三維造型設(shè)計(jì)在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用

秦然張平

（沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

隨著三維CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益推廣，工程和制造業(yè)的思維方式及工作方法都發(fā)生了很大變化，使工程設(shè)計(jì)和制造的基本理論與技術(shù)發(fā)展得到了很大提升?，F(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)對(duì)工程技術(shù)人員掌握三維造型設(shè)計(jì)技術(shù)有著迫切需求，因?yàn)楝F(xiàn)代三維CAD技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造提供了強(qiáng)大的三維平臺(tái)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)不但可以替代繪圖工具，更是空間設(shè)計(jì)和思維的工具和手段。這些發(fā)展現(xiàn)狀要求以培養(yǎng)工程技術(shù)人員為己任的工科高等院校必須改革教學(xué)課程和教學(xué)模式，以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的需求。

《機(jī)械制圖》課程是工科院校機(jī)械類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。隨著現(xiàn)代制造業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，《機(jī)械制圖》課程已經(jīng)由過去的畫法幾何學(xué)與機(jī)械制圖傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容逐步發(fā)展為畫法幾何投影法、機(jī)械制圖及CAD制圖相輔相成的模式。因?yàn)闄C(jī)械類專業(yè)需要學(xué)生掌握現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的先進(jìn)手段和方法，所以制圖課程已經(jīng)不僅僅要求學(xué)生學(xué)會(huì)工程圖紙的繪制與閱讀，更需要學(xué)生具備三維造型設(shè)計(jì)的能力。因此，如何將三維造型設(shè)計(jì)和機(jī)械制圖有效地融合，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生掌握二維制圖表達(dá)能力的同時(shí)，提高創(chuàng)新思維和三維造型設(shè)計(jì)能力，是機(jī)械制圖教學(xué)改革面臨的主要任務(wù)。

1 制圖課程改革的現(xiàn)狀及特點(diǎn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助于一些三維軟件，如Inventor、Solidworks、UG、Pro-E、Catia等，可以進(jìn)行三維形體構(gòu)型、零部件裝配等三維設(shè)計(jì)和操作，學(xué)習(xí)這些三維軟件會(huì)在很大程度上增強(qiáng)學(xué)生的空間思維能力和三維造型設(shè)計(jì)能力。

許多高校引入三維CAD課程，提高學(xué)生空間構(gòu)型思維，在制圖課程教學(xué)改革方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。調(diào)查顯示，截止2008年，85%的學(xué)校開設(shè)了計(jì)算機(jī)繪圖課程，其中32%的學(xué)校開展了三維CAD教學(xué)，計(jì)算機(jī)繪圖課程必修與選修各占一半[1]。

三維造型設(shè)計(jì)與機(jī)械制圖的結(jié)合形式上大致分為四種形式：融入式、分段式、獨(dú)立式和CG主導(dǎo)式。融入式是將計(jì)算機(jī)三維軟件與傳統(tǒng)內(nèi)容密切協(xié)調(diào)，有機(jī)結(jié)合到各章節(jié)中講解；分段式是集中在一章或幾章中講授三維軟件的應(yīng)用；獨(dú)立式是單獨(dú)設(shè)立三維CAD課程，與制圖課程并列講授；CG主導(dǎo)式是以計(jì)算機(jī)課程為主線，將傳統(tǒng)內(nèi)容穿插進(jìn)去講授[2]。

大多數(shù)院校的教學(xué)模式是采用分段式和獨(dú)立式思路。用傳統(tǒng)教學(xué)方法完成制圖課程教學(xué)后，再花費(fèi)一些學(xué)時(shí)講授三維CAD軟件的使用，將兩部分課程簡(jiǎn)單疊加。這樣教學(xué)模式簡(jiǎn)潔方便，不用花費(fèi)太多教學(xué)以外的時(shí)間整合教學(xué)內(nèi)容，但是這種教學(xué)模式能保證原有制圖教學(xué)不受影響，卻沒有充分發(fā)揮三維CAD軟件在制圖課程教學(xué)中的應(yīng)有作用，很少能夠把學(xué)到的制圖知識(shí)和技能充分地運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中。CG主導(dǎo)式教學(xué)模式以計(jì)算機(jī)繪圖和輔助設(shè)計(jì)為主線和手段，將傳統(tǒng)制圖課程內(nèi)容穿插進(jìn)去學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，這種教學(xué)模式需要重新構(gòu)建課程和教學(xué)體系，主要應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)和以擴(kuò)大知識(shí)面為目標(biāo)的少學(xué)時(shí)基礎(chǔ)制圖課程的學(xué)習(xí)。

融入式教學(xué)模式根據(jù)制圖課程的不同階段引入相應(yīng)的CAD三維建模內(nèi)容，貫穿于制圖課程教學(xué)活動(dòng)的全過程，這種教學(xué)模式增強(qiáng)了學(xué)生的空間思維能力、三維形體與二維圖形之間的相互關(guān)系的理解，強(qiáng)化了零部件在形狀結(jié)構(gòu)上、連接配合上的直觀理解，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。融入式教學(xué)模式以利于制圖教學(xué)為準(zhǔn)則，以提高學(xué)生創(chuàng)新思維和培養(yǎng)學(xué)生三維造型設(shè)計(jì)能力為目的，是比較合理和有效的模式。

2 三維造型設(shè)計(jì)在《機(jī)械制圖》教學(xué)中應(yīng)用的具體措施

根據(jù)實(shí)際教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)，采用融入式的教學(xué)模式。

2.1 三維造型設(shè)計(jì)引入《機(jī)械制圖》課程教學(xué)的形式與時(shí)機(jī)

三維造型設(shè)計(jì)軟件選用Autodesk Inventor,該軟件是美國(guó)Autodesk公司于1999年底推出的中端三維參數(shù)化實(shí)體模擬軟件[3]。Inventor軟件界面友好、上手快、便于利用少學(xué)時(shí)掌握，教學(xué)上可以把有限學(xué)時(shí)用于培養(yǎng)學(xué)生利用軟件分析問題和解決問題的能力以及進(jìn)行三維形體造型設(shè)計(jì)的思路上。三維造型設(shè)計(jì)教學(xué)穿插在《機(jī)械制圖》教學(xué)中進(jìn)行，讓三維造型設(shè)計(jì)內(nèi)容與制圖課程內(nèi)容密切融合，相輔相成。

三維造型設(shè)計(jì)內(nèi)容引入制圖課程的時(shí)機(jī)是比較關(guān)鍵的。制圖課程開始講授立體部分時(shí)，引入三維造型設(shè)計(jì)內(nèi)容，在制圖課程講授組合體時(shí)，把三維造型設(shè)計(jì)的各個(gè)方法講解透徹。利用三維軟件Inventor進(jìn)行三維造型的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣等方法引導(dǎo)學(xué)生掌握制圖課程中基本立體的概念和形成過程，通過Inventor軟件中三維造型所采用形體布爾運(yùn)算的和、差、交等運(yùn)算方法，講授機(jī)械制圖中組合體的疊加型、挖切型、綜合型構(gòu)成方式。這樣在學(xué)生掌握了制圖課程內(nèi)容的過程中逐漸理解三維造型的實(shí)質(zhì)意義。這個(gè)教學(xué)階段是引入三維造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵時(shí)機(jī)。

2.2 三維造型設(shè)計(jì)與《機(jī)械制圖》課程內(nèi)容的融合

融入式教學(xué)模式需要把三維造型設(shè)計(jì)與機(jī)械制圖課程的教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合在一起同時(shí)講授，這樣就需要適當(dāng)整合編排教學(xué)內(nèi)容各環(huán)節(jié)。具體教學(xué)內(nèi)容分幾個(gè)部分進(jìn)行：

三維CAD軟件的基礎(chǔ)與制圖基本知識(shí)教學(xué)結(jié)合。Inventor軟件基礎(chǔ)操作（如界面、各項(xiàng)設(shè)置、草圖技術(shù)、二維草圖的繪制等）的講授安排在機(jī)械制圖課程基本立體內(nèi)容之前 （即是講授制圖基本知識(shí)和技能，點(diǎn)、直線、平面投影特性部分時(shí)）進(jìn)行，使學(xué)生初步掌握Inventor的基本操作，為后面三維造型操作的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

三維造型設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單特征創(chuàng)建與機(jī)械制圖的基本立體教學(xué)結(jié)合。在講授機(jī)械制圖基本立體時(shí)，引入三維造型基本建模部分（簡(jiǎn)單特征的創(chuàng)建）的內(nèi)容。Inventor軟件中基本立體的建模功能與機(jī)械制圖中基本立體及其形成過程的概念是吻合的，都是基本要素經(jīng)過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和放樣，形成基本立體結(jié)構(gòu)。這樣學(xué)生能準(zhǔn)確抓住基本形體的特征，為后面復(fù)雜形體和三維造型的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

三維造型設(shè)計(jì)復(fù)雜特征創(chuàng)建及編輯與機(jī)械制圖的組合體教學(xué)結(jié)合。機(jī)械制圖的組合體部分是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生對(duì)組合體中的一些交線的產(chǎn)生和畫法理解比較困難，是由于缺乏形象思維和空間概念。組合體的分析方法主要是形體分析法，這和Inventor軟件中三維造型采用的布爾運(yùn)算的和、差、交等方法以及復(fù)雜特征的創(chuàng)建是吻合的。組合體正是運(yùn)用疊加、挖切等分析方法分析各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在這一部分講解過程中穿插學(xué)習(xí)Inventor三維造型的各種方法手段，把兩部分融合在一起講解，能夠讓學(xué)生透徹理解各種復(fù)雜立體的結(jié)構(gòu)和形成過程，提高學(xué)生的畫圖和讀圖能力，同時(shí)讓學(xué)生自己上機(jī)操作進(jìn)行三維建模，學(xué)會(huì)組合體的三維造型設(shè)計(jì)，可謂一舉兩得。

三維造型設(shè)計(jì)的參數(shù)化與機(jī)械制圖的尺寸標(biāo)注教學(xué)結(jié)合。機(jī)械制圖中尺寸標(biāo)注部分是非常重要的內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生對(duì)尺寸標(biāo)注的掌握一直不理想，因?yàn)閷W(xué)生沒有生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也沒有掌握制造行業(yè)的工藝知識(shí)，因而不能夠深入理解尺寸標(biāo)注的真正意義。在使用Inventor軟件進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)化造型設(shè)計(jì)是軟件建模的理念，各個(gè)草圖的約束是必不可少的。草圖約束分為幾何約束和尺寸約束，軟件正是以此來準(zhǔn)確繪制各個(gè)草圖，進(jìn)而精確完成三維建模造型。幾何約束和尺寸約束正好和機(jī)械制圖中定位和定形尺寸標(biāo)注對(duì)應(yīng)，學(xué)生在進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)中需通過建立草圖約束，完成草圖的參數(shù)化，做到模型的參數(shù)化關(guān)聯(lián)，這些恰好可以幫助學(xué)生明確機(jī)械制圖中各種形體和零件在二維視圖中尺寸標(biāo)注的意義，還可以幫助學(xué)生深入理解和掌握尺寸標(biāo)注的國(guó)標(biāo)規(guī)定。

三維造型設(shè)計(jì)的工程圖與機(jī)械制圖的表達(dá)方法教學(xué)結(jié)合。工程圖比三維實(shí)體更易于表現(xiàn)細(xì)節(jié)和各種標(biāo)注，易于指導(dǎo)生產(chǎn)。Inventor軟件具有良好的工程圖功能，把這部分內(nèi)容與機(jī)械制圖的表達(dá)方法章節(jié)結(jié)合教學(xué)，可以使學(xué)生明確各種表達(dá)方法的畫法和有關(guān)規(guī)定，還可以讓學(xué)生運(yùn)用三維軟件的工程圖功能遵照制圖表達(dá)的規(guī)則生成、編輯和繪制出所需的工程圖，表達(dá)正確、準(zhǔn)確。在Inventor軟件工程圖紙模塊中，可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建形體的基本視圖、斜視圖、局部視圖及剖視圖，在工程圖環(huán)境下進(jìn)入草圖模式對(duì)工程圖進(jìn)行修改和編輯，以符合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

三維造型設(shè)計(jì)和部件的裝配與機(jī)械制圖的零件圖和裝配圖教學(xué)結(jié)合。使用三維造型設(shè)計(jì)可以完成各種虛擬零件的三維建模，還可以利用Inventor軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)零件庫和使用iPart功能制作常用件庫，可以賦予模型尺寸公差和各個(gè)物理特性（如零件的材料等），使之成為“真正”意義的零件。使用Inventor軟件的裝配功能檢驗(yàn)零件結(jié)構(gòu)的合理性和準(zhǔn)確性，借助軟件的表達(dá)視圖功能可以實(shí)現(xiàn)裝配體的裝配過程和內(nèi)部構(gòu)造的演示，使用軟件的動(dòng)畫功能觀察裝配體的工作原理和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，查看設(shè)計(jì)結(jié)果……這些都是用傳統(tǒng)教學(xué)模式單純繪制零件圖和裝配圖不能實(shí)現(xiàn)的。通過學(xué)生自己動(dòng)手完成機(jī)械制圖課程所要求的零件圖和裝配圖對(duì)應(yīng)的三維虛擬模型的創(chuàng)建，使學(xué)生明確自己所畫零件圖和裝配圖對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體，檢查圖紙的正確與錯(cuò)誤，能夠帶給學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握零件圖、裝配圖的成就感，并且理解和初步掌握先進(jìn)的三維造型設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié)束語

把三維造型設(shè)計(jì)融入到《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中，改革教學(xué)模式，不但能提高學(xué)生繪制和閱讀工程圖的能力，而且使學(xué)生初步掌握了三維造型設(shè)計(jì)的能力，適應(yīng)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和制造一體化的需要，符合我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展?fàn)顩r。三維設(shè)計(jì)是制造業(yè)信息化技術(shù)逐步發(fā)展的必然方向，如何適應(yīng)發(fā)展的需求是高校教育所思考的問題，文中闡述的教學(xué)模式是對(duì)《機(jī)械制圖》課程教學(xué)改革的一種嘗試，還須在今后的實(shí)踐中不斷完善，為制圖課程教學(xué)改革提供一定的理論和實(shí)踐的參考。

［1］焦永和，張彤，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］陳錦昌.論本科工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求的修訂[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25（3）：101-105.

［3］胡仁喜，康士廷，劉昌麗，等.Autodesk Inventor Professional 2012中文版從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：2-14.