SolidWorks軟件在計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用與探索

王 琛， 張佳音， 鄭泠汐

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

SolidWorks軟件是一款功能強(qiáng)大、組件豐富的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，其強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理融為一體[1]。因此，無論在產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，還是在高校課堂里，SolidWorks軟件都有廣泛應(yīng)用[2]。學(xué)習(xí)SolidWorks軟件對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生而言，是職業(yè)技能積累的開始[3]。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，相關(guān)高校均開設(shè)了《計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)》等三維設(shè)計(jì)課程，其目的就是通過系統(tǒng)的課程教學(xué)，使學(xué)生掌握三維建模方法，培養(yǎng)三維建模思維，理解在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理的相互融合，并能夠在學(xué)習(xí)和工作中進(jìn)行靈活應(yīng)用。

1 SolidWorks軟件教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程是針對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)設(shè)置的必修課程，但在實(shí)際教學(xué)過程中，出現(xiàn)了“重造型、輕參數(shù)化”的問題[4]。其主要原因與授課老師自身熟悉的軟件相關(guān)，部分老師因?yàn)殚L期使用造型設(shè)計(jì)軟件，例如Rhino犀牛軟件，所以在實(shí)際教學(xué)過程中輕視了“參數(shù)化”教學(xué)[5]。

Rhino軟件偏向產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，Rhino體積小巧，其全面、強(qiáng)大的曲面建模能力，使得它能非常順利地完成各種形態(tài)的產(chǎn)品造型[6]。但是Rhino軟件無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，更無法在軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的聯(lián)動(dòng)[7]。而SolidWorks軟件更加注重參數(shù)化在設(shè)計(jì)中的重要性，在表現(xiàn)外形的同時(shí)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能仿真、力學(xué)分析、工程圖等方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面評(píng)估[8]。因此，在現(xiàn)有教學(xué)現(xiàn)狀下，需要更好地安排課程結(jié)構(gòu)，將造型設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)課時(shí)進(jìn)行合理分配，突出建模思維訓(xùn)練，使學(xué)生更好地理解造型設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢[9]。在熟悉軟件操作的基礎(chǔ)上，充分領(lǐng)悟軟件的內(nèi)涵，并能夠在學(xué)習(xí)和工作中進(jìn)行靈活切換[10]。

2 SolidWorks軟件教學(xué)探索

在現(xiàn)有教學(xué)條件下，發(fā)揮SolidWorks軟件易于上手的特點(diǎn)。本文從三個(gè)方面探索SolidWorks軟件教學(xué)的方法。

2.1 線體結(jié)合

“線體結(jié)合”即曲線和實(shí)體的結(jié)合，任何一種三維建模軟件生成實(shí)體模型的一般步驟都是由線構(gòu)成面、面構(gòu)成體，或者直接由線構(gòu)成體[11]。區(qū)別于一般Nurbs造型設(shè)計(jì)軟件，SolidWorks軟件建模的一般思路為直接由線構(gòu)成體[12]，即直接由草圖曲線繪制實(shí)體。因此，曲線和實(shí)體的結(jié)合是SolidWorks軟件教學(xué)的基礎(chǔ)，曲線包含了草圖曲線和三維空間曲線，其中草圖曲線是SolidWorks軟件教學(xué)的第一步，正確且高效率繪制草圖曲線是SolidWorks軟件必修的基本功[13]。SolidWorks軟件教學(xué)的第一個(gè)重點(diǎn)，就是在草圖模塊下熟練繪制曲線。繪制草圖的要求是，草圖中的所有曲線閉合且全約束。若曲線沒有實(shí)現(xiàn)閉合，則生成不了實(shí)體[14]。若曲線沒有實(shí)現(xiàn)全約束，則無法進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和修改。因此，在SolidWorks軟件教學(xué)時(shí)要狠抓基本功，多加案例，由簡入繁，進(jìn)行草圖繪制訓(xùn)練，以達(dá)到熟能生巧的程度。

2.2 線面結(jié)合

“線面結(jié)合”即曲線和曲面的結(jié)合，和主流的三維設(shè)計(jì)軟件相同，SolidWorks軟件具有強(qiáng)大的曲面造型功能。SolidWorks曲面造型設(shè)計(jì)的一般步驟是先繪制曲線，再由曲線生成曲面。SolidWorks中的曲線，包含了平面草圖曲線和空間自由曲線[15]。前者是在指定平面內(nèi)繪制的曲線，后者是在空間中通過多重定位點(diǎn)來繪制的曲線。和Rhino等三維設(shè)計(jì)軟件不同，Rhino軟件中的曲線繪制更加自由，可以不用通過點(diǎn)來繪制，其實(shí)質(zhì)是不用通過參數(shù)來限定曲線[16]。而SolidWorks軟件中的曲線，無論是平面草圖曲線或空間自由曲線，都是基于有參數(shù)限定的點(diǎn)或線而繪制的，即通過參數(shù)來限定曲線，實(shí)現(xiàn)曲面的參數(shù)化設(shè)計(jì)?！熬€面結(jié)合”的學(xué)習(xí)是SolidWorks軟件教學(xué)的第二個(gè)重點(diǎn)，“線面結(jié)合”的學(xué)習(xí)有兩個(gè)層次，第一層次，繪制一個(gè)或多個(gè)平面草圖曲線，并由一個(gè)或多重平面草圖曲線通過曲面生成命令直接得到曲面[17]。第二層次，混合平面草圖曲線和空間自由曲線來繪制曲面，以生成混合多種曲線形式的復(fù)雜曲面。與某些自由曲面軟件不同，SolidWorks軟件中由曲線繪制的曲面是由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的，對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，曲面也隨之改動(dòng)，并可關(guān)聯(lián)至裝配和工程圖等后續(xù)模塊中[18]。因此，“線面結(jié)合”的學(xué)習(xí)，要從繪制好曲線開始，高質(zhì)量的曲線是成功的一半。

2.3 曲實(shí)結(jié)合

“曲實(shí)結(jié)合”即曲面和實(shí)體的結(jié)合，SolidWorks軟件各個(gè)模塊具有極高的兼容性和轉(zhuǎn)換性。兼容性指的是在SolidWorks軟件中，實(shí)體可以和曲面結(jié)合，實(shí)體模塊下繪制的模型也可以和曲面模塊下繪制的模型裝配在一起[19]。轉(zhuǎn)換性指的是在SolidWorks軟件中，實(shí)體可以和曲面相互轉(zhuǎn)換，曲面加厚或縫合便可成為實(shí)體，實(shí)體抽殼便可成為曲面。“曲實(shí)結(jié)合”的學(xué)習(xí)是SolidWorks軟件教學(xué)的第三個(gè)重點(diǎn)[20]，以繪制歐式臺(tái)燈為例，歐式臺(tái)燈一般由三部分組成：燈罩、燈座和燈泡。其中，燈罩需要通過“線面結(jié)合”進(jìn)行繪制，再通過混合平面草圖曲線和空間自由曲線來繪制燈罩曲面，并通過加厚功能實(shí)現(xiàn)曲面向?qū)嶓w的轉(zhuǎn)換。燈座使用多重平面草圖曲線生成曲面，并通過縫合功能實(shí)現(xiàn)曲面向?qū)嶓w的轉(zhuǎn)換。燈泡直接由“線體結(jié)合”進(jìn)行繪制，繪制燈泡的外圍輪廓草圖和中心軸，沿中心軸旋轉(zhuǎn)得到燈泡實(shí)體。由“線面結(jié)合”建模的燈罩、燈座和由“線體結(jié)合”建模的燈泡最終在SolidWorks軟件裝配模塊中裝配一致，實(shí)現(xiàn)了“曲實(shí)結(jié)合”，凸顯了SolidWorks軟件曲面和實(shí)體結(jié)合互通的優(yōu)勢。

3 小結(jié)

SolidWorks軟件偏向產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)管理融為一體。SolidWorks軟件的教與學(xué)過程是一個(gè)循序漸進(jìn)過程，每一步都環(huán)環(huán)相扣。本文分析了現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的問題，發(fā)揮SolidWorks建模軟件的自身優(yōu)勢。在現(xiàn)有的教學(xué)應(yīng)用條件下，探索SolidWorks軟件教學(xué)方法，以符合現(xiàn)階段設(shè)計(jì)發(fā)展需要，達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)要求，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)設(shè)計(jì)類人才具有現(xiàn)實(shí)意義。