淺談啟發式三維設計思想*
——以皮帶扣為例

井平安 ， 楊建新 ， 張余益 ， 李 佼 ， 王 佐 ， 陳 斌

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

隨著建模技術的不斷發展，三維建模[1]的應用越來越廣泛。通常的三維建模、三維設計工作[2]，需要具有一定的基礎或者通過一定時間的專業學習才能勝任。面對不具備基礎或沒有經過系統學習的人群，如何快速地給這部分人普及建模思想、建模思維，如何快速地引導他們入門基礎建模知識呢？為此，課題組以典型簡單產品皮帶扣為例，將組成皮帶扣的三個零件中每一個零件的繪制方法，總結為一種最基礎的建模思維方式，借助皮帶扣零部件的繪制過程，讓不具有三維設計基礎或未接觸過三維建模的人，能夠快速地掌握并記住基礎三維設計思維，基礎零部件三維繪制方法，從而為以后系統地學習三維設計、三維建模打下基礎。

1 產品組成及結構分析

1.1 建模軟件簡介

課題組采用SolidWorks軟件[3]作為三維建模軟件，SolidWorks是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統[4]。與其他軟件相比，SolidWorks軟件具有使用范圍廣、功能強大、易學易用、適合初學者等特點[5]。

1.2 產品結構分析

為了進行啟發式[6]三維模式培養，課題組分析了市面上眾多產品的組成、產品零部件的結構特點，最終課題組選擇皮帶扣作為研究對象[7]。皮帶扣使用范圍廣，為大眾日常生活常見的物品，易于大眾理解，皮帶扣零部件組成數量少，且組成零部件的三維模型繪制[8]方式各不相同。產品模型如圖1所示。通過對圖1皮帶扣產品模型分析可知，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，對于三維建模的初學者，當首次見到本模型時，會感覺到有一定的難度，認為短時間內難以學會繪制方法，后期經過課題組啟發式三維建模思維的短時間培養，學習者會在短時間內掌握皮帶扣零部件的繪制方法，為學習者后期繼續深入學習三維建模建立了充分的信心。

圖1 產品模型

1.3 零件繪制方法

1.3.1 皮帶扣主體繪制方法

首先，進行皮帶扣主體的繪制。在繪制皮帶扣主體前，先帶領三維模型初學者了解三維的概念，從二維到三維的演變[9]方法，利用最簡單的白紙畫方形，并將方形延伸，得到立方體的方法，引導初學者入門。引導初學者初步了解二維到三維演變方法后，利用SolidWorks軟件，引導初學者了解掌握草圖、特征里面最簡單的基礎命令，并在SolidWorks里實際操作草圖繪制矩形，并在特征里拉伸為實體。等到初學者能夠順利進行簡單二維演變三維操作后，帶領初學者分析皮帶扣主體結構，引導初學者去發現皮帶扣主體的特點。皮帶扣主體模型如圖2所示。皮帶扣主體部分，看似比較復雜，引導初學者利用剛剛操作過的二維變三維過程，將皮帶扣主體進行拆分，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、大側邊、小側邊、凸臺四部分，如圖3所示。這四部分每部分單獨拿出來，對初學者來說都相對容易，但是將這不同的部分疊加起來，就組成了一個比較復雜的零件。因此，我們得到第一個基礎建模思維，即疊加，引導初學者拿到一個復雜的零件后，先去分析能不能將整個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，每個組成部分可以通過比較基礎的繪制方法得到，然后將簡單的不同組成部分進行疊加，從而得到復雜的零件。利用本零件模型，給三維建模初學者建立啟發式引導，使初學者能夠在較短的時間內記住此類型零件的建模方法，使得初學者在以后學習或使用中，遇到復雜零件學會去分析零件，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，引導初學者進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，引導初學者去分析零件。經過對扣頭部分的分析，可以發現，此零件雖然能使用上述疊加法進行繪制，但是對此零件進行拆分，沒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得出不同的疊加繪制。此時，引導初學者在開始入門階段繪制的第一個練習零件上進行切除命令的使用，例如，在剛才繪制的第一個矩形上切除掉一個圓柱。待初學者可以使用切除命令后，引導初學者去分析扣頭部分結構，得到扣頭部分可以是一個矩形，經過一步步切除，從而得到最終的零件。扣頭部分的繪制過程可以引出第二個基礎建模思維，即相減法。所謂相減法，即先繪制一個零部件的整個外形，然后根據圖紙要求，進一步對零件的各部分進行切除，最后得到想要的零件。皮帶扣扣頭部分繪制過程如圖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，首先對皮帶扣定位銷結構進行分析，分析皮帶扣定位銷部分結構是否符合上述疊加法或相減法。經過分析，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，經過分析可得，此零件為回轉體零件。此時，引導初學者，回轉體零件可以利用自身軸線作為旋轉軸進行旋轉得到。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，通過對皮帶扣定位銷的繪制，可以得到第三種基礎繪圖思維，即回轉體零件，可以使用旋轉其半個草圖得到完整零件。皮帶扣定位銷模型如圖6所示。

圖6 皮帶扣定位銷模型

2 產品裝配和工程圖出圖

得到三個零件后，引導初學者將零部件進行裝配[10]，得到皮帶扣產品完整裝配體，同時選取一至二個零件，給初學者講解相關工程圖紙出圖方法，從而引導初學者在短時間內了解掌握三維建模設計思維和整個產品設計過程。

3 總結

啟發式三維建模思維的應用，將基礎建模的方式方法以典型產品皮帶扣的組成零件為例，分成了三類。面向不具備三維設計基礎、三維設計思維的人群，通過典型產品皮帶扣零部件的設計過程，在極短時間內，讓初學者能夠掌握三維建模思維，并通過對三種設計方法的簡單總結，使初學者具備簡單三維零部件的繪制能力。經過統計實驗可得，目前，按照此種啟發式三維建模對初學者進行相關培訓，大概4小時初學者即可掌握基本三維設計思維。此外，利用SolidWorks軟件，使得三維建模初學者能夠在掌握基礎三維建模思維的同時了解一種建模軟件的使用方法。通過本基礎建模思維，能夠使得初學者對三維建模產生一定的興趣，在以后的學習中積極主動地學習三維建模知識，為后續的深入學習或其他三維建模軟件的使用打下良好基礎[11]。