2.6 二维草图设计方法与技巧

二维草图设计最重要的就是掌握草图设计方法与技巧,即处理好二维草图轮廓绘制、几何约束处理及草图尺寸标注的问题。只有理解了二维草图设计方法与技巧,才能够更高效、更规范地完成二维草图绘制,才能提高产品设计效率。

2.6.1　二维草图绘制一般过程

二维草图的绘制贯穿整个产品设计阶段,对产品设计的重要性不言而喻。为了规范而高效地绘制草图,一定要熟悉在SOLIDWORKS中进行二维草图绘制的一般过程。在SOLIDWORKS二维草图设计环境中进行二维草图绘制的一般过程如下。

① 分析草图。分析草图的形状、草图中的约束关系以及草图中的尺寸标注。

② 绘制草图大体轮廓。以最快的速度绘制草图大体轮廓,不需要绘制过于细致。

③ 处理草图中的几何约束。先删除无用的约束,然后添加有用的约束。

④ 标注草图尺寸。按照设计要求或者图纸中的尺寸标注,标注草图中的尺寸。

⑤ 整理草图。按照机械制图的规范整理草图中的尺寸标注。

2.6.2　分析草图

在开始任何一项工作或项目之前,一定要对这项工作或项目做一定的分析,而不要急于开始工作或项目。这是一个很好的工作习惯,待我们将工作或项目分析清楚了再开始,定会达到事半功倍的效果!

草图设计亦是如此,而且对草图的前期分析直接关系到后面草图绘制过程的顺利进行。对草图的分析主要从以下几个方面入手。

(1)分析草图的总体结构特点

分析草图的总体结构特点,对草图做到心中有数,胸有成竹,能够帮助我们快速得出一个可行的草图绘制方案,同时也能够帮助我们快速完成草图大体轮廓的绘制。

(2)分析草图的形状轮廓

分析草图的轮廓形状时需要特别注意草图中的一些典型结构。如圆角,有“直线⁃圆弧⁃直线相切”“圆弧⁃圆弧⁃圆弧相切”以及“直线⁃圆弧⁃圆弧相切”结构等,这些典型的草图结构都具有独特的绘制方法与技巧,灵活运用这些方法与技巧,能够大大提高草图轮廓绘制效率。

(3)分析草图中的几何约束

草图中的几何约束就是草图中各图元之间的几何关系。一般比较常见的几何关系有:对称、平行、相等、共线、等半径、相切、竖直和水平等。分析清楚了草图中的几何约束关系才能更快更好地处理草图中的约束问题。

草图中的几何约束往往是最难分析也最难把握的。因为草图中的几何约束属于草图中的一种隐性属性,不像草图轮廓和草图尺寸那么明显,需要绘制草图的人自行分析与判断。一般根据产品设计要求、草图结构特点以及草图中标注的尺寸来分析草图中的几何约束,而且分析的结果因人而异。将草图约束到需要的状态,可能有多种添加约束的方法。

在分析草图约束时,逐个分析每个图元的约束关系,当然也要注意一些方法和技巧。例如,一般情况下,圆角不用去考虑其约束,因为圆角的约束是固定的,就是两个相切,除此以外就看圆角半径值是多少就行了。对于一般圆弧,主要看三点:一是圆弧与圆弧相连接的图元之间的关系,一般情况下相切的情况比较多;二是要看圆弧的圆心位置;最后就是圆弧的半径值。掌握这几点就很容易分析草图约束了。

(4)分析草图中的尺寸

首先,通过尺寸分析,能够直观观察出草图整体尺寸大小,便于帮助我们在绘制轮廓时确定轮廓比例。其次,看看草图中哪些地方需要标注尺寸,方便我们快速标注草图尺寸。总之,分析草图的最终目的就是要对草图非常了解,做到胸有成竹,也是为下一步做好铺垫。

2.6.3　绘制草图大体轮廓

草图大体轮廓是指草图的大概形状轮廓。开始绘制草图时,往往不需要绘制得很细致,只需要绘制一个大概的形状。因为在产品最初的设计阶段,工程师一般是没有很精确的形状及尺寸的,有的只是一个大概的图形,甚至一个大概的“想法”,所以,绘制草图时先绘制草图大体轮廓。

(1)草图绘制效率

实际上,做产品结构设计,其中的70%~80%(甚至更多)的时间都是在绘制二维草图。所以,只要二维草图绘制快,那么产品结构设计自然就快。要想提高设计效率,就一定要提高草图绘制速度。经验告诉我们,影响草图绘制速度最主要的原因就是草图轮廓的绘制以及草图约束的处理,其中最能够有效提高草图绘制速度的就是草图轮廓的绘制。所以在绘制草图轮廓时一定要快,不要绘制得过于细致,因为不论草图轮廓绘制多么细致,后面的工作还是要一步一步去做的,所以绘制细致的草图轮廓就没有太大的意义,反而浪费了很多时间。熟练的设计人员对于草图大体轮廓的绘制通常控制在数秒以内。

(2)绘制草图基准及辅助参考线

首先确定草图的尺寸大小基准。这一点对于草图的绘制非常重要,特别是结构复杂的草图。绘制草图轮廓时不注意尺寸大小,会对后面的工作带来很大的影响。

快速确定尺寸大小基准的方法:先在草图中找一个比较有代表性的图元,根据草图中标注的尺寸(或者估算的尺寸)将其绘制在草图平面相应的位置(相对于坐标原点的位置),然后以此基准作为参照绘制草图的大体轮廓。

绘制草图基准参照尽量选择草图中的完整图元,如圆、椭圆、矩形等,并且要注意该基准参照图元相对于坐标轴的位置关系,同时要按照设计草图标注基准参照图元的尺寸。如图2⁃174所示的连接片截面草图,在绘制大体轮廓时就应该选择草图中直径为55的圆为基准参照图元,如图2⁃175所示,然后在该基准参照图元的基础上绘制草图大体轮廓,结果如图2⁃176所示。

　　如果草图中没有合适的较为完整的图元作为基准参照图元使用,可以根据草图尺寸大小估算一个草图图元作为基准参考图元。如图2⁃177所示的玩具盖截面草图,在绘制大体轮廓时可以根据草图整体宽度为依据绘制如图2⁃178所示的直线(长度为70)作为基准参照图元,然后在该基准参照图元的基础上绘制草图大体轮廓,如图2⁃179所示。

为了辅助草图轮廓的绘制或对草图进行特殊尺寸的标注,需要在草图中绘制一些辅助参考线。这个时候就需要先绘制这些辅助参考线,在这个辅助参考线基础上再去绘制草图中的其他结构,这样能够大大提高草图轮廓的准确性,也为后续工作做好铺垫。

如图2⁃180所示的吊摆草图,草图中半径为135的圆弧的主要作用是对草图结构进行定位。像这种对草图起定位作用的图元一般称为辅助线。在绘制草图时,应该先绘制这些辅助线,如图2⁃181所示,将辅助图元变成构造线,如图2⁃182所示。

(3)草图大体轮廓的把握

虽然是草图的大体轮廓,但是也不能绘制得太“大体”、太“随意”了,否则会给后面的操作带来不必要的麻烦,也会严重影响后面草图的绘制,从而影响草图绘制效率。在绘制草图大体轮廓时一定要注意以下两点:

① 一定要控制草图轮廓相对于草图坐标轴或草图主要参考对象之间的位置关系。如图2⁃183所示的垫片截面草图,在绘制该草图大体轮廓时,要注意草图轮廓相对于坐标轴的位置关系。如图2⁃184所示的草图轮廓相对于水平和竖直坐标轴之间的位置关系偏差太大,对草图后期的处理影响很大,而图2⁃185所示的位置关系就比较好。

② 一定要把握好草图大体轮廓与草图最终结构的相似性。如图2⁃186所示的吊钩截面草图,在绘制该草图大体轮廓时,要注意草图轮廓的相似性,相似性越高,绘制草图就会越顺利。所以在绘制图2⁃187所示的草图大体轮廓时要时刻注意草图与设计草图之间的相似性,如果不注意相似性,草图后期处理会比较困难,如无法添加约束、无法修改标注的尺寸等,特别是圆弧结构比较多的草图。如图2⁃188所示的草图相似性控制不是很好,这样会严重影响草图后期的处理。

(4)对称与非对称结构草图的绘制

如果不是对称结构的草图,按照一般的方法来绘制。如果是对称结构的,那么在绘制草图大体轮廓时就有两种方法绘制:一种是使用对称方式来绘制;另一种就是使用一般的方法来绘制。这一点分析很重要,直接关系到草图绘制的总体把握,而且,草图对称与不对称这两种绘制方法存在很大区别。

需要注意的是,对于对称草图,不一定非要按照对称方式来绘制。一般对于复杂的对称草图,特别是圆弧结构比较多或者对称性比较高的草图最好使用对称方式绘制,这样能够大大减少草图绘制工作量,提高草图绘制速度。如图2⁃189所示的垫片截面草图,草图结构比较复杂,而且草图对称性比较好(上下左右分别关于水平中心线和竖直中心线对称),在绘制草图轮廓时就应该使用对称的方式来绘制,先绘制如图2⁃190所示的草图四分之一,然后对草图进行镜向得到完整草图轮廓,结果如图2⁃191所示。

而对于一些简单的对称草图,一般是直接来绘制的,然后通过几何约束使草图对称。对简单的草图使用对称方式绘制反而使草图绘制复杂化。如图2⁃192所示的燕尾槽滑盖截面草图,属于结构简单的草图,不用使用对称方式来绘制,应该直接绘制如图2⁃193所示的大体轮廓,然后使用几何约束使草图对称,结果如图2⁃194所示。

另外,对于对称结构的草图,有时根据草图的结构特点,还会采用局部对称的方式来绘制。在绘制如图2⁃195所示的垫片截面草图轮廓过程中,可以先绘制如图2⁃196所示的局部结构,然后对该局部结构进行镜向得到如图2⁃197所示的整个草图轮廓。总之,草图的绘制一定要活学活用。

(5)典型草图结构的绘制

绘制草图轮廓时需要特别注意草图中的一些典型结构,如“直线⁃圆弧⁃直线相切”“圆弧⁃圆弧⁃圆弧相切”以及“直线⁃圆弧⁃圆弧相切”等结构。

对于“直线⁃圆弧⁃直线相切”结构,如图2⁃198所示,一般是直接绘制成折线样式(图2⁃199),最后使用倒圆角命令绘制中间的圆弧结构,如图2⁃200所示。

“圆弧⁃圆弧⁃圆弧相切”(图2⁃201)和“直线⁃圆弧⁃圆弧相切”(图2⁃202)结构也是如此。先绘制两边的结构,中间部分的圆弧使用倒圆角工具来绘制,如图2⁃203和2⁃204所示。这样既省去了绘制圆弧的麻烦,同时也省去了添加两个相切约束的麻烦,提高了绘制效率。

2.6.4　处理草图中的几何约束

处理草图中的几何约束就是按照设计要求或者图纸要求,根据之前对草图约束的分析,处理草图中图元与图元之间的几何关系,主要包括以下两部分内容。

(1)删除无用的草图约束

在快速绘制草图大体轮廓时,系统难免会自动捕捉一些约束,这些自动捕捉的约束有些是有用的约束,有些可能是无用的。对于无用的约束一定要删除干净,一个不能留!因为这些无用的约束保留在草图中会出现两个结果:一个是将来有用的约束加不上去;另外一个是有用的尺寸加不上去。总之,会使最终的草图无法完全约束!

(2)添加正确的几何约束

无用的约束处理干净后,就要根据之前分析的结果正确添加有用的几何约束。这一部分可以说是草图绘制过程中最灵活、也最难掌控的一个环节。这一部分处理的好坏也直接影响草图绘制效率的高低,因为草图中的几何约束都是各人根据自己的分析判断出来的,同一个草图可能有很多种添加约束的方法,完全因人而异。总之,只要将草图正确约束到我们需要的状态就可以。这一部分一定要处理好,否则后期会花费大量时间来检查草图约束的问题,从而影响草图绘制效率。

实际上,在处理草图约束时,有时草图中的约束实在是确定不了,这个时候就应该暂时放下,继续后面的操作。一定不要添加没有把握的约束,一旦这个约束错误,对后面的影响就大了。总之,对于没有把握的约束要放在草图的最后去处理。

另外,如果在绘制草图轮廓时绘制了参考辅助线,那么草图中的参考辅助线也要完全约束,否则软件会认为草图没有完全约束。虽然说参考辅助线是否完全约束并不影响草图结果,但是会给审核草图的人员造成误解。

2.6.5　标注草图尺寸

草图绘制的最后是标注草图尺寸,这一步是草图绘制过程中最简单的一个步骤,主要是根据设计要求或者图纸尺寸要求,在相应的位置添加尺寸标注,尺寸标注一般流程如图2⁃205所示,下面具体介绍尺寸标注流程。

① 首先快速标注所有尺寸,而不要急于修改尺寸值,如果标注一个,修改一个,这样效率比较低,而且容易使草图发生很大变化,影响草图进一步的绘制。

② 其次一定要判断完成所有尺寸标注后的草图是否是完全约束的草图。如果是完全约束草图就继续下一步操作,如果草图还没有完全约束,那么一定不要继续下一步的操作,一定要停下来检查草图没有完全约束的原因,解决草图完全约束的问题后再继续下一步操作。

③ 最后按照设计要求或图纸要求修改草图中的尺寸。修改草图尺寸时一定要注意修改的先后顺序,否则会严重影响对其他尺寸的修改。在修改草图尺寸时,主要要遵循的一个原则就是避免草图因为修改尺寸而发生太大的变化,以至无法观察草图的形状轮廓。

如图2⁃206所示的燕尾槽滑轨截面草图,在绘制该草图过程中,完成尺寸标注后如图2⁃207所示,如果首先修改草图中的1335.27尺寸(修改为120),此时草图结构变化成如图2⁃208所示的结果,因为这个修改使草图变化很大,严重影响对草图的后续操作,所以先修改1335.27尺寸是不对的。

一般的,如果绘制的草图整体尺寸都比目标草图尺寸大,这时应该先修改小的尺寸;如果绘制的草图比目标草图小,就需要先修改大的尺寸,这样才能保证尺寸的修改不致使草图形状轮廓发生太大的变化。

如图2⁃207所示的草图,现在需要修改草图中的尺寸至图2⁃206所示的结果,因为图2⁃207所示草图中的尺寸比设计尺寸都大,就需要先修改草图中较小的尺寸,所以正确的修改顺序是先修改角度尺寸60.68、竖直方向的175.13和347.75,最后修改水平方向的656.63和1335.27,最后修改半径尺寸2000。

另外,如果在修改尺寸过程中遇到修改不了的尺寸,可以先放下来去修改其他能够修改的尺寸,将这些暂时不能修改的尺寸放在最后去修改;如果草图中的尺寸实在是修改不了,可以采用逐步修改的方法来修改,逐步将尺寸修改到最终目标尺寸。

最后草图尺寸标注完成后,还需要整理草图中各尺寸的位置。各尺寸要摆放整齐、紧凑,而且各尺寸位置要和图纸尺寸位置对应,这样有一个好处就是便于以后对草图进行检查与修改,如果不按照图纸位置放置草图尺寸,那么别人在检查或者审核时容易给检查者造成漏标草图尺寸的错觉。