采用三维_CAD_软件的工程图学教学实践

收稿日期：2006-01-06 作者简介：康 兰（1965-） ，女，青海湟中人，副教授，主要研究方向为工程图学，计算机图形学，计算机辅助设计。 1 三维 CAD 软件对工程图学教学 的影响 随着计算机技术的发展，尤其是 CAD 技术 的发展及在工程设计中的应用，对产品的设计开 发产生了巨大的影响。在传统的产品设计制造过 程中，表达产品信息的媒体是工程图纸，在以计 算机为基础的现代设计制造系统中，表达产品信 息的媒体是数据。产品建模就是利用计算机生成 产品数据的过程，近年来产品建模技术得到了迅 速的发展，经历了从二维模型、三维线框模型、 20072007 年 工 程 图 学 学 报 20072007 第 6 6 期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.6 采用三维 CAD 软件的工程图学教学实践 康 兰 （河海大学常州校区机电工程学院，江苏 常州 213022） 摘 要：随着三维 CAD 软件的发展及广泛应用，传统工程图学已发生了深刻的变 化，现代工程图学学科已与工程设计有机地联系在一起。在此新形势下，提出在工程图学的 教学中， 将 CAI 课件与三维 CAD 软件相结合， 一方面培养学生发散性和创造性思维的能力， 另一方面， 以设计为主线将各部分教学内容紧密联系在一起， 潜移默化中启发学生从设计的 角度来分析问题和解决问题。 关 键 词：工程图学；教学改革；三维 CAD 教学； 设计图学 中图分类号：TP 391 文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2007)06-0152-05 Practice of Engineering Graphics Teaching Based on 3D CAD Software KANG Lan ( College of Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University, Changzhou Jiangsu 213022, China ) Abstract: With the development and wide application of 3D CAD software, the traditional engineering graphics has changed into modern engineering graphics which is tied up with engineering design. Under this new situation, a teaching method which combines CAI courseware with 3D CAD software is put forward with the purpose to cultivate students divergent and creative thinking, to make the teaching contents more closed to design, and to inspire students to analyze and solve the problems from the point of design view. Key words: engineering graphics; teaching reform; 3D CAD teaching; design graphics 曲面模型、实体模型、特征模型、产品模型到最 新的生物模型的过程1。从而使得设计的手段发 生了根本性的变化，有关设计方面的新理念、新 方法、新技术不断涌现，CAD 技术已和协同设 计、并行设计、虚拟设计、产品数据管理等紧密 联系在一起。三维特征模型、因不仅包括产品形 状和尺寸等几何信息，还可包括分析、加工、材 料、特性等非几何信息，从而可将产品的设计、 分析与制造连接在一起，实现设计与制造的一体 化，因而在工程中得到了广泛的应用，而传统的 二维工程图可由特征模型自动生成。 以上这些都给工程图学的教学带来了挑战， 传统意义上的工程图学已发生了深刻的变化，现 代工程图学学科已与工程设计有机地联系在一 起2。从近年来社会对高校人才的需求看，要求 学生不仅具备应用计算机进行二维设计绘图的 基本能力，还应有较强的利用计算机进行三维工 程设计分析的能力。在此新形势下，近年来，各 高校对工程图学课程的教学内容、教学体系、教 学手段等多方面进行了改革36，取得了显著的 成果，尤其是在计算机辅助教学方面开发出了许 多优秀的 CAI 课件。 目前， 在工程图学的教学中， 如何将 CAI 课件与三维 CAD 设计软件相结合， 使教学与工程需要紧密联系在一起，同时反映学 科发展的最新动态，是每位图学工作者需要思考 和研究的问题。 目前， 许多商品化的三维 CAD 软件， 如 UG， CAXA, CATIA, SolidWorks, IDEAS, Pro/ Engineering（以下简称 Pro/E）等中，已将上述 的特征建模技术等最新的设计思想及研究成果 融入其中，这些软件在实际工程中的应用为工程 图学的教学提供了一很好的平台。教师若能应用 三维 CAD 设计软件，并与传统的 CAI 课件有机 地结合起来，逐步引导学生首先从三维设计的角 度来分析问题，更直接、更真实地增强学生的空 间概念，在此基础上一步步地讲解二维作图的过 程，使得教学过程生动有趣，充分调动学生学习 的积极性和主动性，还可使学生对三维设计软件 有一直观的、真实的体验和了解，为后续专业课 程的学习及以后的就业打好基础。 2 三维 CAD 软件在工程图学教学 中的应用 2.1 从基本体到组合体的形体构形 工程图学是一门实践性较强的课程，其目的 是培养学生读图与绘图的能力，使学生在二维投 影图与空间物体之间建立联系，在平面与空间之 间能应变自如。因此，如何培养学生的空间想象 力和构思能力，一直是贯穿于制图教学全过程的 一关键问题，其中组合体部分的内容在课程教学 中起着一承上启下的作用，是培养学生形象思维 能力的关键。在组合体部分，若利用三维 CAD 软件的造型功能强化组合体形体构形的讲解，增 加学生的感性认识，对制图教学会起到事半功倍 的作用。 由于现在开发的各种 CAI 课件， 无论是以何 种形式来展现教学内容，其内容是上课前已设计 好的，课堂教学中学生实际上仍然在被动地接受 同一模式和同一水平的教学，在组合体构形内容 的讲解中，当学生在听课过程中有不同的反映 时，课件不能针对个别同学作出相应的应答。因 此，在教学实践中，将课件与 Pro/E 相结合，通 过课件讲授基本内容，以 Pro/E 作为实现以“学 生为中心”的个别化教学平台，具体从以下几个 方面进行讨论。 （1） 从基本体的形成出发 在讲基本体三视图时，先通过课件中制作好 的立体模型来认识各基本立体，然后以 Pro/E 为 平台，从特征面的角度出发，和同学共同讨论各 基本立体的构形问题，以圆柱体形成为例，以以 下问题作为讨论的主题：以什么形状的平面图形 （特征面）经过怎样的变换可得到一圆柱体？将 讨论的设计过程及结果通过 Pro/E 中进行建模操 作，得到实时的、直观的体现，如图 1 所示。 在此引入三维特征设计软件中的拉伸、旋 转、 扫描等立体构形方法， 来描述基本体的形成， 并进一步引导学生思考其它一些封闭的平面图 形（特征面） ，用以上构形方法得到的空间立体 的形状，这样不仅有利于学生创造性和发散性思 维能力的培养，也有利于后面三视图中形体的表 达与识别，因为三视图中，经过拉伸、扫描得到 第 6 期 康 兰：采用三维 CAD 软件的工程图学教学实践 153 的立体，其三视图中，一个视图是封闭的线框， 该线框反映形体构形时的特征面，以该特征面的 封闭线框图形为基础，设想增加一拉伸或扫描的 厚度，即可想象出物体的空间形状。经过旋转得 到的立体，其三视图中，一个视图是单个或多个 的同心圆，其它视图是包含了旋转特征面的全等 图形。 图 1 圆柱体构形 （2） 相贯线和截交线 在讨论两回转体相贯中，两回转体轴线相对 位置和直径变化对相贯线的影响时，利用 Pro/E 的参数化功能，通过各参数的改变实时地、动态 地从任意角度可观察相贯线的变化，并通过改变 不同的观察视角这一简单的方法，观察二维视图 (Front、Right、Top)中相贯线的变化，这一系列 的教学过程教师在课堂中只需要几分种即可完 成，而且这些改变都可根据学生的课堂反映和要 求随堂进行，在其它软件上制作的动画文件从教 学的灵活性及效果看都无法与其相比。对多形体 相贯同样可改变有关的定形尺寸和定位尺寸，观 察相贯线的变化。应用相同的方法，通过对基本 立体进行挖切操作，并改变有关参数，观察截交 线的空间变化，用 reorient view 来分别观察三视 图中投影的变化，或在 drawing 模块中投影得到 三视图，实现实时的由空间到平面的转换。经过 以上空间与平面的对比观察， 再结合 CAI 课件中 平面作图过程的分析讲解，截交、相贯这个教学 中的难点和重点问题就迎刃而解了。 （3） 组合体的构形及尺寸标注 组合体形体构形主要用于习题课讨论中。组 合体的构形是一由整体到局部，逐步细化的过 程，构形时不用注重立体的大小，主要是形状， Pro/E 的参数化功能可将这一从整体到局部的构 思细化过程迅速在课堂中得到实现，每进行一步 构形设计，老师都问学生需要知道哪些尺寸时才 能得到这些细部结构以及尺寸的基准，如果多 标、 少标或标注不合理时， 系统会自动给予提示， 由于三维立体在设计时其对称中心面、中心线等 基准真实地显示在模型上，非常容易理解，通过 对三维模型中定形尺寸、定位尺寸、尺寸基准的 认识，并进一步将这些信息映射到二维视图中， 以前尺寸标注，由于学生没有设计经验，组合体 尺寸标注是一教学的难点，通过从三维模型设计 的角度引入尺寸标注的有关概念，学生容易理 解。若三维模型的各定形尺寸和定位尺寸设计不 合理，或基准选择不正确时，可能会导致尺寸无 法驱动模型，或者驱动后的模型结构形状与原设 计不符，由此启发学生在三视图中标注尺寸时应 从设计的角度来考虑问题，不像以前仅靠课堂讲 解的一些标注尺寸时的原则、方法来标注，在潜 移默化中培养了学生的设计能力。 较简单形体的构形可在课堂完成，复杂形体 可课前做好，课堂用 model player 一步步自主控 制播放每一特征的形成过程，即立体的构形过 程，或在已建模型的基础上，根据学生课堂对立 体形状的不同理解，重新定义修改有关的特征， 得到不同的模型，对不同模型进行对比分析，同 样能实现所想即所得的效果。 2.2 机件的表达方法 该部分基本内容的讲解通过 CAI 课件来完 成，在综合应用举例中，课前选 1 至 2 个典型机 件，综合应用各种表达方法，完成其三维建模， 并由三维物体经过投影直接得到二维平面图，将 二维平面图输出为 AutoCAD 图形文件，讲课时 同时打开三维模型及二维平面图，空间与平面相 结合进行分析，将三维模型的各剖切特征隐藏， 这样上课时通过各隐藏特征的重新显示，一步步 讲解对机件剖切的过程，尤其是局部剖视、断面 剖，在以往的学习中，学生对二维视图中剖切位 置的空间理解、断裂线的画法等较难掌握，通过 与 Pro/E 相结合， 使学生从空间更直观、 更形象、 更全面地理解各种剖切方法，并通过对二维视图 的分析，使机件与二维视图之间建立起有机的联 特征面 沿圆平面法线方向拉伸 特征面 矩形绕其边旋转 360 特征面 沿圆平面法线扫描 154 工 程 图 学 学 报 2007 年 系。 2.3 常用件和标准件 该部分基本内容的讲解通过 CAI 课件来完 成，由于常用件和标准件在结构、尺寸等各个方 面都已部分或全部标准化了，因此可利用 Pro/E 的 Program 程序与族表（Family Table）相结合， 制作常用件及标准件库7，使用时只要输入这些 常用件和标准件的几个基本几何参数，如齿轮模 数、齿数、宽度，模型即可重新生成，其它参数 是通过关系表达式与基本几何参数相关联的，即 由基本几何参数驱动其它参数。轴承只需选择轴 承类型及代号，三维模型就自动生成，通过参数 化模型的生成演示，使学生体会到制图不仅仅是 解决二维绘图的问题，更重要的是要将绘图与设 计联系在一起。 2.4 零件图和装配图 在零件图和装配图内容讲解中，同样以 Pro/E 为平台将这两部分内容贯穿起来，选择一 典型部件，从每一零件开始逐一在课前 part 模块 中建好各零件的三维模型，并在 drawing 模块中 生成零件图，尽管 Pro/E 中二维工程图自动生成 较简单，但要使所生成的工程图符合我国机械制 图标准的要求，尤其是尺寸标注及技术要求的标 注，还需要作一些复杂的、细节性的修改工作， 一般将生成的二维工程图输出为 AutoCAD 图形 文件，并在 AutoCAD 中进行一些修改，讲课时 同时打开 Pro/E 三维模型和 AutoCAD 二维图形 文件，从三维到二维进行零件功能结构、工艺结 构、零件图表达方案的选择、尺寸标注及有关技 术要求的分析。 由于 Pro/E 完成三维装配的过程非常简单方 便， 只要给出零件间的装配约束关系即可， 因此， 部件的装配过程可在课堂中直接完成，也可课前 完成，课堂中用 model player 将装配过程进行自 主播放，通过各零件的装配操作，实时观察分析 各零件间的装配定位关系，逐步细化对部件的认 识。还可在装配环境下，直接打开装配模型树中 的每一零件的模型，详细分析零件的结构特点及 建模过程，从而对每一零件的结构形状有一清楚 的了解。然后再结合装配图，进行读图及绘图方 面的进一步分析讲解。二维装配图可在 drawing 模块中由三维进行投影自动生成，并输出为 AutoCAD 图形文件。 课堂中将 Pro/E 中的三维部 件与 AutoCAD 中的装配图相结合，采用以上由 整体到局部，由三维到二维的分析方法，进行装 配图部分的讲解，并根据学生课堂理解反映情 况，可一直到组成部件的各零件及其形状特征的 分析。 如图 2 所示是以 Pro/E 为平台，设计制作的 用于该部分内容讲解的圆柱齿轮减速器部件的 三维爆炸图。 图 2 齿轮减速器三维爆炸图 3 结 论 通过以上传统 CAI 课件与 Pro/E 辅助教学相 结合，使工程图学的教学与学科发展的前沿相结 合，教学的方法、手段、内容能反映学科的一些 最新发展方向。而且课堂与一模型车间一样，设 计者和制作者都是学生，老师只是学生制作模型 的“手” ，Pro/E 是制作模型的“工具”而已，此 时 Pro/E 就像网上聊天室一样，不同的观点和声 音在这里实时得到展示，这一方面促进了学生多 角度思维的融合，培养学生发散性和创造性思维 的能力，更重要的是真正调动了学生学习的主动 性和积极性，学习变成了一种人人动脑筋、人人 参与的玩“积木”和“魔方”的游戏。同时在教 学过程中，以设计为主线将各部分内容紧密联系 在一起，潜移默化中启发学生不仅仅从绘图的角 度，而应该从设计的角度来分析问题和解决问 题。 从教学实践看，在以上教学过程中教师应把 握好以下几点： CAI 课件是传授教学内容的 主要载体，Pro/E 在教学过程