利用Inventor軟件改進中職《工程制圖與CAD》教學(xué)

陳欣敏

（福建省廈門電子職業(yè)中專學(xué)校 福建 廈門 361009）

《工程制圖與CAD》是中職工程類學(xué)生必須掌握的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，要求學(xué)生能掌握工程界的“設(shè)計語言”，能識讀和繪制二維工程圖樣，正確地表達機件的形體結(jié)構(gòu)特征及相關(guān)的技術(shù)要求。二維工程圖是采用正投影的方式，將三維形體表達在二維平面圖紙上?？磮D者要面對抽象、不直觀的二維圖樣，根據(jù)制圖的原理和規(guī)范，理解它們的含義，在頭腦中想象出物體的三維造型。這種“從二維到三維”的看圖過程要求學(xué)生具有一定的空間想象能力和形體分析能力，具有一定難度，要經(jīng)過較長時間的培養(yǎng)和訓(xùn)練。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，各種三維CAD建模軟件功能越來越強，造型越來越真實生動，軟件建模比實物教模更方便靈活，也更易于引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而且現(xiàn)在的學(xué)生普遍具有較高的計算機操作水平，他們完全能夠?qū)W會使用三維建模軟件。若將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖形，只要嚴(yán)格要求，學(xué)生同樣可以掌握制圖的基本理論和作圖規(guī)范。基于以上考慮，我們認為，如果將三維軟件運用于制圖教學(xué)中，在學(xué)生學(xué)習(xí)視圖投影的基本規(guī)律后，學(xué)習(xí)三維建模以培養(yǎng)立體思維和看圖能力，再將三維模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖以培養(yǎng)二維繪圖技能，是切實可行的，并且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低教學(xué)難度，較快地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和看圖繪圖基本技能。

Inventor三維設(shè)計軟件是Autodesk公司開發(fā)的三維參數(shù)化實體建模軟件，可以經(jīng)濟高效地創(chuàng)建數(shù)字化樣機，是實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字仿真的有力工具，已成為概念設(shè)計、工程設(shè)計和加工制造等領(lǐng)域中最重要的軟件之一，更是全國職業(yè)院校技能大賽中職組計算機技能比賽工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計（CAD）技術(shù)項目的指定軟件。它具有優(yōu)秀的實體造型功能和部件約束裝配功能，能生成簡明易懂的裝配表達視圖和嚴(yán)謹科學(xué)的二維工程圖，功能全面，操作方便，簡單易學(xué)。筆者在深入學(xué)習(xí)Inventor，指導(dǎo)學(xué)生參加全國、省市技能大賽的過程中，深刻地認識到了它的功效，并將其運用于改進《工程制圖與CAD》教學(xué)的實踐中。

改進教學(xué)思路：采用“二維——三維——二維”的教學(xué)過程 我們在分析制圖教學(xué)的要求和學(xué)生的認知基礎(chǔ)及計算機操作能力后，在“組合體的投影”、“零件圖和裝配圖”等部分章節(jié)嘗試采用“二維——三維——二維”的教學(xué)過程，即學(xué)生學(xué)會視圖投影的基本規(guī)律，能看懂簡單的三視圖后，就學(xué)習(xí)用Inventor軟件建立三維實體模型，在建模的過程中其看圖能力不斷得到提高，再將三維模型生成二維工程圖以提高學(xué)生繪圖能力并養(yǎng)成符合國標(biāo)規(guī)定的作圖規(guī)范。在教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，在這種從平面到立體、從立體到平面的雙向轉(zhuǎn)化訓(xùn)練過程中，學(xué)生能一直保持濃厚的學(xué)習(xí)興趣，看圖繪圖能力螺旋式上升，對復(fù)雜形體、零件圖裝配圖的識讀和繪制也不感到困難。這種教學(xué)過程能明顯改進傳統(tǒng)的《工程制圖與CAD》教學(xué)，促進學(xué)生空間思維能力和看圖繪圖能力的提高，并提高學(xué)生的計算機建模能力。

顯示直觀技術(shù)簡單，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣 Inventor的實體模型顯示直觀生動、形象逼真，易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且Inventor建模技術(shù)簡單易學(xué)，對常見的機械產(chǎn)品采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、圓角等造型特征就能完成。學(xué)生只要學(xué)會設(shè)定工作平面、會進行草圖繪制和約束等基本操作后，很快就能上手創(chuàng)建模型。一般經(jīng)過二周的學(xué)習(xí)講解和上機操作后，學(xué)生就具備了一定的實體建模能力。在建模過程中，由于學(xué)生要不斷分析二維圖紙上的形體特征，想象形體，不斷尋找并嘗試多種建模方法，就直接提高了學(xué)生的看圖能力和空間思維能力。而后，當(dāng)學(xué)生遇到不易看懂的二維圖樣時，也會主動用軟件輔助造型來驗證線條或形狀的特征，這就將學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)從“要我學(xué)”轉(zhuǎn)化為“我要學(xué)”，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

運用多種觀察功能，提高對復(fù)雜形體的看圖能力在制圖教學(xué)過程中，相貫線和截交線的投影是教學(xué)的難點，尤其是形體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)線和相貫線，學(xué)生較難理解。我們可以利用Inventor的1/4剖視圖（留下1/4）、半剖視圖和3/4剖視圖功能，或采用繪制草圖時的剖切觀察和投影幾何圖元功能，將看不到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接呈現(xiàn)在學(xué)生面前，這時，再配合講解相貫線的形成和曲線特征，學(xué)生很快就能理解并掌握。見下頁圖1，在機用平口虎鉗的固定鉗身XZ平面的半剖投影視圖中，可以清楚地看到形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和線條，這樣，學(xué)生繪制剖視圖就不會出錯。對于截交線，只要用分割功能修剪或去除實體的某個部分，就可以看到截切形體的截交線的形狀。Inventor的視角觀察器ViewCube和自由動態(tài)觀察功能可以將實體隨意旋轉(zhuǎn)，從不同角度顯示觀察形體，看清形體在各個視圖方向的形狀特征，從而增強學(xué)生的感性認識。靈活運用Inventor提供的多種造型方法和觀察功能，有助于教師講解制圖理論知識，降低教學(xué)難度；有助于提高學(xué)生的空間想象能力和形體分析能力，快速提高學(xué)生的看圖能力。在教學(xué)中，學(xué)生普遍覺得制圖課比以前有趣、易學(xué)。

圖1 固定鉗身半剖投影圖

生成二維工程圖，提高繪圖能力 Inventor軟件中二維工程圖是由三維實體模型直接生成的，可形成基礎(chǔ)視圖、投影視圖、剖視圖、局部放大圖和軸測圖等多種視圖。將三維模型生成符合工程需要的二維工程圖，要符合國標(biāo)的有關(guān)規(guī)定，合理采用多種表達方法，還要對工程圖進行尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等加工技術(shù)要求標(biāo)注。因此，我們首先要在Inventor的樣式編輯器中進行樣式和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，使之符合我國的國標(biāo)規(guī)定，再要求學(xué)生抄繪圖形標(biāo)注尺寸，嚴(yán)格做到與原圖紙一模一樣。在標(biāo)注尺寸公差和技術(shù)要求時，教師應(yīng)進行相關(guān)的理論知識講解，這樣在“做中學(xué)”，在“講中做”，使學(xué)生既提高讀圖能力、繪圖能力，也理解相關(guān)的制造工藝知識，更學(xué)會計算機建模和二維圖樣繪制的基本操作。圖2所示，為固定鉗身三維建模后轉(zhuǎn)化成的二維零件圖。由于Inventor采用參數(shù)化建模和尺寸驅(qū)動技術(shù)，做工程圖時如果發(fā)現(xiàn)尺寸有誤或建模出錯，可以馬上返回零件建模過程進行修改，非常方便。這種以三維建模和二維表達來檢驗學(xué)生讀圖能力的做法，化看圖考核于無形，學(xué)生主動糾錯，快樂學(xué)習(xí)，切實提高了繪圖和讀圖能力。

圖2 固定鉗身零件圖

圖3 虎鉗裝配表達視圖

表達視圖和驅(qū)動約束有助于讀懂裝配圖 裝配圖的識讀是制圖教學(xué)的又一個難點。要讀懂裝配圖首先要對裝配體的結(jié)構(gòu)和功能較為了解，同時，還必須了解零部件的拆卸裝配順序，這對于沒有機械拆裝基礎(chǔ)的學(xué)生而言有一定的難度。在教學(xué)中，我們可以利用Inventor提供的表達視圖來解決這一難題。Inventor可以制作部件的爆炸分解圖，能精確地調(diào)整各零部件位置，清楚地將各零件間的連接關(guān)系、位置關(guān)系和裝配關(guān)系表達出來，幫助學(xué)生較好地理解裝配體的安裝及拆卸過程，使學(xué)生更好地讀懂裝配圖。圖3所示，為機用平口虎鉗的裝配表達視圖，與我們常見的二維裝配圖相比，其裝配關(guān)系表達得更清晰，更形象易懂。Inventor還提供了創(chuàng)建動畫功能，能將拆分和裝配過程錄制動畫并保存成脫離自身軟件的視頻，動態(tài)地模擬裝配體的具體組成和部件拆裝的全過程，使拆裝過程更形象直觀。Inventor的部件裝配是通過對零件放置約束條件而進行的，我們還可以驅(qū)動約束進行運動仿真，動感地展示裝配體中各零部件間的運動關(guān)系，幫助學(xué)生進一步了解裝配體的運動工作原理，加快學(xué)生認知的進程。圖4所示，為螺桿的驅(qū)動約束設(shè)置圖，驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動后帶動活動鉗身前后移動，逼真地顯示了虎鉗的運動關(guān)系。約束驅(qū)動也能錄制動畫并保存成視頻文件。

教學(xué)實踐證明，利用Inventor軟件提供的建模、工程圖、裝配、表達視圖等技術(shù)可以有效改進《工程制圖與CAD》的教學(xué)。借助Inventor的三維造型、二維工程圖等技術(shù)，可以采用“二維——三維——二維”的制圖教學(xué)過程，增強學(xué)生的形體分析能力，切實提高學(xué)生的看圖、畫圖技能。借助Inventor的裝配約束、表達視圖等功能模塊可以直觀生動地表達裝配原理和裝配關(guān)系等制圖教學(xué)的重點、難點內(nèi)容，降低制圖教學(xué)的難度，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，顯著提升制圖教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)然，Inventor還有很多其他功能，對機械設(shè)計和機械課程教學(xué)有很大幫助，有待我們繼續(xù)開發(fā)和應(yīng)用。

圖4 螺桿驅(qū)動約束圖

[1]胡仁喜.Autodesk Inventor Professional 2010 中文版從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]趙衛(wèi)東.Inventor2011基礎(chǔ)教程與項目指導(dǎo)[M].上海：同濟大學(xué)出版社，2010.

[3]楊聰.Auto CAD機械制圖案例實訓(xùn)教程[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2009.