Solidworks 在機械制圖教學中的應用與探討

張信群

（滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000）

Solidworks 在機械制圖教學中的應用與探討

張信群

（滁州職業(yè)技術學院，安徽 滁州 239000）

機械制圖教學必須適應三維CAD技術的發(fā)展，培養(yǎng)學生形成三維空間的思維方式應作為重要教學目標之一。本文根據(jù)SolidWorks軟件在機械制圖教學中應用的實踐，探討了SolidWorks軟件應用到機械制圖教學中的必要性和對對機械制圖教學的重要促進作用。

機械制圖；SolidWorks；三維造型；二維圖形；裝配。

機械制圖是一門傳統(tǒng)的專業(yè)基礎課，它在機械類各專業(yè)的課程體系中占有重要的地位。由于它的特點是抽象性較強，對空間想象能力要求較高，這決定了機械制圖的學習也是一個艱苦的過程。在教學實踐中，學生普遍反映制圖課難學。如何提高教學質量，是每一個制圖教師面臨的課題。目前，AutoCAD軟件已經(jīng)普遍應用于制圖教學中，增加了課堂信息量，使師生從繁重的手工繪圖中解放出來。但是由于AutoCAD是一種表達平面圖形為主的二維軟件，所以傳統(tǒng)的制圖教學的思維方式并沒有發(fā)生本質變化。而隨著三維CAD技術的發(fā)展和應用，必須探索一種與三維設計相適應的制圖教學新模式。筆者根據(jù)多年的教學實踐，對SolidWorks軟件在機械制圖教學中的應用進行粗淺的探討。

一、三維軟件應用于機械制圖教學的必要性

傳統(tǒng)的機械零件的產(chǎn)生過程，是設計者先在頭腦中構思出來零件的三維實體，然后通過生產(chǎn)者的加工，使之變成實際的零件。以前由于三維建模手段缺乏，在設計者和生產(chǎn)者之間的三維信息交流受到阻礙，設計者只有借助二維圖紙平臺表達自己的三維設想，而生產(chǎn)者根據(jù)二維圖形，重新在頭腦中想象出三維實體造型，然后再加工出來。所以一個零件的產(chǎn)生是從三維到二維，再從二維到三維的過程，其中二維圖形起著必要的媒介作用。

從機械制圖的教學來看，也是與這一過程相適應的。教師花很多時間培養(yǎng)學生的空間想象力，強調繪制和閱讀二維圖形的重要性，教給學生如何運用平面的投影規(guī)律來解決三維的空間問題。但是，從二維到三維，是一個艱難而痛苦的空間想象過程，這也成為許多學生對機械制圖課產(chǎn)生懼怕心理的主要原因。

隨著三維繪圖軟件的大規(guī)模推廣和使用，現(xiàn)在設計人員的工作平臺是計算機，設計構思是通過三維建模來實現(xiàn)的。由于數(shù)控技術的運用，在設計和加工之間可以直接進行三維數(shù)據(jù)的交換，二維圖形已經(jīng)不再是傳遞三維空間構思的必要途徑。雖然二維圖形在尺寸標注、技術要求注寫等方面仍有優(yōu)勢，但其作用在弱化，而且二維圖形也可以不專門繪制，而直接從三維模型中轉化獲得，視圖的種類、位置和剖視圖、斷面圖等都可以根據(jù)需要進行設定而自動生成。

現(xiàn)代設計方式?jīng)Q定了三維實體造型在機械制圖課程中的教學地位，筆者認為，培養(yǎng)學生形成三維空間的思維方式而不是二維的表達方法，應作為機械制圖課的重要教學目標之一。教師在機械制圖教學中頻繁使用三維造型，不斷強化學生三維造型的意識，使學生潛移默化中逐步形成三維空間的思維方式。

二、SolidWorks對機械制圖教學的重要促進作用

目前，三維CAD繪圖軟件很多，如SolidWorks、UG、Pro/E、Solidedge等，它們都具有三維造型功能。而SolidWorks以其強大而完善的功能、簡單而方便的操作，特別適合在課堂上較短時間內(nèi)完成零件造型，應用到制圖教學中有明顯的優(yōu)越性。

（一）SolidW orks的應用能夠改進傳統(tǒng)教學手段

利用實物模型增強教學的直觀性，是機械制圖教學中傳統(tǒng)的教學手段。實物模型能夠在一定程度上增強教學的直觀性，但是實際零件的構造千變?nèi)f化，而教師所掌握的模型種類畢竟有限，所以無法滿足教學過程中的每個實例。

SolidWorks軟件具有強大的實體造型功能，可以通過草圖的繪制產(chǎn)生基本圖形，再對其進行拉伸、旋轉、切除、掃描、放樣、抽殼等操作便可獲得任意形狀的形體。并可以通過修改某一尺寸或幾何關系來自動改變形體，達到舉一反三的效果。

教師可以按照教學需要，應用SolidWorks軟件建立起虛擬模型庫，涵蓋教材和習題冊中出現(xiàn)的典型模型，在教學過程中可以方便的調用，從而節(jié)約了時間，增加了教學信息量。并且實體模型形象逼真、色彩豐富，可以給學生強烈的感觀刺激，提高學習興趣。

（二）SolidW orks的應用能夠幫助學生空間思維

為培養(yǎng)學生空間思維能力，制圖教學需要進行大量的二維與三維之間的雙向思維訓練。比如由實體畫出三視圖、由三視圖想象出三維實體的結構形狀等。在傳統(tǒng)的教學中，教師在黑板上板圖或對照掛圖分析講解，引導學生進行空間構思，想象出空間形體。但是構思的結果只能對照立體圖形驗證。而且也無法展現(xiàn)出同一類形體的結構變化狀態(tài)。

引入SolidWorks軟件進行輔助教學，可以降低二維圖形和三維立體的投影轉換的難度，教師可以先建立起零件三維實體模型，進行實時動態(tài)旋轉變換和視圖定向，引導學生多方位觀察，幫助學生在大腦中形成和強化立體形象，然后直接將三維實體生成二維視圖，并且可以根據(jù)需要隨時在三維模型和二維視圖之間進行切換。在此基礎上講解投影規(guī)律和繪圖方法，學生會自覺地與大腦中儲存的立體信息進行對照，逐步形成正確的認識。這樣形象化的讀圖過程減輕了學生空間思維的負擔，教學效果明顯改善。

（三）SolidWorks的應用能夠輔助多媒體教學

隨著現(xiàn)代教育技術的發(fā)展和應用，多媒體課件已經(jīng)成為機械制圖教學的重要手段。制圖課件中雖然也包含了一定數(shù)量的圖形和立體樣本，但是這些樣本是不能隨意更改的，所以教師的臨場發(fā)揮受到了限制，也不能根據(jù)教學需要隨時實現(xiàn)形體的空間展示。將SolidWorks與多媒體課件教學相結合，則可以突破課件固定內(nèi)容的限制。在遇到課件表現(xiàn)不清楚的問題或者需要補充圖例時，教師可以在課堂上利用Solid－Works及時、快速地建立實體造型，在相同的教學時間內(nèi)學生能夠接觸到更多的圖樣，豐富了課件的內(nèi)容。并且大量現(xiàn)場完成的實體造型營造出自由、生動、寬松的教學氛圍，更能夠激發(fā)出學生強烈的探求欲望和參與意識。

（四）SolidWorks的應用能夠培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

現(xiàn)代設計方式要求設計者具有很強的空間思維能力和三維創(chuàng)新設計能力。在制圖課程的教學過程中，教師并不要求學生完全掌握SolidWorks這種軟件，學生只要能夠進行一些常用的操作即可。但是教學實踐證明，由于SolidWorks軟件強大的三維造型功能，極大地激發(fā)了學生的學習熱情，一般他們都會利用課外時間學習SolidWorks軟件更多的功能。在制圖課程中很多形體構造的教學環(huán)節(jié)，學生都可以充分發(fā)揮自己想象力，然后利用Solidworks建模加以驗證，在這個過程中學生體味到成就感，從而激發(fā)了學生的創(chuàng)造欲望，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識。三維造型的技術手段不僅促進了機械制圖課程的教學效果，而且還在后續(xù)的專業(yè)課程中發(fā)揮了重要的作用，有助于學生設計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、SolidWorks在制圖教學中的應用實例

裝配圖是機械制圖教學中最后的教學單元，綜合性較強，難度較大，主要是因為大一的學生對機械零部件缺乏感性認識，往往對各零件的裝配關系和裝配過程理解不清晰。傳統(tǒng)的教學方法是將笨重的裝配體搬入課堂，邊拆卸邊講解各零件的主要構造和裝配關系。這種方法不僅需要準備較多的工、量具，費時費力，而且很難將各零件的內(nèi)部構造和完整的裝配過程演示給學生。而教師利用Solidworks軟件進行零件造型和虛擬裝配，不僅可以多角度引導學生觀察個零件的內(nèi)、外結構，還可以對裝配體進行動態(tài)的工作過程運動模擬。教學過程更加生動，教學內(nèi)容也更加清晰。

下面以軸組件的裝配圖為例，介紹SolidWorks在機械制圖教學中的應用。軸組件裝配圖如圖1所示。

圖1 軸組件裝配圖

（一）建立軸組件的裝配體

課堂演示時啟動SolidWorks，新建一個裝配體文件，然后按照裝配的過程，依次導入各個零件（教師應該在課前將各零件造型建好備用）。

(1)導入軸零件作為固定件

首先導入的零件作為固定件，它是裝配的基礎。本例中，軸是整個裝配體的主干結構，所以應作為固定件首先導入，如圖2所示。

圖2 導入軸零件

(2)完成鍵與軸鍵槽的裝配配合

鍵與軸鍵槽的裝配配合實際上就是選擇配合面并在配合面之間添加必要的約束關系，以此來限定零件的位置和方向。在本例中，選擇鍵的上表面和軸鍵槽的底面、鍵的側面和軸鍵槽的側面、鍵的曲面端和軸鍵槽的曲面端作為配合面，如圖3所示，配合關系選擇“重合”，則鍵就完全固定在軸的鍵槽中。(3)同理，可以將齒輪和軸承插入裝配體中，最后完成軸組件裝配體如圖4所示。

圖3 鍵與軸鍵槽裝配配合

圖4 軸組件裝配體

（二）設置外部零件的透明材質

在SolidWorks中，可以賦予每個零件不同的顏色。本例中，可以依次為各個零件選擇合適的顏色，以增強視覺效應，給學生在大腦中留下深刻的印象。

另外，還可以通過調整外部零件的透明度，來顯示被遮蓋的零件。在本例中，可以將“齒輪”零件設置為透明材質，學生可以清楚地觀察到里面的零件，從而更好地理解各零件之間的位置關系。

圖5 軸組件裝配體爆炸視圖

（三）模擬軸組件的裝配過程

為了進一步加深學生對裝配體結構的印象，教師可以制作裝配體的爆炸視圖，以分離出裝配體中的各零件，并形象地展示各零件的裝配過程。生成爆炸視圖后，各零件會沿著設定的路徑、在特定的時間內(nèi)完成仿真動畫，學生可以觀察到各零件的位置和它們之間的裝配關系。爆炸視圖如圖5所示。

教學實踐證明，將SolidWorks應用到機械制圖教學過程中，能夠將抽象的、靜態(tài)的理論知識講授轉化為生動的、形象的認知過程，不僅化解了教學難點，更能激發(fā)學生的學習積極性，使枯燥乏味的制圖課堂教學變得生動活潑、魅力無窮。同時有利于引導學生形成和深化三維思維方式，增強學生使用計算機輔助設計的能力，為以后的專業(yè)課學習和工作奠定堅實的基礎。

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G712 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671-5993（2011）02-0070-03

2011-05-03

張信群(1970-)，男，安徽滁州人，滁州職業(yè)技術學院機電系教授。