淺談啟發(fā)式三維設(shè)計(jì)思想*
——以皮帶扣為例

井平安 ， 楊建新 ， 張余益 ， 李 佼 ， 王 佐 ， 陳 斌

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

隨著建模技術(shù)的不斷發(fā)展，三維建模[1]的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常的三維建模、三維設(shè)計(jì)工作[2]，需要具有一定的基礎(chǔ)或者通過(guò)一定時(shí)間的專業(yè)學(xué)習(xí)才能勝任。面對(duì)不具備基礎(chǔ)或沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的人群，如何快速地給這部分人普及建模思想、建模思維，如何快速地引導(dǎo)他們?nèi)腴T(mén)基礎(chǔ)建模知識(shí)呢？為此，課題組以典型簡(jiǎn)單產(chǎn)品皮帶扣為例，將組成皮帶扣的三個(gè)零件中每一個(gè)零件的繪制方法，總結(jié)為一種最基礎(chǔ)的建模思維方式，借助皮帶扣零部件的繪制過(guò)程，讓不具有三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)或未接觸過(guò)三維建模的人，能夠快速地掌握并記住基礎(chǔ)三維設(shè)計(jì)思維，基礎(chǔ)零部件三維繪制方法，從而為以后系統(tǒng)地學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)、三維建模打下基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品組成及結(jié)構(gòu)分析

1.1 建模軟件簡(jiǎn)介

課題組采用SolidWorks軟件[3]作為三維建模軟件，SolidWorks是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)[4]。與其他軟件相比，SolidWorks軟件具有使用范圍廣、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、適合初學(xué)者等特點(diǎn)[5]。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)行啟發(fā)式[6]三維模式培養(yǎng)，課題組分析了市面上眾多產(chǎn)品的組成、產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終課題組選擇皮帶扣作為研究對(duì)象[7]。皮帶扣使用范圍廣，為大眾日常生活常見(jiàn)的物品，易于大眾理解，皮帶扣零部件組成數(shù)量少，且組成零部件的三維模型繪制[8]方式各不相同。產(chǎn)品模型如圖1所示。通過(guò)對(duì)圖1皮帶扣產(chǎn)品模型分析可知，皮帶扣主要由三部分組成，分別為皮帶扣主體部分、皮帶扣扣頭部分、皮帶扣定位銷部分。其次，皮帶扣模型本身具有一定的偽裝性，對(duì)于三維建模的初學(xué)者，當(dāng)首次見(jiàn)到本模型時(shí)，會(huì)感覺(jué)到有一定的難度，認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)難以學(xué)會(huì)繪制方法，后期經(jīng)過(guò)課題組啟發(fā)式三維建模思維的短時(shí)間培養(yǎng)，學(xué)習(xí)者會(huì)在短時(shí)間內(nèi)掌握皮帶扣零部件的繪制方法，為學(xué)習(xí)者后期繼續(xù)深入學(xué)習(xí)三維建模建立了充分的信心。

圖1 產(chǎn)品模型

1.3 零件繪制方法

1.3.1 皮帶扣主體繪制方法

首先，進(jìn)行皮帶扣主體的繪制。在繪制皮帶扣主體前，先帶領(lǐng)三維模型初學(xué)者了解三維的概念，從二維到三維的演變[9]方法，利用最簡(jiǎn)單的白紙畫(huà)方形，并將方形延伸，得到立方體的方法，引導(dǎo)初學(xué)者入門(mén)。引導(dǎo)初學(xué)者初步了解二維到三維演變方法后，利用SolidWorks軟件，引導(dǎo)初學(xué)者了解掌握草圖、特征里面最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)命令，并在SolidWorks里實(shí)際操作草圖繪制矩形，并在特征里拉伸為實(shí)體。等到初學(xué)者能夠順利進(jìn)行簡(jiǎn)單二維演變?nèi)S操作后，帶領(lǐng)初學(xué)者分析皮帶扣主體結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)初學(xué)者去發(fā)現(xiàn)皮帶扣主體的特點(diǎn)。皮帶扣主體模型如圖2所示。皮帶扣主體部分，看似比較復(fù)雜，引導(dǎo)初學(xué)者利用剛剛操作過(guò)的二維變?nèi)S過(guò)程，將皮帶扣主體進(jìn)行拆分，按照皮帶扣主體部分自身所具有不同面之間連接線，將皮帶扣主體分為大面、大側(cè)邊、小側(cè)邊、凸臺(tái)四部分，如圖3所示。這四部分每部分單獨(dú)拿出來(lái)，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)都相對(duì)容易，但是將這不同的部分疊加起來(lái)，就組成了一個(gè)比較復(fù)雜的零件。因此，我們得到第一個(gè)基礎(chǔ)建模思維，即疊加，引導(dǎo)初學(xué)者拿到一個(gè)復(fù)雜的零件后，先去分析能不能將整個(gè)零件拆分為不同的組成部分，如果可以拆分為不同的組成部分，每個(gè)組成部分可以通過(guò)比較基礎(chǔ)的繪制方法得到，然后將簡(jiǎn)單的不同組成部分進(jìn)行疊加，從而得到復(fù)雜的零件。利用本零件模型，給三維建模初學(xué)者建立啟發(fā)式引導(dǎo)，使初學(xué)者能夠在較短的時(shí)間內(nèi)記住此類型零件的建模方法，使得初學(xué)者在以后學(xué)習(xí)或使用中，遇到復(fù)雜零件學(xué)會(huì)去分析零件，從而得到最適合的繪制方法。

圖2 皮帶扣主體模型

圖3 皮帶扣主體組成部分

1.3.2 皮帶扣扣頭繪制方法

繪制完皮帶扣主體部分后，引導(dǎo)初學(xué)者進(jìn)行皮帶扣扣頭部分的繪制。皮帶扣扣頭模型如圖4所示。按照上面所描述的疊加法，引導(dǎo)初學(xué)者去分析零件。經(jīng)過(guò)對(duì)扣頭部分的分析，可以發(fā)現(xiàn)，此零件雖然能使用上述疊加法進(jìn)行繪制，但是對(duì)此零件進(jìn)行拆分，沒(méi)有合適的拆分分界線，那么，如果使用疊加思維繪制此零件，不同的三維建模者可能會(huì)得出不同的疊加繪制。此時(shí)，引導(dǎo)初學(xué)者在開(kāi)始入門(mén)階段繪制的第一個(gè)練習(xí)零件上進(jìn)行切除命令的使用，例如，在剛才繪制的第一個(gè)矩形上切除掉一個(gè)圓柱。待初學(xué)者可以使用切除命令后，引導(dǎo)初學(xué)者去分析扣頭部分結(jié)構(gòu)，得到扣頭部分可以是一個(gè)矩形，經(jīng)過(guò)一步步切除，從而得到最終的零件。扣頭部分的繪制過(guò)程可以引出第二個(gè)基礎(chǔ)建模思維，即相減法。所謂相減法，即先繪制一個(gè)零部件的整個(gè)外形，然后根據(jù)圖紙要求，進(jìn)一步對(duì)零件的各部分進(jìn)行切除，最后得到想要的零件。皮帶扣扣頭部分繪制過(guò)程如圖5所示。

圖4 皮帶扣扣頭模型

圖5 皮帶扣扣頭繪制過(guò)程

1.3.3 皮帶扣定位銷繪制方法

按照皮帶扣扣頭部分繪制前所用方法，首先對(duì)皮帶扣定位銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析皮帶扣定位銷部分結(jié)構(gòu)是否符合上述疊加法或相減法。經(jīng)過(guò)分析，皮帶扣定位銷符合疊加法繪制方法，具備較明顯的分割線，可以使用疊加法繪制，同時(shí)，經(jīng)過(guò)分析可得，此零件為回轉(zhuǎn)體零件。此時(shí)，引導(dǎo)初學(xué)者，回轉(zhuǎn)體零件可以利用自身軸線作為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到。此方法相比疊加法，在三維建模操作上更加便捷，更加方便。此時(shí)，通過(guò)對(duì)皮帶扣定位銷的繪制，可以得到第三種基礎(chǔ)繪圖思維，即回轉(zhuǎn)體零件，可以使用旋轉(zhuǎn)其半個(gè)草圖得到完整零件。皮帶扣定位銷模型如圖6所示。

圖6 皮帶扣定位銷模型

2 產(chǎn)品裝配和工程圖出圖

得到三個(gè)零件后，引導(dǎo)初學(xué)者將零部件進(jìn)行裝配[10]，得到皮帶扣產(chǎn)品完整裝配體，同時(shí)選取一至二個(gè)零件，給初學(xué)者講解相關(guān)工程圖紙出圖方法，從而引導(dǎo)初學(xué)者在短時(shí)間內(nèi)了解掌握三維建模設(shè)計(jì)思維和整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程。

3 總結(jié)

啟發(fā)式三維建模思維的應(yīng)用，將基礎(chǔ)建模的方式方法以典型產(chǎn)品皮帶扣的組成零件為例，分成了三類。面向不具備三維設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、三維設(shè)計(jì)思維的人群，通過(guò)典型產(chǎn)品皮帶扣零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程，在極短時(shí)間內(nèi)，讓初學(xué)者能夠掌握三維建模思維，并通過(guò)對(duì)三種設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)單總結(jié)，使初學(xué)者具備簡(jiǎn)單三維零部件的繪制能力。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)可得，目前，按照此種啟發(fā)式三維建模對(duì)初學(xué)者進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，大概4小時(shí)初學(xué)者即可掌握基本三維設(shè)計(jì)思維。此外，利用SolidWorks軟件，使得三維建模初學(xué)者能夠在掌握基礎(chǔ)三維建模思維的同時(shí)了解一種建模軟件的使用方法。通過(guò)本基礎(chǔ)建模思維，能夠使得初學(xué)者對(duì)三維建模產(chǎn)生一定的興趣，在以后的學(xué)習(xí)中積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)三維建模知識(shí)，為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)或其他三維建模軟件的使用打下良好基礎(chǔ)[11]。