三維CAD動(dòng)態(tài)建模輔助工程制圖教學(xué)的方法

吳擎　楊揚(yáng)　夏俊芳　劉梅英

[摘 要]三維動(dòng)態(tài)建模輔助工程制圖教學(xué)實(shí)踐的方法是通過組合體投影、組合體形體分析等內(nèi)容與三維動(dòng)態(tài)建模的多視角、草圖建模、參數(shù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，使得投影規(guī)律、組合體的畫圖和讀圖等內(nèi)容直觀化、動(dòng)態(tài)化，符合學(xué)生的認(rèn)知思維。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)方法是行之有效的，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，增強(qiáng)學(xué)生的空間想象力和空間思維能力，培養(yǎng)畫圖和讀圖能力。

[關(guān)鍵詞]工程制圖 三維CAD動(dòng)態(tài)建模 動(dòng)態(tài)輔助

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）09-0161-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像算法的快速發(fā)展，將二維、三維CAD融入工程制圖課程的教學(xué)改革逐漸受到廣泛關(guān)注。[1]國外一些大學(xué)也正嘗試無紙化教學(xué)，將三維造型和計(jì)算機(jī)繪圖直接引入工程制圖課程。國內(nèi)一些大學(xué)在工程制圖教學(xué)中也嘗試引入三維CAD軟件，具體體現(xiàn)在：王建華等系統(tǒng)論述了三維建模入手的工程制圖教學(xué)改革方案；[2]張京英等對(duì)比和論述了不同的三維CAD教學(xué)模式；[3]張淑艷等介紹了三維CAD輔助工程制圖教學(xué)的方法；[4]同時(shí)《畫法幾何及機(jī)械制圖》等教材也在書中前面章節(jié)首先簡單介紹了三維CAD軟件，將計(jì)算機(jī)三維造型的內(nèi)容與二維繪圖一樣，融合到教學(xué)的全過程中，成為全書的主線，以便輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。[5]

本文主要研究三維CAD動(dòng)態(tài)建模在工程制圖教學(xué)中與知識(shí)點(diǎn)的融合和應(yīng)用，采用動(dòng)態(tài)建模過程在視圖投影、相貫線、組合體畫法和組合體讀圖等幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)來闡述這一方法，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的構(gòu)型思維，加速了學(xué)生在三維和二維之間的思維轉(zhuǎn)換效率，教學(xué)效果良好。

一、動(dòng)態(tài)多角度觀測物體與視圖直觀建立

如圖1（a）所示為一幾何形體在投影面系中投影的過程，其中藍(lán)色的為物體，白色線框圍成的為投影面系，選擇任何一投影面時(shí)，可以直接將物體投影至該投影面，形成視圖，使學(xué)生直觀感受投影視圖的生成。圖1（b）采用三維圖形選擇四視圖模式，采用三維軟件一步形成主視、俯視、左視和正等軸測圖，當(dāng)從正等軸測視圖上選取形體上任意點(diǎn)、線、面，并高亮表示時(shí)，都可以看到其他視圖中也隨即高亮顯示，以此幫助學(xué)生建立空間概念，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)“長對(duì)正，高平齊，寬相等”的理解。

二、組合體動(dòng)態(tài)畫圖和讀圖模型

如圖2所示的組合體由底板、圓柱、肋板組成。組合體造型過程和投影視圖的變化如圖所示，圖中給出了三維模型隨著基本體增加，相應(yīng)視圖發(fā)生變化的情景。其中第一幅是底板，可由草圖拉伸成型；圓柱由繞旋轉(zhuǎn)軸的草圖旋轉(zhuǎn)成型；肋板由草圖拉伸成型。從圖中可以清楚地分析出輪廓線和內(nèi)部線框的投影，即輪廓線為最外圍，內(nèi)部線框是由其他特征在輪廓線內(nèi)進(jìn)行的切割、凸起等操作形成，按照投影關(guān)系動(dòng)態(tài)演示形成組合體的各個(gè)基本體的視圖，明確了畫圖的順序。

三、相貫線變化動(dòng)態(tài)觀測

圖3所示的是圓柱與圓錐相貫時(shí)，圓柱直徑尺寸變化引起的相貫線變化的典型特征。用來說明表面性質(zhì)和相對(duì)位置相同而尺寸不同時(shí)對(duì)相貫線的影響。建模采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式將這一過程動(dòng)態(tài)化，直觀的幫助學(xué)生理解這一演化過程，便于掌握相貫線畫法。

四、剖切面表達(dá)剖視圖形成

圖4給出了一個(gè)典型的軸類零件的三維模型動(dòng)態(tài)顯示過程。此軸類零件主體由5部分構(gòu)成，其中兩端和中部都開有鍵槽。圖4（a）是完整的三鍵槽軸模型，圖（b）-（d）是平行于軸端面的截面沿著軸線分別對(duì)三個(gè)鍵槽進(jìn)行截切。這樣可以清楚的看清截面與零件體的結(jié)交線，分析出其輪廓形狀，便于學(xué)生理解。

五、結(jié)束語

在工程制圖課程的教學(xué)當(dāng)中，首先需要解決三維立體物體投影二維的問題，即繪圖的“空間-平面”的過程，再解決由“平面-空間”的讀圖過程。在課堂教學(xué)中，選擇性的采用三維CAD設(shè)計(jì)和造型，利用其動(dòng)態(tài)演示功能，多視角觀測，可以事半功倍的將傳統(tǒng)教學(xué)中抽象的概念明晰化，提高效率，再結(jié)合手工制圖，可以增強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)效果，降低了抽象的構(gòu)圖思維入門難度，可以顯著提高學(xué)生空間想象力，培養(yǎng)學(xué)生的圖形分析、圖像二維和三維轉(zhuǎn)換的能力。[6]

[ 注 釋 ]

[1] 童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學(xué)中引入三維幾何建模的情況綜述與思考[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2005（4）：130-135.

[2] 王建華，李曉民，楊莉，呂梅.由三維建模入手的工程制圖課教學(xué)改革實(shí)踐[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008（6）：123-126.

[3] 張京英，羅會(huì)甫，張彤，等.三維造型設(shè)計(jì)與工程圖學(xué)的有效融合[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：151-154.

[4] 張淑艷，雷光明，成彬，等.三維CAD輔助工程制圖教學(xué)的方法[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）.

[5] 常明著.畫法幾何及機(jī)械制圖（第4版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

[6] 陳彩萍，譚建榮.工程制圖CAI課件中學(xué)習(xí)情境的設(shè)計(jì)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）：138-142.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]