CAD／CAM建模构型方法总结与实践

李庆达　丁俊健　丁立刚

摘要：从二维草图绘制和三维造型两方面建立了草图、建模的思维体系，提出了设计基准先行原则、草图绘制与修剪、标注尺寸与图形检查、操作技巧和快捷键应用4种二维草图绘制方法;归纳了叠加组合法、整体局部法、综合构型法3种三维建模构型方法。通过近5年的教学培训实践，以上方法有效地提高学生的绘图建模能力，在竞赛培训项目获得佳绩。

关键词：草图绘制;建模构型;思维方法

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0220—02

0引言

随着装备智造行业的蓬勃发展，CAD/CAM软件的应用更离不开科技创新。从教学培训实践中分析与掌握，发现目前最为困扰和抽象的问题是学生对绘图造型特性存在含糊、抽象和不清晰现象，从草图绘制的设计原则、绘制和修剪、尺寸标注、图形检查方面缺少方法技巧，在建模构型的特性分析和构型方面，目标不清晰，缺乏分析和拆解思维能力，从而制约着学生绘图的质量和效率，让学生在学习制图的过程中产生了消极态度，无法激发学习兴趣，甚至有抵触情绪，这是目前首要解决的任务。

经过近5年来对不同院校相应课程的教学方法作了大量的了解和研究，基于多媒体下的机械制图与CAD教学方法探讨，基于三维CAD技术和新媒体的机械制图教学方法探索，发现大部份学生普遍存在类似的问题，缺乏草绘建模的指引法则和分析方法。

因此，本文将从二维草图绘制到三维建模构型，提出理实一体化方法思路，并归纳出草图绘制和建模构型的思维方法，最后将其灵活运用，经实践验证其方法的可行性和高效性。

1建模构型的必要性

机械类学生在学习机械制图时，既要掌握读图绘图的知识，又要具备由二维图（或等轴侧视图）转换到三维的空间想象力。在CAD/CAM建模绘图时，由于学生个人绘图思维、建模方法和造型分析能力的限制，制约着学生建模构型能力和造型质量，并一直困扰着学生建模技能水平的提升，尤其面对较为复杂的三维模型，呈现出束手无策、苦思冥想、建模质量不高的现象。通过分析和总结课程教学过程中存在的问题，主要有绘图思路不明确、构型思维混乱、建模缺乏想象力、建模构型分析能力薄弱、反复修改效率低、建模质量欠佳等几大原因。因此，本文根据近五年来在CAD/CAM建模造型课程教学工作中的探索、实践和分析，总结了一些具有实践性和技巧性的建模构型方法。

2构型能力法则

从二维草图绘制到三维造型的理实一体化实践思路展开探索和分析，帮助学生在CAD/CAM建模构型实践中探索出科学奏效的解决方法，有效提高学生的绘图建模能力。

2.1二维草图绘图法则

2.1.1设计基准先行原则

在绘制二维图时，先明确草图设计基准原点，草图内容较多或较为复杂时，在草图原点基础上纵横方向延伸描出有关中心位置的点和线，然后依据工程图位置标注有关尺寸和限制条件。草图原点位置选择原则有：图形以圆（弧）为主的草图，其原点设置在圆心;图形以不规则多边直线型，常设在某一点（角）、线（边）上，再根据尺寸链标注关系选择合适原点;类似对称图形，基准原点常设置在对称中心线上，最后依据尺寸链和图形位置关系设定合适的原点位置。坚持设计基准与绘图基准相统一的原则。

2.1.2草图绘制与修剪

草图绘制应遵循由基准原点出发，从内向外延伸。如果图形属对称类，顺从对称中心线某一边展开绘制，然后根据草图构型补线（直线、圆、圆弧线或相关构造线）。绘图时尽量避免草图出现严重变形、交错现象，确保制图的质量，提高绘图效率。对于草图修剪处理，先将多余的草图图元删掉，再进行图形修剪（或虚线化处理），最后进行有必要的倒角或倒圆角，一般在三维建模中，能在建模后进行倒角或倒圆角不影响其建模质量的前提下，建議不要在草图绘制倒角或倒圆角，可以有效提高绘图效率。阵列（复制）内容到最后绘制。

2.1.3标注尺寸与图形检查

尺寸标注，从基准原点附近展开，先标定图形纵横方向布局位置尺寸，然后由小标到大的原则，有效减少图形变形量，尽量标线不标点，避免影响绘图质量，尺寸尽量标在图形外，合理标注，避免扎堆，减少视线干扰和审图疲惫。检查图形时，要注意各图素之间的约束关系和完全定义情况，尺寸和限制条件是否遗漏，如线形颜色不一致，可通过拖曳，观察变形状况，作出准确补制，尽量避免过定义或特征无法成形的有关问题（存在封闭、非封闭、相交叉或多余点线等）。绘制草图的尺寸位置标注尽量与参照图尺寸位置标注相一致，方便检查，减少遗漏尺寸，养成良好的绘图习惯，提高绘图质量和效率。

2.1.4操作技巧和快捷键应用

在平常绘图中不难发现，所有的图形都是由直线和圆（弧）构成。绘图时先确定（基准）原点，然后构造出其他局部位置或定位点。绘制相同尺寸线段或圆（弧）定义其相等，对于同一垂直、水平或共线的可定义，图形绘制可采取先连接后补位置、限制条件和尺寸。要想快速提高绘图效率，熟练掌握鼠标和快捷键有机组合是必要的技能，另外巧妙运用方程式是绘图参数化设计的关键，最后是平时多练习、勤思考、常总结，养成良好的绘图习惯。

2.2三维建模构型方法

在二维草图绘图的基础上进行三维建构特征形体，同样需要注重建模构型的思维和方法。以机械制图为基础，科学引导学生在遵循绘图的职业规范、基本原则和操作方法，从不同的角度分析和构思模型的立体形状特征，辨别和分析所属类型构，弄清造型与局部的关系，可以帮助学生快速形成解决三维建模构型思维，让学生由理论到实践能自主作出科学准确的建模构型方法。现将三维建模构型法归纳分为叠加组合法、整体局部法和综合构型法3种。

2.2.1叠加组合法

叠加组合法是由多个小单元立体模块叠加结合在一起而组成的立体模型。组合结构的模式有类似积木式的堆积、分层式的叠加、侧向式的组合等，主要以小单元立体模块合拼叠加法为主的构型设计方法。如图1所示。

2.2.2整体局部法

整体局部法是从模型整体出发构建一个立体模型，然后经过局部多次的切割为主，获得构建模型。构型思路是将模型整体设想为一个立体模块，主要做减法运算模式，通过多次小单元（局部）模块进行切除和分割为主，科学合理选择绘图基面，灵活运用草绘、建模功能相结合，最后获得造型的结构。如图2所示。

2.2.3综合构型法

综合构型法是指模型结构复杂，从形体上分析，既有叠加组合结构，也有整体局部构造，因此需要将模型整体进行二级划分拆解，再根据叠加组合法和整体局部法逐步构建模块组合体，沿着结构特性分析，准确快速从整体到局部逐一构思，依据构型法判断模型类别，科学合理拆解，最后再次复合构成模型的方法。如图3所示。

除了灵活掌握以上3种建模构型方法外，还需要做到5个要点：明确建模单位属性，在建模前要弄清造型的单位、材料、精度等属性;找准模型位置方向，准确找出模型原点（坐标）位置及形态方向;快速判断构型方法，灵活运用构型方法建模;巧妙运用建模功能（如拉伸、切除、旋转、扫描等特征及其参数设置技巧）;合理划分造型步骤，每一形体造型步骤划分尽量不超过5步，预防步骤过多，容易遗漏或忘记细节。以工程制图为基础，结合以上的构型法则，循序渐进，科学练习，勤思考和多总结。

3结束语

本文从二维草图绘制和三维造型两方面建立了草图、建模的思维体系，总结了CAD/CAM建模构型方法并付诸实践。自从将该方法融入到有关三维建模教学培训课程后，很好地激发了学生绘图建模的兴趣，实践能力也明显增强，学生的主观能动性得到充分调动，建模的自主分析能力和创新思维能力也进一步健全。在近5年教学培训里，培养学生参加CAD/CAM技能竞赛，“挑战杯”科技作品竞赛以及申报大学生创新创业训练项目均获得良好成果，在Solidworks CSWA（认证助理工程师）、CSWP（认证工程师）课程考证培训，学生也顺利通过考核获得相应的认证证书。实践验证，通过建模构型方法的应用，不仅提高了学生竞技和实践应用的技能，还全面提升了学生的综合素质。