三維CAD技術(shù)發(fā)展及其對(duì)制圖課程教與學(xué)影響之探討

伍文進(jìn)

摘要：闡述了三維技術(shù)發(fā)展的歷程與趨勢(shì)，并針對(duì)機(jī)械類制圖課程教學(xué)中教師難教、學(xué)生難理解的問題，提出了采用三維CAD技術(shù)融入制圖教學(xué)的新思路。在實(shí)際運(yùn)用中，可通過以法國(guó)達(dá)索公司的Solidworks軟件為例的三維建模技術(shù)與制圖內(nèi)容相互支撐、相互融入的教學(xué)方法。實(shí)踐證明三維CAD技術(shù)的融入確實(shí)能夠提高學(xué)生的工程圖的理解和表達(dá)能力，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新能力的設(shè)計(jì)人才。

關(guān)鍵詞：制圖；三維CAD；教學(xué)改革；工程圖

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0165-03

一、CAD概念、發(fā)展歷程及趨勢(shì)

CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-Computer Aided Design）利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)和制圖等項(xiàng)工作。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的水平成了衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。

CAD技術(shù)的發(fā)展和形成至今有60多年的歷史，自20世紀(jì)50年代在美國(guó)誕生了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡(jiǎn)單繪圖輸出功能的被動(dòng)式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，即CAD技術(shù)。到目前，CAD的發(fā)展經(jīng)歷了四次技術(shù)革命。

第一次CAD技術(shù)革命——曲面造型系統(tǒng)（CATIA）：60年代，線框式系統(tǒng)其特點(diǎn)有：只能表達(dá)基本的幾何信息；無法表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系；無法實(shí)現(xiàn)CAE及CAM。70年代，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)制造公司CATIA：以表面模型為特點(diǎn)的三維造型系統(tǒng)提出貝賽爾算法解決計(jì)算機(jī)處理曲線和曲面問題，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，改變了借助油泥模型來近似表達(dá)曲面的工作方式。這標(biāo)志著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息的方式。

第二次CAD技術(shù)革命——曲面造型技術(shù)（I-Deas）：由于實(shí)體造型技術(shù)能夠精確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上有助于CAD的模型表達(dá)，給設(shè)計(jì)帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術(shù)的發(fā)展方向。表面模型技術(shù)基本解決了CAM有關(guān)問題，但是CAE無法實(shí)現(xiàn)。1979年SDRC推出完全基于實(shí)體造型技術(shù)的I-deas，實(shí)現(xiàn)了CAE。

第三次CAD技術(shù)革命——參數(shù)化技術(shù)（Pro/E）：在實(shí)體造型技術(shù)逐漸普及的時(shí)候，80年代中期，PTC公司推出基于參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的Pro/E。

第四次CAD技術(shù)革命——變量化技術(shù)（I-Deas）：SDRC公司投資1億美元在1993年推出基于變量參數(shù)化技術(shù)的全新體系結(jié)構(gòu)I-DEAS Master Series軟件；UGS公司收購(gòu)了SDRC公司推出了融合UG和I-DEAS的NX系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，使得現(xiàn)在的CAD技術(shù)和系統(tǒng)都具有良好的開放性。圖形接口、圖形功能日趨標(biāo)準(zhǔn)化。綜合應(yīng)用多媒體技術(shù)和人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)大大提高了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的程度，出現(xiàn)了智能CAD新學(xué)科。三維CAD軟件體系架構(gòu)如圖1所示。

CAD產(chǎn)品從操作平臺(tái)上主要分為兩大類：一是工作站上的CAD繪圖軟件，由于工作站上的CAD軟件技術(shù)復(fù)雜，售價(jià)高，并且涉及到企業(yè)多方面的應(yīng)用以及以后的管理和國(guó)標(biāo)化等后續(xù)工作，因此企業(yè)在選型時(shí)應(yīng)十分慎重。二是微型計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的CAD繪圖軟件。在此平臺(tái)上運(yùn)行的高性能三維CAD軟件具有圖標(biāo)直觀、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格適中、圖形顯示技術(shù)支持好的特點(diǎn)，為三維CAD技術(shù)的普及和應(yīng)用提供了十分有利的客觀條件。目前國(guó)際上流行的三維CAD（多數(shù)包含CAE和CAM等模塊）軟件有數(shù)十種，基本功能大體相同，但也各有所長(zhǎng)。表1中列舉了國(guó)內(nèi)外常用的CAD軟件。

眾多CAD軟件中，法國(guó)達(dá)索公司的SolidWorks是一套功能相當(dāng)強(qiáng)大的三維CAD軟件。該軟件的界面友好，易學(xué)易用，上手快及價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得企業(yè)及個(gè)人用戶較多，國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的中小型企業(yè)都在使用SolidWorks 軟件。軟件主要包括零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程圖模塊，軟件可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的全相關(guān)性的參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)，例如當(dāng)設(shè)計(jì)人員修改了任意一個(gè)零部件尺寸約束，則與之相關(guān)聯(lián)的裝配圖、工程圖中的尺寸均隨之修改。零件草圖設(shè)計(jì)中漏標(biāo)尺寸（欠約束）或多標(biāo)尺寸（過約束）能實(shí)時(shí)體現(xiàn)出來，這些功能在二維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)如Autocad中是沒有的，SolidWorks軟件還可與高級(jí)圖像軟件Photoworks、有限元分析軟件Cosmos、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件Motionworks、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件SmarTeam 以及數(shù)控加工模塊Camworks等著名軟件無縫集成。

近年來三維CAD軟件發(fā)展的趨勢(shì)是：第一，操作性。CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務(wù)求易學(xué)易用，復(fù)雜的功能操作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，所以CAD軟件操作性是向簡(jiǎn)便性、易學(xué)以用的方向發(fā)展。第二，智能化。建立基于知識(shí)的設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)，及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提供產(chǎn)品開發(fā)所需的知識(shí)和幫助，智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測(cè)失誤、回答問題、提出建議方案等。第三，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造的新產(chǎn)品，可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果，可直接操作模擬對(duì)象，檢驗(yàn)操作是否舒適、方便，裝配設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真能及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題。第四，集成化。集成化是很多系統(tǒng)的發(fā)展方向，CAD系統(tǒng)也不例外，目前CAD的發(fā)展方向可以用以下內(nèi)容表示：CAD+CAM=CAD/CAM；CAD/CAM+CAPP+CAT+PDM=CAE。就目前現(xiàn)狀來說，集成化后的最高層次就是計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)-CIMS（計(jì)算機(jī)/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）。

二、機(jī)械類制圖課程教學(xué)的現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷融合發(fā)展，工程圖學(xué)大綱新的教學(xué)基本要求中增加了“創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計(jì)能力、使用繪圖軟件繪制工程圖樣及進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)”。因此工程圖學(xué)教學(xué)大綱中理應(yīng)增加利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)的內(nèi)容，只有這樣才能完成三維造型設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)。高等院校工程圖學(xué)課程由最早的工程制圖 +手工繪圖（圖板與丁字尺）傳統(tǒng)教學(xué)模式演變?yōu)楣こ讨茍D+二維計(jì)算機(jī)繪圖再演變成如今的工程制圖、畫法幾何學(xué)的投影、三維CAD繪圖軟件教學(xué)三位一體，相輔相成的格局。調(diào)查顯示，截至2013年，有機(jī)械類專業(yè)的高等學(xué)校95%都開設(shè)了計(jì)算機(jī)繪圖課程，其中50%的學(xué)校開展如PRO/E、UG NX三維CAD軟件的教學(xué)，三維CAD繪圖課程的平均學(xué)時(shí)為32左右，如今的工程制圖課程已經(jīng)由過去單純的畫圖、讀圖等制圖技能本身的訓(xùn)練，向體現(xiàn)以設(shè)計(jì)為培養(yǎng)目標(biāo)的逐步轉(zhuǎn)換。

三維CAD技術(shù)的引入，在制圖課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及機(jī)械類學(xué)科在整體課程體系設(shè)置上引發(fā)了很多從事多年制圖課程教學(xué)的專家思考。三維CAD技術(shù)確實(shí)較二維CAD技術(shù)先進(jìn)很多，但是如何打破原有的教學(xué)理念，使三維CAD技術(shù)與制圖內(nèi)容有機(jī)結(jié)合？在響應(yīng)國(guó)家“卓越工程師”號(hào)召下，如何培養(yǎng)出具有創(chuàng)新思維的跨世紀(jì)的人才，如何進(jìn)行制圖課程內(nèi)容的取舍添加整合等方面的探索與改革，是制圖課程改革的主要任務(wù)之一。本文主要討論采用三維CAD技術(shù)的制圖教學(xué)實(shí)踐中的若干探索。

三、三維CAD制圖教學(xué)內(nèi)容的融合與實(shí)踐

借助于UG、CATIA、Solidworks 等三維繪圖軟件進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)、零部件裝配，大大地增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維能力，提高了學(xué)生對(duì)于制圖課程的學(xué)習(xí)熱情，明顯提高了學(xué)習(xí)效率。但由此也引發(fā)了三維CAD制圖與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的思考。

三維CAD制圖在內(nèi)容和教學(xué)體系上通常采用融入式、獨(dú)立式和CG 主導(dǎo)式3種模式。融入式是將三維建模原理、方法融合滲透到工程制圖課程中，與傳統(tǒng)內(nèi)容密切協(xié)調(diào)，互為補(bǔ)充。獨(dú)立式是將三維CAD獨(dú)立于制圖課程，完全構(gòu)成獨(dú)立的新課程體系。CG 主導(dǎo)式是以計(jì)算機(jī)繪圖為主線，將制圖內(nèi)容穿插其中，講授內(nèi)容可按三維實(shí)體構(gòu)成分析、二維投影制圖、三維實(shí)體設(shè)計(jì)與表達(dá)、三維實(shí)體轉(zhuǎn)化為二維視圖、課程設(shè)計(jì)的授課思路。融入式教學(xué)是在原有制圖課程的不同章節(jié)引入相應(yīng)的CAD三維建模內(nèi)容，如此可幫助部分空間想象能力較弱的學(xué)生的空間思維能力以及三維形體與二維圖形之間的相互關(guān)系的理解。目前高校制圖課程的課時(shí)較多的授課模式還是融入式教學(xué)。

三維CAD技術(shù)與工程制圖傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的融入的實(shí)踐，首要問題就是要做好三維CAD技術(shù)與工程制圖傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容在某些概念上的變通，下面以SolidWorks為例：

第一，傳統(tǒng)工程制圖中的“投影面”與SolidWorks軟件中的“坐標(biāo)平面”的思維變通。

第二，傳統(tǒng)工程制圖中的“點(diǎn)的投影定位”與SolidWorks中的“直角坐標(biāo)定位”的思維變通。

第三，傳統(tǒng)工程制圖中的“平面圖形”與SolidWorks軟件中的二維草圖的思維變通。

第四，傳統(tǒng)工程制圖中的“平面圖形的尺寸標(biāo)注”與SolidWorks軟件中的二維草圖中尺寸約束、幾何約束的思維變通；傳統(tǒng)內(nèi)容中平面圖形的尺寸標(biāo)注引出了定形尺寸和定位尺寸的概念。在SolidWorks軟件中，草圖引入了尺寸約束和幾何約束的概念。因此在分析平面圖形的尺寸標(biāo)注時(shí)應(yīng)該引用尺寸約束和幾何約束的概念來分析平面圖形，添加適當(dāng)?shù)膸缀渭s束和必要的尺寸約束使草圖完全約束，使設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

第五，傳統(tǒng)工程制圖中的“基本立體”及“立體的名稱、分類”與SolidWorks軟件中的“成型方法”的思維變通；機(jī)械工程圖學(xué)教材中的立體或常見的典型零件基本上都可以在SolidWorks軟件中采用基于草圖的“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“放樣”、“掃掠”等成型方法構(gòu)成。

基本立體與CAD成型如圖2所示：

第六，傳統(tǒng)工程制圖中“組合體讀圖”與SolidWorks成型方法的思維變通。利用傳統(tǒng)的形體分析法讀圖時(shí)，就是利用特征視圖來確定物體的空間形狀。但該物體的成型方法和過程只能用切割法或堆疊法來解釋。如下圖4中的立體可分析成由長(zhǎng)方體經(jīng)切割形成或由幾部分堆疊而成。

現(xiàn)代三維CAD構(gòu)型設(shè)計(jì)都是基于二維草圖生成三維立體。如果將特征視圖與三維CAD中的草圖聯(lián)系起來就可賦予特征視圖以新的意義和作用：也就是以特征視圖的外輪廓作為草圖再采用相應(yīng)的拉伸等成型方法來生成立體。如圖5所示的物體，其左視圖為特征視圖，立體可分析成以左視圖為草圖，再以與草圖平面相垂直的方向?yàn)槭噶恳淮卫斐芍w，而不再將其分析為切割或疊加而成。由此可見，特征視圖已經(jīng)由原來利用特征視圖想象物體形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)思路演，變成利用特征視圖的外輪廓作為立體成形的草圖輪廓的新思路。

四、結(jié)束語

綜上所述，三維CAD技術(shù)的發(fā)展及其在工程制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用效果，證明了工程圖學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的改革已是大勢(shì)所趨。通過徐州工程學(xué)院工程制圖實(shí)際教改效果也證明了在講授機(jī)械制圖課程中分章節(jié)階段性引入三維CAD的設(shè)計(jì)理論和造型方法，適時(shí)地利用三維CAD技術(shù)的功能演示二維草圖、三維實(shí)體模型、制圖之間的轉(zhuǎn)換過程，可以收到事半功倍的教學(xué)效果，使學(xué)生能夠掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上不少學(xué)生在省級(jí)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新計(jì)劃和機(jī)械類發(fā)明專利研究中也取得了佳績(jī)，從而也適應(yīng)了國(guó)家“卓越工程師”培養(yǎng)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦永和，張彤，陳軍，等.第7次普通高等學(xué)校圖學(xué)教育現(xiàn)狀的調(diào)查與研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（3）：168-172.

[2]大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室.機(jī)械制圖[M].第6版.北京：高等教育出版社，2007：1-346.

[3]勞動(dòng)和社會(huì)保障部教材辦公室.機(jī)械制圖[M].第五版.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.

[4]陳錦昌.本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求的修改[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：101-103.

[5]侯洪生.機(jī)械工程圖學(xué)[M].第一版.北京：科學(xué)出版社，2008.

[6]雷新宇，董臻.CAD 技術(shù)與應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[7]崔正方，居文全.機(jī)械設(shè)計(jì)課程及其 CAD[M].北京：海洋出版社，1996.

（責(zé)任編輯：王意琴）