浅谈启发式三维设计思想*
——以皮带扣为例

井平安 ， 杨建新 ， 张余益 ， 李 佼 ， 王 佐 ， 陈 斌

（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）

随着建模技术的不断发展，三维建模[1]的应用越来越广泛。通常的三维建模、三维设计工作[2]，需要具有一定的基础或者通过一定时间的专业学习才能胜任。面对不具备基础或没有经过系统学习的人群，如何快速地给这部分人普及建模思想、建模思维，如何快速地引导他们入门基础建模知识呢？为此，课题组以典型简单产品皮带扣为例，将组成皮带扣的三个零件中每一个零件的绘制方法，总结为一种最基础的建模思维方式，借助皮带扣零部件的绘制过程，让不具有三维设计基础或未接触过三维建模的人，能够快速地掌握并记住基础三维设计思维，基础零部件三维绘制方法，从而为以后系统地学习三维设计、三维建模打下基础。

1 产品组成及结构分析

1.1 建模软件简介

课题组采用SolidWorks软件[3]作为三维建模软件，SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统[4]。与其他软件相比，SolidWorks软件具有使用范围广、功能强大、易学易用、适合初学者等特点[5]。

1.2 产品结构分析

为了进行启发式[6]三维模式培养，课题组分析了市面上众多产品的组成、产品零部件的结构特点，最终课题组选择皮带扣作为研究对象[7]。皮带扣使用范围广，为大众日常生活常见的物品，易于大众理解，皮带扣零部件组成数量少，且组成零部件的三维模型绘制[8]方式各不相同。产品模型如图1所示。通过对图1皮带扣产品模型分析可知，皮带扣主要由三部分组成，分别为皮带扣主体部分、皮带扣扣头部分、皮带扣定位销部分。其次，皮带扣模型本身具有一定的伪装性，对于三维建模的初学者，当首次见到本模型时，会感觉到有一定的难度，认为短时间内难以学会绘制方法，后期经过课题组启发式三维建模思维的短时间培养，学习者会在短时间内掌握皮带扣零部件的绘制方法，为学习者后期继续深入学习三维建模建立了充分的信心。

图1 产品模型

1.3 零件绘制方法

1.3.1 皮带扣主体绘制方法

首先，进行皮带扣主体的绘制。在绘制皮带扣主体前，先带领三维模型初学者了解三维的概念，从二维到三维的演变[9]方法，利用最简单的白纸画方形，并将方形延伸，得到立方体的方法，引导初学者入门。引导初学者初步了解二维到三维演变方法后，利用SolidWorks软件，引导初学者了解掌握草图、特征里面最简单的基础命令，并在SolidWorks里实际操作草图绘制矩形，并在特征里拉伸为实体。等到初学者能够顺利进行简单二维演变三维操作后，带领初学者分析皮带扣主体结构，引导初学者去发现皮带扣主体的特点。皮带扣主体模型如图2所示。皮带扣主体部分，看似比较复杂，引导初学者利用刚刚操作过的二维变三维过程，将皮带扣主体进行拆分，按照皮带扣主体部分自身所具有不同面之间连接线，将皮带扣主体分为大面、大侧边、小侧边、凸台四部分，如图3所示。这四部分每部分单独拿出来，对初学者来说都相对容易，但是将这不同的部分叠加起来，就组成了一个比较复杂的零件。因此，我们得到第一个基础建模思维，即叠加，引导初学者拿到一个复杂的零件后，先去分析能不能将整个零件拆分为不同的组成部分，如果可以拆分为不同的组成部分，每个组成部分可以通过比较基础的绘制方法得到，然后将简单的不同组成部分进行叠加，从而得到复杂的零件。利用本零件模型，给三维建模初学者建立启发式引导，使初学者能够在较短的时间内记住此类型零件的建模方法，使得初学者在以后学习或使用中，遇到复杂零件学会去分析零件，从而得到最适合的绘制方法。

图2 皮带扣主体模型

图3 皮带扣主体组成部分

1.3.2 皮带扣扣头绘制方法

绘制完皮带扣主体部分后，引导初学者进行皮带扣扣头部分的绘制。皮带扣扣头模型如图4所示。按照上面所描述的叠加法，引导初学者去分析零件。经过对扣头部分的分析，可以发现，此零件虽然能使用上述叠加法进行绘制，但是对此零件进行拆分，没有合适的拆分分界线，那么，如果使用叠加思维绘制此零件，不同的三维建模者可能会得出不同的叠加绘制。此时，引导初学者在开始入门阶段绘制的第一个练习零件上进行切除命令的使用，例如，在刚才绘制的第一个矩形上切除掉一个圆柱。待初学者可以使用切除命令后，引导初学者去分析扣头部分结构，得到扣头部分可以是一个矩形，经过一步步切除，从而得到最终的零件。扣头部分的绘制过程可以引出第二个基础建模思维，即相减法。所谓相减法，即先绘制一个零部件的整个外形，然后根据图纸要求，进一步对零件的各部分进行切除，最后得到想要的零件。皮带扣扣头部分绘制过程如图5所示。

图4 皮带扣扣头模型

图5 皮带扣扣头绘制过程

1.3.3 皮带扣定位销绘制方法

按照皮带扣扣头部分绘制前所用方法，首先对皮带扣定位销结构进行分析，分析皮带扣定位销部分结构是否符合上述叠加法或相减法。经过分析，皮带扣定位销符合叠加法绘制方法，具备较明显的分割线，可以使用叠加法绘制，同时，经过分析可得，此零件为回转体零件。此时，引导初学者，回转体零件可以利用自身轴线作为旋转轴进行旋转得到。此方法相比叠加法，在三维建模操作上更加便捷，更加方便。此时，通过对皮带扣定位销的绘制，可以得到第三种基础绘图思维，即回转体零件，可以使用旋转其半个草图得到完整零件。皮带扣定位销模型如图6所示。

图6 皮带扣定位销模型

2 产品装配和工程图出图

得到三个零件后，引导初学者将零部件进行装配[10]，得到皮带扣产品完整装配体，同时选取一至二个零件，给初学者讲解相关工程图纸出图方法，从而引导初学者在短时间内了解掌握三维建模设计思维和整个产品设计过程。

3 总结

启发式三维建模思维的应用，将基础建模的方式方法以典型产品皮带扣的组成零件为例，分成了三类。面向不具备三维设计基础、三维设计思维的人群，通过典型产品皮带扣零部件的设计过程，在极短时间内，让初学者能够掌握三维建模思维，并通过对三种设计方法的简单总结，使初学者具备简单三维零部件的绘制能力。经过统计实验可得，目前，按照此种启发式三维建模对初学者进行相关培训，大概4小时初学者即可掌握基本三维设计思维。此外，利用SolidWorks软件，使得三维建模初学者能够在掌握基础三维建模思维的同时了解一种建模软件的使用方法。通过本基础建模思维，能够使得初学者对三维建模产生一定的兴趣，在以后的学习中积极主动地学习三维建模知识，为后续的深入学习或其他三维建模软件的使用打下良好基础[11]。