋 MS Excel。如果找不到,則會尋找 LibreOffice。
Microsoft Excel:Inventor 僅會搜尋 MS Excel。
LibreOffice:Inventor 僅會尋找LibreOffice。Inventor 會單獨搜尋 LibreOffice。

對沒有裝Microsoft Office但是又想用參數表Excel連結功能的使用者(應該不多,台灣大部份公司都會買),有興趣可以試試。

2020/1/22

工程圖線條的演進

一張工程圖上主要會有:
元件的幾何輪廓線,包括有實體線、隱藏線、孔螺紋線等。
其他參考元件、地面的假想線。
尺寸與數值標註線
公差標註
精度標註
基準標註
中心線標註
剖面線標註
文字、屬性資料標註
孔、材料表、修訂等表格
圖框
標題欄

其中最重要的是用來表示外型幾何的線條跟尺寸標註。

從最早的手繪製圖時代開始,
為了方便辨識,會將不同性質的線條以不同的粗細、線型來表示,
後來有AutoCAD跟8色筆式繪圖機,再加上顏色來作區分,
像我在第一家公司使用 AutoCAD R9時,
元件輪廓以實體、線粗0.5、水藍色(Cyan),
參考元件用假想線(一長加三點),線粗0.5,紫紅色(Magenta),
尺寸標註線為實線、線粗0.3、綠色…

其實各國家有定參考的規範,

例如:
圖片來源:南亞技術學院

*有碰過公司設計主管很堅持尺寸線用黃色,還強調要尊重規範,但是CNS規範明明尺寸線是綠色…

示範圖如下:
圖片來源:南亞技術學院
在手繪跟 2D CAD時代,
設計跟拆製圖作業會有不同人員負責,
設計者以實體線跟中心線等表示出組合元件的設計概念圖,
拆製圖者從設計圖加上圖框、標題欄,
利用不同顏色、線型、粗細來表示元件相關尺寸數值、前後關係、孔、公差等等,
因此不同性質的線型、粗細、顏色是是非常重要的。

進入 3D CAD時代後,
工程圖上三視圖的產生可以交由電腦自動計算產生,
尺寸標註也不需再計算比例;
多數 3D CAD 在工程圖功能上的預設值就捨棄了顏色分類,
僅以黑白(深淺)兩色加線型與粗細來表示不同的性質,
但是工程圖功能上通常都還保留可以設定線型、粗細、顏色。

這種變化反映出工具進化上的不同思考,
既然可以自動產生輪廓線、隱藏線、假想線,
標註製作中心線、尺寸線,
不需人工區分不同的線條性質,
那以顏色作強化表示不同線條性質的必要性自然就降低;
另外是視窗化作業環境中,
使用者可以更方便選擇不同底色背景製圖,
尤其是多數文書、試算表多採用白底黑字環境,
多工作業下,
如果強制沿用以往慣用黑色背景的AutoCAD 配色,
亮暗切換下眼睛疲勞度會升高,
因此3D CAD預設多為淺色的背景,
例如 Inventor使用米黃色,
此時線條黃色跟水藍色的對比(識別性)會變成非常的差,
相對使用系統預設值,
系統可以自動切換高對比的線條顏色來表示,
因此在 3D CAD的工程圖功能中,強制線條顏色相對就不如以往的必要。

不過人的習慣是很可怕的,
尤其是許多公司資深的設計主管人員早期用AutoCAD用慣了,
工程圖就應該是黑底,
不同線條就是必須有不同顏色,
由於早期銷售 3D CAD 說服慣用 AutoCAD 使用者改習慣不容易,
在以服務客戶需求為主要考量下,
在導入過程中,
負責導入的工程師很少會在這個部份去引導客戶作改變,
反正設定改一改就好,
說再多也不見得有用,
所以大量修改預設範本檔就變成是業者導入的慣例,
至於軟體中預設有最新的 ISO 製圖規範根本比不上用AutoCAD 的習慣重要,
這也造成 Autodesk 的AutoCAD 可以歷久不衰,
只要這些已經習慣的使用者還在,
只要這些 3D CAD軟體工程圖預設值不改,
AutoCAD就可以繼續爽賣…

參考:
圖框、圖紙、線粗細與線型

2019/12/28

PDM 產品資訊管理

各行各業所需要的資訊系統會因為所屬行業特性不同而異,
基本上會有資料庫儲存不同資料,
會有人事管理、資源管理、財務管理、採購與訂單作業管理、產品資料管理、客戶關係管理等等不同子系統進行程序作業,
會有對應身分作業的協同作業介面(桌機、手機 by Intranet、Internet 等):



在製造業對設計最重要的是產品資料管理,
早期還在紙本作業時代的時候,產品設計資料圖紙跟相關文件會被整理成一本厚厚的卷宗夾,
歷史悠久的設計辦公室還會有一間專門用來存放這些設計資料的庫房。

到1990年代,2D、3D CAD開始大量導入在設計作業上後,
尤其是 3D CAD 軟體陸續應用到各行業領域的應用之後,
3D CAD 對設計品質與效率的提升是可以說很明顯的改變了以往機構/機械工程師主要的設計工具,
另外一個重點就是產品資料中數量最為龐大的設計資料的數位化,
到了2000後,完全不使用 2D/3D CAD  進行設計的公司幾乎已經不可見。

隨著設計資料幾乎全面數位化後,
軟體商配合著客戶需求,提出產品資訊管理 PDM (Product Data Management),
甚至後來範圍更大的產品壽命週期管理 PLM,
可以將 2D/3D CAD 產生的資料結合其他程序作業文件整合在一起,
進行資料、版本、程序、有效期限的管理。
當客戶越依賴軟體商,軟體商越容易從中賺到錢...

PDM、PLM這一塊市場非常有趣,有多種不同類型廠商想要介入:
1. 資料庫 廠商:例如 SAP
2. ERP 廠商:例如鼎新
3. CAD 廠商:例如 Siemens (NX Teamcenter)、PTC (Windchill)、Solidworks (Solidworks PDM)、Autodesk (Vault)...
甚至有一段時間也看過中華電信、Google、Amazon 想推雲端版的資料庫管理功能去 meet PDM。

一般 2D CAD 資料可以視為類似單獨存在的文件檔案,
不論資料庫、ERP甚至一般軟體服務廠商處理起來的問題並不大,
只要能掌握到 DWG 檔案中的屬性資料存取跟檔案本體的複製、搬移、讀寫權限管理就可以跟資料庫作結合;
但是到了 3D CAD 就不同了,
3D CAD 的檔案格式比較多且複雜,
基本上會有:
1. 零件檔描述實體形狀等,
2. 然後會有圖面檔用來描述製作上的基準面、尺寸精度、公差、材質、表面處理要求等資訊,
3. 組合檔用來描述不同零件置入的數量、放置位置等等資訊。
有時候還會有其他關連的檔案。

因此PDM系統在處理 3D CAD 檔案歸檔時,
相關連結檔案必須要一起放入資料庫,
但是若一股腦全部複製又會有一筆資料存在多個檔案的問題出現;
所以對一般軟體商、資料庫系統廠商來說,
處理 3D CAD 的設計資料非常容易因為不了解檔案的連結關係而出問題,
造成連結檔案遺失或者多個檔案同時檔案同時存在的問題。

因此個人建議是 PDM 系統最好使用跟 3D CAD 同一個軟體公司的產品會比較不會出現檔案連結的問題。

當然賣軟體產品的廠商一定會說沒問題,可以處理各家不同的檔案,
但是實際上一個軟體產品的開發能夠投入人力資源是有限的,
要能夠包山包海處理各家 3D CAD 的檔案其實會有時程優先順序上的問題,
另外也有費用上的問題,有的 3D CAD 廠商的檔案內容要讀取、編輯是要授權費用的,會牽扯到費用問題。

以台灣使用大宗的 Solidworks 、 Creo來說,Solidworks在 PDM 上算是進度較慢的,Creo 的 Windchill 相對發展久遠成熟(就是貴...)。

其他像 Siemens 的 Teamcenter 或 Catia 的 ENOVIA 都是比 Windchill 更貴的系統。

至於像 Autodesk 的 Vault 有分隨 3D CAD 販售的免費版跟需要費用的專業版。

PDM系統的導入比較複雜一些,需要軟體商在軟體功能面上更多的技術資源協助。

2019/8/24

Inventor 參數與 iLogic 表單應用 張力計算

工程上經常會有一些物理上的力量、幾何等計算工作,
這些計算很多時候會用到三角函數關係,
通常工程師會手繪幾何草稿,
給參數、列關係式,
推導得出公式後再使用計算機輸入數值得到計算結果。

跟幾何有關係的部份除了使用三角函數作計算以外,
也可以使用作圖的方式進行,
在進入 CAD 電腦輔助繪圖的時代以後,
在電腦上作圖、量測線長比手繪更方便、精準,
所以其實大可以將以前的手繪方式改成電腦繪圖,
再加上參數功能,可以更方便的去計算不同的角度對應結果數值。

例如可以用來將滾輪 Load Cell 讀值換算成料帶張力值:
使用 Inventor iLogic 表單輸入"水平"與"垂直"夾角角度與"張力值"計算"張力"


計算式放在參數表中:
在參數表中直接使用長度比例替代三角函數計算張力
這種模式很適合用在一些固定結構組合型式的機構設計計算應用上,
尤其是搭配 iLogic 表單功能,等於可以取代以往手繪或者是在 Excel試算表上的作業。






2017/12/10

CAD / CAE軟體的教育版

台灣的軟體經銷商跟軟體原廠台灣分公司說實在話都很用心在經營"收入"與"利潤"這一塊,
一些比較沒有錢可以賺的領域在推廣的力道上跟用心程度說實在就有很大的進步空間。

以上寫得很含蓄又給人留餘地,所以認識不認識的若擋到財路不要來鞭我。

在專業的3D CAD市場上,前面有提到幾個3D CAD軟體的簡單介紹
包括(以字母排序):
Autodesk Inventor
Dassault Catia
Dasssult Solidworks
PTC Creo
Siemens NX
Siemens Solidedge

軟體基本上都有所謂的銷售版本上的差異,
從客戶的身份上,基本上可以先分商業版與教育版,還有經銷商版,
通常教育版的費用會比商業版便宜很多,
功能就很難說,有的軟體教育版是全功能開放使用,有的軟體會限制功能與模組。

即使是教育版也有區分,
可以拿來賺錢的教育版,跟不能拿來賺錢的教育版。

所謂可以拿來賺錢的教育版,指得是因為軟體有公司在使用,就會有就業市場,
有就業市場,學校、補習班就會有開班收學生的機會與學費收入,
這種情況不是直接拿軟體來做設計產品賺錢,
而且教室裡面隨便就是幾十套的安裝量,
收商業版的費用就太高了,
沒有任何一家補習班跟學校可以承受得起,
但是明明又有商業行為,
所以就會有一個所謂的教育中心授權版,
比如說一個教室一年多少錢,可以安裝多少套軟體進行收費教學。

那學生在家自行學習的話缺軟體怎麼辦?
另外一種情況是研究或者是專題會用到軟體,
所以還可以賣給學生,學校研究室,
但是沒錢 、沒經費買軟體怎麼辦?

很簡單,數十年來在學生族群中就有所謂的"功德版"、"XYZ版",
一片光碟賣多少錢的方式,在學校附近的通路或網路進行銷售,
軟體公司對這一類盜版使用狀況很清楚,
但是並沒有很認真去追究盜版的使用者,
原因是使用者難追、即使追到了也很難要到甚麼錢,
加上一旦走法律途徑、上媒體,
很容易被貼上欺負學生的標籤,
既然很難要到錢,又有名聲上的問題,所以處理上就不會很積極,
可是會追究盜版光碟的獲利散佈者。

如果老闆心態上若不願意投資在所謂的CAD/CAE軟體上,
這種版本就會透過來就業的學生,使用"彈性授權"方式帶到工作場所中繼續使用,
這時就會就形成所謂的盜版,這種狀況軟體公司就不會放過了,這是另外一件事。


國外軟體原廠很早就認知到學生在校使用那一套CAD/CAE軟體,
對軟體的商業版市場其實是有幫助的,
因此陸續開始推出所謂的非營利目的用研究室版、學生教育版,
以低廉的費用甚至免費提供給學生、學校實驗室、研究單位、法人團體,
前提就是"非營利"。

有些CAD、CAE軟體很早就提供了所謂的個人學習用免費教育版,
從一開始要認證註冊email的網域是否正確,
到現在有的根本都是開放的,只要個人在註冊過程中說"是"學生,軟體公司就當作"是",
但是重點"非營利用途"這個條件還是一個"天條",
我覺得這是非常合理的,
如果有用CAD/CAE來賺錢,自然就應該付一點錢給軟體公司用來研發跟改善軟體功能。

接下來介紹一下幾個國內常用CAD/CAE軟體那些有免費的個人學習用教育版,
記得僅限用於學習的非營利用途。

註:各家軟體非盈利師生教育版本政策可能隨時有變,以下僅供參考。

目前在網路上我找到資訊最清楚的是Autodesk有提供免費的個人學習教育版。

Autodesk提供的個人學習教育版幾乎涵蓋了該公司所有的知名軟體,
包括AutoCAD,Inventor、3ds Max等,
Autodesk原廠教育版(其實跟完整版本一模一樣)軟體下載網址:https://www.autodesk.com/education/free-software/all

很不幸最近發現 Autodesk 改變政策,要求教育版使用者須提供證明文件才能取得教育版授權,
從 FY2022 開始,一般使用者只能取得30天的試用版。

需要註冊帳號,取得帳密後登入就可以下載需要的軟體與授權序號,
安裝時可以使用授權序號連上網路取得三年的合法使用權,
其實這幾年試過每年都可以上去申請新版,所以幾乎是可以沒有期限的使用。


像我個人就下載過:
Autdoesk Inventor Professional
Autodesk Nastran In CAD
Autodesk CFD
Autodesk Helius Composite
Autodesk Factory Utilities
Autodesk Simulation Mechanical 從上面頁面中拿掉了,必須要搜尋才找得到下載頁面(連結已失效)。
需要的可以自行註冊下載取得授權使用3年,
記得是個人學習非營利使用。

PTC Creo也有推出個人學習的教育版,還沒裝過,有興趣的可以試試再來跟大家分享。

至於市佔率大的 Dassualt Solidworks?
很抱歉沒有免費的個人學習教育版,而且台灣賣價要NTD45000(2016/12問的)!!!
本來想說國外USD150一套買來學還OK,但是x威要賣定價NTD45000...
所以只好算了,又沒有拿來設計產品賺錢,NTD45000實在花不下去,
只好繼續用Autodesk Inventor。

最近剛好看到母校 NCKU 跟代理商簽約付費使用Solidworks在教育用途上,
覺得代理商實在是很沒意思,學校幫忙訓練工程師還要收錢?!
之前還在代理商任職時,就介紹過在學校任職的大學同學可以使用Autodesk的CFD、Inventor用在教學上,學生可以合法使用正版的授權軟體,其實小朋友用的也不錯;
另外一家在新竹的大學也有一位前ITRI的朋友使用 Inventor 在教學生;
高工也有很多老師在教 Inventor,甚至是比賽指定軟體,
前陣子還碰到北一女的機器人研究社也是用 Inventor,找我去分享了一下動力學模擬的使用方式,
NTU機械所有些研究室也有用,
不懂Solidworks對學校的態度是?

但是同 Dassault 集團,商業版貴到嚇死人的Catia,
反而曾經有推過限時申請下載一年使用的Project,可惜只到2017/11/26,
即使不是免費,價格也只要USD99,比Solidworks便宜多了,
但是不曉得國內代理商如何處理這種版本的銷售?

Siemens 的 NX、Solid Edge相對就很難找到官網有關個人學習教育版或者費用的訊息。
更新:
最近有找到Siemens NX的教育版(Learning Edition),透過外部的教學軟體銷售網站(Studica)  進行銷售,
價格是 USD 98,也不貴,
另外有30天的試用版,方式很有趣,不需要下載跟安裝軟體,是透過遠端連線進入 Citrix 系統進行試用,可以省去下載、安裝軟體的麻煩。

CAE軟體中的ANSYSAbaqusmscHyperworks有個人學習教育版,
但功能上可能有閹割掉一部分不能使用。

COMSOL沒找到相關的,可能因為它的市場本來就是以學校為主。

OSLO edu
光學模擬軟體 OSLO 有提供光學模擬基本功能的 供下載與使用。

如果有看到更新的資料,也歡迎網友以留言幫忙補充/更新。


2017/4/25

機構傾倒角度計算

以前作機械設備都會打螺栓把機械設備固定在地板上,所以從來沒考慮過設備傾斜倒地側躺的情況,後來到軟體商被幾個客戶問過想知道設備傾斜幾度會倒?一開始覺得很不可思議,怎麼可能?
後來才發現,原來是有些廠商貪圖移動設備方便,還真的沒有固定設備,不過這畢竟是非常少數的情況;另外一種情況是來自於設備搬運過程,例如斜坡、堆高車推設備棧板外廂等等,這些情況會弄到傾斜倒地其實也是太粗魯。
後來配合工業設計部門,有一些狀況是活動移動的小機器或控制台,因為不可能固定在地上,又會移來移去,這種情況就比較合理,裝置的重心與底座設計如果不對,確實有可能再移動過程中而倒地,這種狀況是設計上有機會可以透過CAx軟體工具進行預測傾倒的危險角度。

動態的問題會比較複雜,雖說複雜,其實主要是因為多了慣性力的問題,需要修正原本向著地心方向的投影方向,若考慮複雜一點,尤其是瘦高的元件,可能還要考慮到結構件變形,甚至受壓邊的結構或腳座發生挫曲的可能,那就不是單純使用CAD軟體可以域模擬跟預測分析。
先看靜態的問題,也就是傾倒的角度;首先要先假設裝置不會滑動,因為如果會滑動,就不是靜態的問題,這種情況只要透過CAD軟體就有機會可以計算出傾倒角度。

不過CAD軟體沒有那麼厲害,會直接告訴你裝置會不會傾倒?或者是傾倒角度是多少?基本上是利用重心計算與表示以及製圖工具來找出傾倒角度;所以要開始在CAD上進行前,必須先了解發生傾倒的原因是甚麼?

靜態情況下會不會發生傾倒的兩個主要因素:
1. 重心的位置
2. 底座大小

會發生傾倒是因為重心往地心引力方向的投影位置落在底座範圍以外,如下圖所示:
黃色球為上方鐵塊加上桌子的重心位置
重力方向如右下角向下
如上圖示,重心往下的投影位置在兩個桌腳之間

假設鐵塊在兩桌腳之間的正中央,力量(W)往下
左右兩個桌腳分配支撐力量(W/2),總和(W)等於往下的力量

把上方鐵塊往右邊移動右邊
當移動到重心位置落在桌腳之外
如紅色線所示位置關係
當重心位置往重力方向投影落在桌腳之外會發生傾倒
從上圖可以想像重心對右邊桌腳形成一個轉動力矩,以右邊桌腳為中心轉動整個結構
使用Inventor動力學模擬製作的傾倒動畫
鐵塊設定為可以"黏"在桌板上滑動,加上磨擦力設定
再來是如果一開始重心往重力方向投影有落在支撐結構範圍內,但是傾斜一定角度後,重心往重力方向投影會落在支撐結構之外,就會形成有旋轉力矩使結構傾倒。
使用Inventor動力學模擬設定強制將桌子抬起15度
後面改為自由狀態
假設鐵塊固定在桌板上
因為超過傾倒角度,結構會繼續加速傾倒
圖表中為桌板法線與重力方向的夾角變化

了解傾倒的現象與原因(重心落在往重力方向投影的支撐結構範圍之外)之後,接下來看在CAD軟體中如何進行計算傾倒角度,首先軟體必須支援零件的材料性質定義計算各個元件的重量,在組合後才能計算整體的重量與重心位置,ProE因為基本功能不帶材質資料在這方面的操作會比較麻煩一點,接下來以我比較熟悉的Inventor作範例說明。

1. 開啟要作傾倒角度估算的元件(零件或組合)。
以原廠提供的範例檔"Test Station.iam"為例:
Autodesk範例檔 Test Station.iam

2. 檢查所有零件都有指定材料(密度),或者是給定重量(質量),可以使用"Design Assistants",以前中文名稱是"設計助理",如下:
Design Assistants指令
Design Assistants對話視窗,選擇帶入"材料"欄
或者是"材料表"的"僅限零件"模式,檢查是否有漏掉設定材質的元件,如下:
組合"材料表"功能
材料表範例_"僅限零件"模式,選擇帶入"材料"欄,或者帶入"質量"欄
以檢查所有零件的材料是否有正確設定目的來看,使用"材料表"的"僅限零件"模式可以一次看到所有零件會比較方便。

3. 點選"檢視"功能表,打開"重心"的可見性,Inventor就會自動計算重心位置,如果組合件的零件數量越多愈複雜,需要的計算時間會越久。
開啟"重心"功能指令
重心工作點與工作平面在量測功能中可以選擇作為量測幾何參考

4. 新建"圖面",載入要計算傾倒角的模型

5. 建立需要計算傾倒角的視圖,通常是前視圖跟側視圖

4.&5. 不解釋,應該很簡單

6. 接下來的步驟要在圖面上顯示重心的操作比較特別,需要以滑鼠右鍵去點選瀏覽器中的相關視圖下的元件,右鍵功能表中就會出現 "重心"的選項,點選後就會在圖面相關視途中看到一個十字符號顯示重心的位置,前視圖跟側視圖都要做一次相同的動作。
在圖面中開啟重心顯示

7. 標示傾倒角則須利用建立草圖,繪製一條由重心到底座邊緣的直線,量測該段直線與重力方向線的夾角即可得到傾倒角度。
重心不在正中間時,前後左右的傾倒角度會不同


2017/4/6

幾個3D CAD 軟體分享

背景:
第一份工作到2000年前後時,適逢機械設備業開始從2D CAD要導入3D CAD,
受命評估與導入3D CAD,所以有機會大概看了幾套3D CAD軟體。
那時候網路上的資訊沒有現在這麼多,
多數資料都要依賴3D CAD的軟體代理商提供,
俗話說"老王賣瓜,自賣自誇",賣東西的怎麼可能會說自己的東西不好,
因此從軟體代理商那邊拿到的資料參考就好,不要盡信。

在我開始進行評估的時候,有Pro/Engineer Wildfire 2000 (慣稱ProE)、Solidworks、Inventor、Solid Edge、MDT、UG、CATIA、Solid Designer(被PTC併購成為Creo Direct)等等。

當時在機構業界中2D CAD的標準幾乎就是AutoCAD的DWG/DXF(建築、土木也用),
從1990年到現在2017年,DWG幾乎還是2D  CAD的標準,
當初的開發商Autodesk也因為這個軟體而成為CAx產業的一方之霸,
到現在 Autodesk 還是不小:
圖片來源:DE

Creo (Pro/Engineer,ProE):
至於3D CAD在台灣當時的霸主毫無疑問就是ProE,
因為台灣過去十幾年主要的產業發展主力電子業幾乎都是用ProE,
用ProE的原因很簡單,
因為台灣電子業主要技術跟客戶來自美國,美國的電子業主要就是用ProE,
所以想作他們生意的自然就會跟著用ProE,
加上各公司配合客戶要求導入PDM、ERP、MES等,
都作了不少的ProE二次開發(程式),所以要拋棄ProE換軟體幾乎是不可能的事情。

我認為美國電子業會用ProE的原因應該不是功能比較強,
因為其實更早就有Catia、UG(Ideas)等功能更強、更高階的3D CAD軟體存在於市場中,
但是這兩個軟體主要用是在航空跟汽車相關產業,軟硬體價格高貴到不行;
但那時候的電子業(現在常聽到的幾個大廠)普遍在車庫創業起家不久的情況下,
根本用不起這兩個價格高貴的軟體,
自然而然就給了ProE機會,利用比較較便宜的硬體平台需求(Sun Sparc,約幾十萬)跟軟體價格(約百萬)進入市場,
那時候用3D CAD的價格是現在的CAD使用者很難想像,
所以當時盜版橫行也是必然的;
其實對很多使用者來說AutoCAD也不便宜,盜版更多。

所以要評估 3D CAD,超高知名度的ProE當然不可能忽略,
那時候ProE是複式代理,很多廠商在賣,
因為公司屬於大同的一部分,大同是老牌電子廠,也接了很多美國電子廠的OEM,所以也用很多ProE,
大同公司內就有一個CAD/CAM中心直接就負責代理銷售Pro/E(還有AutoCAD),
當時工作的公司AutoCAD授權超過200套,
既然屬同集團內子公司,要評估3D CAD怎麼可能不看Pro/E?!

所以就被安排去上了三天的課,
三天下來結論就是ProE有夠難用,怎麼可能用在機械設備這種少量多樣、零件數量眾多的產業上;
再加上幾乎所有市購品都只有2D圖塊,
一台機器設備會用到很多市購品,怎麼可能額外花很多時間去建市購品3D CAD模型?

所以當然很容易就有了結論,
時機未到,機械設備設計上需要等3D CAD軟體以下幾個條件成熟 :

1. 硬體效能夠強,可以處理幾千件零組件的計算與畫面移動、旋轉等動作
2. 軟體能順暢處理大型組合件
3. 市購品廠商提供3D CAD模型
這三個條件缺一不可,

當然軟體商最常掛在嘴邊上的軟體操作性要能簡單、方便、操作使用;
還有最重要的一點,不能太貴!

機械設備業屬於少量多樣化產品的行業,產品單價雖然高,但是營業額卻不高,
而且相對機械設計人力比例佔產品成本比重高,
如果軟體太貴時,老闆實在負擔不起。

ProE不適合的原因主要是因為:
機械設備的零組件少量多樣,不適合大量製造的製程,基本上都是以車、銑、鑽、磨為主,連放電跟線切割都要避免(成本考量),
形狀通常不會太過於複雜,少數會用到鑄造,形狀已經算比較複雜,包括必需考慮脫模角度,
所以一般來說,設備零件考慮到加工製造的的成本效益很少會用到曲面。

相對消費性產品考慮量產與外觀,
零件製造方法會以鈑金沖壓、塑膠射出為主,
需要公母模的布林計算、鈑金展開、沖壓模或射出模設計,
這些都需要用到複雜的形狀與曲面能力,
這也是ProE在主要市場消費性電子產品設計上,軟體功能強項發展多在複雜的零件形狀設計(曲面),以提供外觀設計跟大量製造的模具所需;
但是這些曲面、模具設計功能到了機械設計用途就變成一無是處。

機械設備設計需要的3D CAD功能是:
1. 很強的大型組合設計能力
2. 零件簡單形狀的快速設計
3. 大量的市購品資料庫可以引用
4. 正確的料表計算與階層區分跟重量計算
5. 機構動態模擬

偏偏以上這些都不是當初ProE軟體設計功能時的主要考慮,
所以 Pro/E 用在機械設計上就不免出現很多被使用者嫌棄的地方;
曾經有少數機械設計廠商靠CAD軟體工程師幫忙使用ProE設計了一些機械,真是不可思議,花這麼多時間跟軟體的操作不便奮戰。

所以當時的結論就是ProE並不適合機械設備業使用。

接下來分享一些其他3D CAD我觀察到的狀況:

Mechanical Desktop (MDT):
AutoCAD也想要具備3D 設計功能,
在2002還是2004版左右,AutoCAD開始支援可以繪製3D模型,
但是那是假3D,還是以線架構為主,鋪面後上材質(顏色),看起來像,但是不是,沒有實體。
為了進一步強化,再以AutoCAD為基礎推出了一個Mechanical Desktop產品,簡稱MDT,
希望能夠讓原來習慣使用AutoCAD進行機械設計的客戶轉過來使用MDT,
可惜核心畢竟就是不適合,硬要在既有功能上加上3D CAD功能很沒有效率;
但是因為AutoCAD有非常龐大的使用者族群,
加上AutoCAD使用者族群中有相對充沛的二次開發者跟程式,
因此還是有不少用者真的有拿來用在一些夾治具上。
AutoCAD對許多CAD使用者來說熟悉度高,但是3D功能不足、操作性不好。

Solidworks(SWX):
在中低階3D CAD中SWX算早的,從1995年開始(維基百科),
一開始使用的也是ACIS核心,但是我猜Solidworks的目標應該是Pro/E,第二年就改為曲面功能較強的Parasolid核心;
在Windows平台上開始,在使用操作性上觀念與從Unix系統開始的ProE完全不同,一推出市場可以說就大受好評與期待;
發展到後來甚至被 Dassault 看上而併購,讓 Dassault 集團高階有 Catia,低階則有 Solidworks。

因為操作性好,加上價格也比較便宜,漸漸的吃掉一些Pro/E的既有與潛在市場。
對機械設備業來說,早期應該會看到很多SWX展示相機實體薄殼範例的展示,
很強很方便的曲面設計功能;
但是在組合件,尤其是大型組合件表現並不好,
聽說剛開始連40件組起來都會有問題,
原因在於載入所有元件的資料與幾何形狀後計算能力無法負擔。

這個部分是 Inventor的一個切入點,
將資料切個成多個部分,視需要載入系統中,可以減少系統的負擔。

但是SWX也積極地改善,
讓一開始在這方面相對Inventor在大型組立件居於劣勢的SWX扳回來,
大型組立件的操作效能顯著改善,
再挟著比Inventor早進入市場的高知名度,
有意無意的放任盜版使用策略(AutoCAD發展初期也是),成功進入大專院校與許多機械設備業者。
其他的功能上改善在近年來也逐漸完善,可以符合機械設備業者的使用需求。

至於市購品3D模型,Solidworks成功地與部分二次開發業者結合,
讓二次開發業者可以利用參數化功能,透過規格指定參數自動產生模型,
加上網路與硬體效能的發展迅速,
透過網路在網頁上遠端輸入規格指定參數,在業者端的平台產生3D CAD模型,再供使用者下載3D CAD模型,
設備搭配用的關鍵零組件廠商導入3D CAD的進度比較系統業者快,
在幾年前就解決機械設備業者所需要的市購品3D CAD模型來源問題,
幾乎多數的機械用市購品零組件都可以找到3D CAD模型可以使用,不需要自己建模,
現在會有這麼多3D市購元件可以用其實要感謝Solidworks。

最早投入的設備廠商族群包括台灣中部的木工機械業(一面倒的使用Solidworks);
其他許多機械設備廠在有木工機械設備業者當範例的情況下,也逐漸有信心進行導入3D CAD;
其他像自行車廠也是非常成功的案例,
除了極少數的廠商使用ProE (SRAM)、Catia(Giant)跟國外自行車廠使用Inventor (Scott、RM)以外,目前台灣自行車相關行業也幾乎是一面倒的使用Solidworks。

操作的方便性,讓Solidworks在學生族群中廣為流行與使用(盜版為主),
對最後進入3D CAD且不擅於訓練工程師使用CAD軟體的機械設備設計業者來說,
等於撿到一批既成的使用者,
讓SWX在機械設備業者使用的3D CAD數量上成為佔有率第一名的軟體,威脅到電子業慣用的ProE。

不過因機構相關的AutoCAD資料很多,
加上有許多資料實在不需要用到3D來表現,或者必須用2D來表現,
因此在市場上也出現3D CAD用Solidworks,2D用AutoCAD這種分屬兩家公司軟體的有趣現象。

Inventor:
AutoCAD所屬的Autodesk公司,靠賣AutoCAD賺了很多錢,
在MDT發展不順的同時,眼看3D CAD市場一直沒有產品拿出來攻市場,在1999年時推出開發全新的Inventor(維基百科),
使用ACIS核心(ACIS的儲存檔名是sat),
在Inventor 2.0版的時候,曾經展示了超過2000件零件的設計能力,
對機械設備業者來說可說是眼睛一亮,好像可以...
但是就這樣要轉過去用?門都沒有!大家都抱著先觀察看看別人用再說。

Inventor晚進市場,面對先進入的ProE(功能屬性不足,完全沒有辦法競爭)跟Solidworks(幾何功能、知名度、穩定性不足),幾乎是障礙重重。

但是Autodesk有錢,不斷在市場上併購不同的CAD二次開發商,
將一些支援Solidworks、Inventor功能的軟體產品併購後放進Inventor,
例如Studio(作動畫)、Dynamic Simulation(作剛體運動模擬)、Design Accelerator(機械元件產生器,齒輪、軸、螺絲、皮帶等等),
讓Inventor功能越來越適合給機械設備使用,並斬斷對其他3D CAD的支援,
試圖從其他方向來強化,
但強化的方向相對地離ProE市場也越來越遠;實務上對增加市佔率的幫助很有限。

2005年左右,Autodesk出了一招怪招,
將Inventor、AutoCAD、AutoCAD Mechanical、Mechanical Deskstop綁成一包一起銷售,
打著買2D送3D的策略強攻市場,
因為價格訴求策略成功,與傳統AutoCAD使用者族群數量龐大,這一招很成功推升了Inventor的銷售量,
也讓一些觀望3D CAD導入的使用者,因為本來就有AutoCAD版本更新需求,在升級時被換到同時擁有Inventor的版本;
但是這也出現一個很有趣的情況,
很多使用者因為從頭到尾只用AutoCAD,
根本不知道自己有Inventor跟AutoCAD Mechanical可以使用,
甚至電腦中其實同時有 Solidworks 或 Pro E加上 Inventor 兩套3D CAD軟體,
卻完全忽略Inventor的存在。

Autodesk後來出招更狠,
在2011年推出一個設計包產品(這一招其實是學Microsoft跟Adobe),
把併購的其他軟體,例如3ds Max Design、Showcase、Alias、Navisworks、AutoCAD Electrical等等放進一個包裝中給客戶,
一副就是大促銷或者是以多勝少打群架的概念,
可惜對多數的機械設備業者很難接受,
光是學個Inventor都只用到其中15%~30%不到的功能,
還要學介面與功能完全不同的其他軟體(而且很多還沒有中文介面),根本是買爽的;
我個人覺得其實Autodesk也是賣爽的,
複雜的產品組合整慘了代銷的代理商與經銷商的業務與工程師;
不過確實有效的增加了一點銷售量。

Autodesk有提供30天試用與免費的教育版,軟體下載網頁

CATIA:
Dassult的CATIA從1970年代就開始發展,法國人拿來設計飛機使用,
早期都在大型主機上(Unix)使用,可以想見軟硬體建置費用很驚人,維基百科
在達梭跟波音兩大廠的加持之下,目前幾乎可以說是航空業的標準,
只要碰到作跟航空業相關的,幾乎都會碰到用CATIA;
後來也進入汽車業,成為主要的設計工具之一;
功能強大、價格高昂,CAD功能上遠超過機械設備業所需;
在設備業者所需的組合、動態、BOM相關功能成本又太高,設備業者實在難以負擔導入。

NX(UG + I-DEAS):
NX屬於西門子集團,是來自於併購的 UGS(Unigraphics),
UGS比CATIA更早,1969年開始(維基百科),
其實這是一個好軟體,操作方便且功能強大,可惜在台灣有點“高貴”,
所以使用者族群限制在利用其CAM的功能為主,
而且是靠著有一位懂加工程式跟程式開發與UG的工程師Sam Huang,解決了不少模具3D加工上的問題才得以成功;
也有少數廠商有直接用在設計上,例如中部的文具大廠SDI跟少數車用零組件產業。

NX裡另外有一個子產品,I-DEAS,發展比較晚,1982年由 Ford 跟 GM 開始用在汽車設計上,
後來被UGS併購,UGS又被Siemens併購改名為NX;
所以也有部分汽車與零組件業者使用 NX 作為設計工具,還有附加的圖文管跟模擬分析功能,解決方案的觀念綁住。
不過Siemens NX產品主要功能是來自於UGS,
I-DEAS的功能並沒有移植到NX中,算是NX產品線中的一個子產品,
立場有點尷尬,感覺像個孤兒,只是維持著供應給部分習慣使用I-DEAS的使用者。

NX功能上比Catia適合用在機械設備業者,
歐洲(例如ASML)跟日本有一些設備商有用,
但是價格也貴,在台灣學校的使用者很少,
所以也不列入考慮。

Solid Edge:
Solid Edge其實是一套相當不錯的3D CAD軟體,
可惜因為早期原廠的支援跟經銷商推廣的不好,在台灣的使用者不多;
說不多其實也不少,
早期SolidEdge藉著低費用(聽聞是NTD30K/set)進入ITRI專案,
所以從ITRI擴散出來或輔導的一些公司幾乎都是用SolidEdge,
但是聽說本來ITRI負責評估導入者是想引進Solidworks;
在以往碰到的功能比較的經驗上,
SolidEdge 在大型組合件的效能令人驚豔,在修改設計操作的使用彈性上也備受期待。


所以對機械設備業者來說,
若要選擇適合的 3D CAD軟體,坦白說就功能需求性與價格考量來說,
主要就是Solidworks、Inventor跟Solid Edge三套,其他的在CP值上都划不來。

如果現在讓我重新選一次,
我可能會選Solid Edge作為設計工具,
可惜3D CAD市場經過十幾年的廝殺,在台灣的分布趨勢大概已經形成,
3D CAD高階市場CATIA為主,NX分一點,
中階市場ProE為主、Solidworks迎頭趕上,
低階市場以Solidworks為主,在大專院校廣泛受學生歡迎利用;
Inventor占了幾乎全部的高職教育市場跟接近3~4成的機械設備業市場;
SolidEdge分一點機械設備市場。
*這裡的高中低階指得是以曲面應用功能需求作分類。

PS. 2017/11跟一家設備公司設計人員聊天,他們公司從Inventor換到SolidEdge,又換回來Inventor,抱怨SolidEdge有些問題一直無法解決,逼得他們公司不換回來不行,看來Inventor有些優點是SolidEdge所比不上的,另外就是SE原廠真的該多加油,有些客戶的抱怨反應處理的速度實在太慢了。

PS. 2108/3 最近換工作到生涯第五間公司,公司裡面的3D CAD同時有SolidEdge跟Inventor,習慣影響很大,用慣了Inventor,覺得這SolidEdge有夠難用的,很多設定不曉得躲在哪裡,很多功能相對Inventor少而難用;還好當初沒有選SolidEdge...

近幾年3D CAD要再大幅擴增市場占有率的機會不太,
因為產業應用的功能與二次開發功能都已漸進成熟,
資料的依賴性與習慣性已經很難說換3D CAD就換;
而且說實在話,3D CAD工具對整個設計流程來說,影響的比例也不像軟體者說的那麼誇張;
近年比較常看到會換3D CAD的多半是因為老闆不爽CAD原廠或代理經銷商,而不是從需求的角度換。

網路上其實還可以找到很多其他3D CAD軟體,
有Client端執行的版本、雲端版、永久授權版、租賃版等等;
也有免費的Open Source版(例如FreeCAD),
但是除非對CAD軟體很有興趣、玩軟體,
不然如果是工作上的用途,建議還是就市面上比較普遍的商業版為主要考量,
有時候免費的東西在使用成本上很高,而且後續軟體的維護與更新上都有可能出問題,
原有的資料格式可能會無法支援而造成其他無法預見的問題。

基本上,如果使用者想要從機構工程師就業角度考量要學那一套3D CAD軟體,
個人觀察到各個市場使用的3D CAD大概可以分成以下:
航空與汽車:CATIA、NX(UG)...
模具與加工:NX(UG)、(Creo)ProE...
電子業、3C產品、消費性產品(如自行車):Creo(ProE)、Solidworks、Inventor、Solid Edge
機械設備業:Solidworks、Inventor、Solid Edge、Creo(ProE)、NX(UG)...

至於AutoCAD,雖然有的公司幾乎已經可以完全擺脫,
但是還是很重要,重點可以擺在視圖、投影、標註、公差、基準,
這些都還是機械製圖的基礎 ;
不管到那一套3D CAD的附屬2D CAD中,這些都是必要的,
而且有一些3D CAD中附屬的圖面標示功能與使用不便的情況下,
很多2D CAD作業都還是回到AutoCAD,所以會還是比較好。

以上提到的公司與產品商標名稱均屬該公司所有,
相關評論也是個人心得,不代表軟體功能作或作不到、適合或不適合等。

其他相關的參考:

CAD / CAE軟體的教育版
幾個CAE軟體的分享 


2016/12/23

次組合 、彈性組合 、自適應組合

組合設計中,
經常會把一些共同完成某一特殊功能或有組裝順序關連性的元件降級(階)成為次組合,
以利於在工程圖面上進行說明功能或組裝要求等。
另外更常見的一種狀況是組合型式的市購品,
例如馬達 、氣缸 、變速箱等等。

在動力學模擬環境中,
有類似次組合的概念但又有點不太一樣,
一起移動的元件因為具備同一組自由度組合,
因此會被處理成一個熔接組合,
例如直線滑軌組的軌道跟基座被當作一組熔接組合,通常是相當於不動的參考件,
而1~多個滑塊會跟上方的滑台(板)成為另一個熔接組合,並相對軌道所屬的熔接組合具有一個平移的自由度。

好,問題就來了,
在工程設計的角度來說,直線滑軌的滑塊跟軌道通常會一起請購,
因此在模型跟工程圖中會被組為一個組合,
具有獨立的名稱跟料號 、規格,
所以在元件屬性上會將其定為組合型式的市購品,很少會單獨買軌道或滑塊。

為了讓滑塊跟其上的滑台可以進行運動,使用者就有三種常見的作法:

1. 將其升級為上層組合的個別零件
簡單又清楚,但是在工程實務上在 BOM上是不對的。

2. 自適應組合元件
將次組合(如氣缸或線軌)中的某些約束解除,
使其變成具有特定自由的狀態,
然後設定為自適應元件,
指定其中的某幾何特徵跟上階組合中其他的元件幾何特徵有約束,
如此一來就可以在上階組合進行運動;
但是這個方法有個嚴重缺點,
當同一個次組合拿來再使用時,次組合的模型約束狀態(位置)會被鎖在前一個與上階組合的位置而動彈不得;
有些使用者就乾脆將這些次組合另存成多個複本來避開這個問題,
到時候在BOM中再彙整成同一個料,這其實也是個辦法,但是並不好,也不見如此作。

3. 彈性組合
後來Autodesk就再加了個“彈性”組合功能,
讓次組合中沒有被約束住的元件可以在上階組合中隨意移動或加約束條件固定位置,
而且允許置入N個組合就有N個不同位置可以設定,
這個“彈性”組合搭配位置表現法對組合設計非常有幫助,
只要有一個組合模型就可以用來解決多個相同規格組合市購品在上階組合中不同位置,
與 BOM 料唯一性的問題。
彈性組合與位置表現法示意
圖片取自Autodesk Inventor線上說明:組合中的位置表現法

到了動力學模擬中,
這一個允許在上階組合中以不同位置出現的元件就是該元件所擁有的自由度,
就可以進行自由度相關的設定。

2016/12/18

工作平面與工作軸

在組合設計過程中,新元件的設計往往還沒有精確的尺寸可以用來進行零件模型的設計或固定孔位作為組裝約束的參考幾何。
另外在設計上的考量,一般多會以對稱的形式進行元件的設計,以利於保持結構的重心位置在一個比較理想的位置。
基於以上兩個考量,在進行設計或組裝時,剛開始的時候會利用工作平面作幾何對稱面或組裝約束的參考面,也就是工作平面在精確尺寸尚未完成之前是經常會使用的工具。

Inventor 工作平面軟體Pop up說明
同樣的對於有圓弧的幾何,其圓弧的中心軸線也是很重要的參考幾何,同樣的會使用工作軸作為參考軸線,以用於建立幾何或者是組裝約束。
Inventor 工作軸軟體Pop up說明
工作平面或工作軸是用於建立幾何的參考,那就必須保留作為幾何的參考基準。

但是如果工作平面或工作軸是用來組裝約束,就不應該一直留著;原因是正常作業上,機械零件經常以扣件(螺絲或螺栓等)固鎖的方式來固定位置,所以在組裝時為了檢查固鎖的孔位是否正確,建議會以插入方式來固定兩個元件,而不是用工作平面來限制元件位置,所以在孔位還沒有完成前,這些用來定位的工作平面跟面約束條件對最後的模型往往是多餘的。

但是這些多餘的面約束會不會造成問題?答案是不一定,但是一定會增加軟體的計算量,數量不多時可能還感覺不到,數量多時就很明顯會造成載入、模型更新、元件移動這些動作的額外約束計算量。

當有使用動力學模擬時,這些多餘的面約束條件更以可能會造成計算轉換自由度的錯誤;所以每當模型完成到一定進度時,建議使用者要養成整理與清除不必要約束條件的好習慣,儘量減少不必要的約束計算。

甚至如果一個次組合中元件都是固定不動的,其實可以將所有元件定位後設定為不動元件,然後將約束條件全部移除,更有利於減少約束計算,而且進到動力模擬中也不會有任何影響。

2016/12/17

組合約束條件

先前已經有提過"位置"、"自由度"概念,
所以大概應該都可以理解:在組合中進行約束的目的在於限制元件之間的位置關係,
依據約束的狀態保留下來的活動性則是自由度。

也就是說在 Inventor 中進行約束條件的最主要目的,
是在描述元件之間的以下兩種情形:
1. 相對位置:例如面到面的距離,常用 0 mm,就是面緊貼在一起。
2. 相對自由度:限制元件的相對運動能力,例如常用的"插入",設定後剩下1個旋轉自由度。

在 FY2014 之前,Inventor 僅有約束條件,
從FY2014 開始多了接頭設定,
坦白說,對我這種習慣使用約束條件的老 user 來說,
接頭用起來一直不是很順利,
尤其是有一些約束條件可以作到的設定在目前的接頭功能中並無法找到對應的指令,
所以個人在使用上還是以約束為主,
加上要相容舊版,有關與動力學模擬應用配合上還是會以約束為主進行介紹。
Inventor組合環境中的"放置約束"對話視窗
組合的約束條件分成四大類:組合、運動、轉移、約束集,
一般人最常用的就是"組合",
其中第一個的貼合可以將點、線、面與例外的點、線、面貼合在一起,
所以相當於就限制了元件之間的自由度。
例如:
一般常用的面對面貼合,元件之間會剩下一個旋轉跟兩個平移的自由度,如下圖所示:

點對點貼合,元件之間就剩下三個旋轉的自由度:

點對線貼合,元件之間會剩下一個平移跟三個旋轉的自由度
點對面的貼合,元件之間會剩下2個平移自由度跟3個旋轉自由度
線對線的貼合會留下1個平移跟1個旋轉自由度
線對面的貼合,會剩下2個平移跟1個旋轉自由度

有關 Inventor 組合設計的約束更多細節請參考:Inventor組合設計 常用約束設定

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。

2016/12/15

慣性:Inventor元件質量與轉動慣量

牛頓第二運動定律:F=ma
F : 物體受到的外力
m:物體的質量
a : 物體受力後獲得的加速度

從公式中很明顯的可以看出,
同樣的力大小,對不同質量的物體可以產生不同的加速度作用。
質量越大,獲得的加速度越小。
同樣的,當加速度固定時,外力與質量成反比,
也就是物體質量越大越難被推動,也就是慣性大。

質量可說是物質的基本性質之一,
已知成分、密度、體積就可以得到物體的質量。

現在的3D CAD軟體都可以從建立好的模型中,
根據材質密度與幾何尺寸計算出元件的質量;
在Inventor中,可以從iProperties中的實體頁籤對話視窗中找到質量的數值,
如下圖所示紅色框選處:
Inventor可協助計算元件質量,
長度單位:mm,質量單位:kg
上面的公式 F=ma 是用在直線運動上,
同樣概念也在旋轉運動中出現,
在旋轉運動中,牛頓第二運動定律可以表示成:T = Iα
T:力矩(扭矩)
I:轉動慣量
α:角加速度

旋轉運動比較麻煩,
相較平移運動多了一個旋轉中心位置需要考慮。

基本上要找出轉動慣量,
要先考慮到旋轉中心位置,
所以計算上要分成幾個步驟,
首先是要先找出找到會通過質心的主慣性軸,
通常是定義主慣性軸之一會有最小的轉動慣量,
也是最容易轉動的方向,
舉例來說像子彈彈頭就很明顯,
在頭部錐狀部份可以延伸出一條通過整體質心的中心軸線,
這一條軸心擁有最小的轉動慣量,
另外兩個垂直軸向則擁有相對大(或最大)的轉動慣量。
Inventor iProperties 計算之轉動慣量
通過質心在藍色軸向有最小的轉動慣量0.045,
綠色與紅色方向有最大的轉動慣量0.292,單位kg-mm^2
另外值得一提的是槍的膛線有讓子彈旋轉的作用,
進而使得子彈具備高角動量讓飛行更穩定。

由槍管的膛線使彈頭旋轉,
彈頭所獲得的角速度乘以轉動慣量,
可以得到角動量,
當角速度越快角動量會越大,
當角動量越大,
在飛行過程空氣(風)等側向力,
相對要改變其旋轉方向與指向方向(軌跡)的作用比例也相對會比較小,
所以當槍管越長時,
彈頭可以獲得更高的(槍口初速)動量與(旋轉)角動量,
讓子彈在飛行過程中更容易保持穩定的方向與指向方向(軌跡)。

回到主題,
當計算出基本的主要轉動慣量後,
如果轉動的中心不在通過質心的軸線上,
可以利用平行軸定理來計算機構的額外轉動慣量,
例如像筆記型電腦 、門等等,
旋轉中心是在樞紐上,而不是在質心軸線上,
此時因為旋轉中心軸沒有通過質心,必須應用平行軸原理計算質心偏移旋時,額外增加的轉動慣量。

平行軸定理就是將質量乘以距離旋轉中心距離的平方,
加上原來的物體原有的與旋轉軸平行的主要旋轉慣量,
兩個值相加就等於新的轉動慣量,
以上都是課本上的知識,
如有說明不清楚的地方,請自行找教科書深入研究。

Inventor 標準的 CAD 功能中,
對一個完成設計並給定材質定義的元件,
可以在iProperties頁籤的“實體”對話視窗中找到有關元件的轉動慣量,包括:
主慣性軸(主要):
Inventor :: iProperties :: 實體 :: 主要轉動慣量
其中的I1, I2, I3是主要轉動慣量的值,
Rx, Ry, Rz指的是與原點座標系統的夾角

相對三個旋轉軸在XYZ座標原點的轉動慣量(整體):
Inventor :: iProperties :: 實體 :: 整體轉動慣量
其中Ixx, Iyy, Izz是在原點的三個軸上的轉動慣量,
Ixy、Iyz、Ixz分別是慣量積,
詳細的說明可以參考維基百科說明。

通過質心在整體座標XYZ三軸向的轉動慣量(重心):
Inventor :: iProperties :: 實體 :: 重心轉動慣量

當我們設計元件時,
如果使用座標原點軸做為參考中心線(旋轉軸),
那三種計算值就會很容易出現數值相同的情況,
基本上Inventor給的三種"慣性性質"差別就是要注意參考的旋轉軸位置。

這些值會被拿到動力學模擬計算旋轉運動使用。

所幸,在動力學模擬中模擬計算使用時,
軟體會自動計算需要的轉動慣量,
不需要人工計算,
所以坦白說,即使不會算轉動慣量也沒關係,
知道轉動慣量相對旋轉運動的意義就像質量相對平移運動的慣性作用一樣就可以了。

2016/12/11

什麼是維度&自由度?

一般常會聽到的3D,通常是3 dimension的縮寫,其中的dimnesion從Yahoo字典可以查到的主要翻譯是"尺寸",在數學上也說"維";如果從更專業的國家教育研究院的雙語、學術名詞暨辭書資訊網可以差到的翻譯有"尺度"、"大小"、"因次"、"次元"、"面積"、"容積"...等等;基本上講3D,通常就是講3維,多數人可以理解的就是描述長(Length)、寬(Width)、高(Height)。

所以我們很習慣用3個維度來表示物件的外觀狀態(尺寸),以此類推,如果我們要表示物件的位置,也可以用三個維度來表示物件的位置,搭配一個參考點,例如房間的某個角落為基準,以水平X、Y加上高度Z來表示物件在房間中的位置。

但是如果用在描述物件的狀態時,除了用XYZ來表示外,如果要了解物件的"姿勢"只有XYZ其實不太夠,還需要加上旋轉,才能完整表示物件位置與其姿勢,所以總共會有6個量來表示,這6個量用來描述物件,三個描述直線距離、三個描述角度,但是一般我們不會說有6D,習慣上的3D指的是3個平移量所代表的維度。

當物件可以在空間中移動時,我們會用6個自由度,包括3個移動的自由度跟3個旋轉的自由度來去描述物件的位置與姿勢變化狀態。

圖片取自Autodesk Inventor Help線上說明網頁
在Inventor動力學模擬中,自由度是設定與計算結果非常重要的基礎,一個元件的自由度越多可以進行越複雜的運動,每一個元件的自由度可以設定與計算的結果都包含有位置、速度、加速度、力量等資訊,如果不了解自由度的意義,就無法了解動力模擬的相關設定與計算結果。

重點:自由度是用來描述物件在空間中的移動狀況,在直角座標系統中常使用3個平移跟3個旋轉來描述物件在空間中的位置(直線平移距離)與姿勢(旋轉角度)。