机械制图虚拟习题库设计一典型零件.doc

北京农业职业学院 机械制图虚拟习题库设计一典型零件北京农业职业学院清河分院毕 业 论 文机械制图虚拟习题库设计一典型零件论文（设计）题目：机械制图虚拟习题库设计一典型零件系别： 机电工程系 专业： 机械制造与自动化 班级： 高职机制0711 学生姓名（学号）： 蒋歌（ 16 ） 指导教师姓名： 闫蔚 论文完成日期： 2010 年 4 月 30 日【摘要】CAXA实体设计具有独特的可视化造型方法，独有的三维球等工具，非常适合机械制图的教学。在机械制图课程的教学中，将CAXA实体设计应用到形体分析、零件装配等。可以提高教学质量，增大课堂信息交流量，激发学生学习兴趣，有助于学生的空间想象力、创新能力的培养。CAXA实体设计可直接构建交互式教学平台，改变了传统的教学方式，使教学效果大大提高.讨论了机械制图虚拟模型库的作用以及它对教学改革的影响，并对Solid3000软件及基于该软件所建立的机械制图虚拟模型库特点及制作要领进行介绍【关键词】： CAXA实体设计 机械制图 教学 应用目 录引言 4一、机械制图典型零件三维实体模型库建立 5（一）取代传统的实物模型 5(二) 学生课下学习的助学型课件 5（三）作为实践性教学的素材库 5（四）机械制图虚拟模型库的建立 6二、CAXA实体设计在机械制图教学中应用举例 7（一）操作手柄的应用 7（二）三维球的应用 7（三）设计树的应用 8（四）利用动画功能观察运动情况 9（五）其它工具的应用 10三、在教学过程中应用CAXA实体设计技术 11（一）CAXA实体设计技术可以满足课堂教学模型演示需求 11（二）根据教学内容建立和运用CAXA模型库和图库 11（三）在教学过程中的应用CAXA实体设计的意义 12 结论14 致谢 15 参考文献 16 引言 机械制图是一门实践性较强的技术基础课。本课程的任务是使学生掌握机械制图的基础知识、基础投影理论和有关国家标准。机械制图课程着重培养学生识图能力及空间想象能力，使学生能看懂机械零件图和装配图。机械制图课程，从用实物模型辅助教学到利用CAI多媒体课件进行课堂教学，确实是一个很大的进步。但仅用图片或课件演示，重复地播放看似直观、明了，但学生总体反映这门课难学，老师认为这门课难教。因为用多媒体设备教学只是替代了原来的黑板，不能表达机械制图的思想，不能说明二维图形与三维零件的关系，不能说明机械图样中相关规定的由来，更无法引导学生的思路在三维空间与二维平面之间转换，也很难调动学生的学习兴趣。这些都是机械制图教学中长期存在的难题。作者认为如能直观地表达二维图形与三维实体的关联关系，赋予三维实体模型以机械属性，使数字三维模型成为实际机械零件，机械制图的学习将会变得相对简单。笔者认为在机械制图等课程的课堂教学中只要掌CAXA实体设计软件的简单操作方法，借助CAXA机械制图三维实体模型库，利用CAXA实体设计软件独特的可视化造型方法和三维球等工具，利用多媒体教学设备，不仅可以将“机械加工厂”搬到课堂中来，现场完成零件加工，零件拆装，图纸的生成。一、机械制图典型零件三维实体模型库建立（一）取代传统的实物模型 应用三维CXAX技术创建的机械制图虚拟模型库，可以利用光盘存储数量众多的模型，在使用中可以完全取代实物模型，从而消除了实物模型因体积和重量造成的携带不便的缺点。另一方面，传统的实物教学模型更新换代的速度慢并且不能够修改，而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要。机械制图虚拟模型库在教学中的应用完全可以避免传统教具的缺点，利用先进的三维CXAX技术创建地计算机模型不仅精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富，还能将复杂形体的外型与内腔、相贯体中相贯线的变化趋势、装配体中零件之间的连接关系充分地展示出来，加上动画效果，使教学中的知识难点更加清晰、生动、形象。利用计算机软件还可以方便地进行教学模型修改与新建，这样不仅能够及时补充符合新教学内容的模型，还可以针对不同的教学对象、教学要求调整现有的模型，充分满足了教学中对模型种类及数量的需要，达到降低教学成本，提高教学质量的目的。(二)学生课下学习的助学型课件 近几年来，由于同一班级生源质量的差异增加以及机械制图的授课时数不断减少，使得教师的课后辅导的难度增强。对于程度低一些的学生，如果辅导不够及时，他们一旦无法战胜学习中的困难，便退缩或放弃学习，并失去了对机械制图学习的兴趣。另一方面，在机械制图的学习过程中，阅读、分析、比较典型机械图样，对学生提高读图能力、开阔视野、积累经验、提高对机械零件的表达能力都有一定的帮助。机械制图虚拟模型库可以帮助学生理解学习中的难点、重点，充分体现以学生为主体的教学观念，学生还可以根据自己的学习方式和学习能力，进行自主性学习。 机械制图虚拟模型库可以载入网络，不受时空限制在网上进行传输。当学生在课后练习中遇到困难，可以通过校园网进入模型库主页，在库中找到所需要的模型，进行仔细观察，增强对实物的感官认识，辅助完成课后练习。另外，计算机模型库中收集了大量典型零、部件的三维模型与二维工程视图，采用了不同的表达方法，学生可以通过与自己所绘图形对比，来检验自己的读图能力和对机件的表达能力。计算机模型库可以改变传统教学的单调模式，有助于学生从被动学习变为主动学习，从而提高学习效率。（三）作为实践性教学的素材库 为了使机械类专业的学生，毕业后在生产第一线能胜任实际工作，必须在学校学习过程中加强实践能力的培养，实践性教学的目的就是使学生能够综合地应用所学的知识解决实际问题。 在科学技术迅猛发展的今天，计算机辅助教学已经成为机械制图课程中的一个重要组成部分，目前我校的六个多媒体教室的计算机中除了安装了二维绘图软件（AutoCAD、CAXA电子图板）外，还有三维绘图软件（Solid3000、3DMAX），并且每台计算机都可以方便地进入校园网和INTERNET，这就为机械制图实践性教学提供了必要的物质条件。过去的机械制图实践性教学，通常采用测量和拼装模型的方法进行，这样具有一定的局限性，一是要准备很多模型，因而占用较大的空间和较多的资金投入。二是模型的种类较少，因而限制了实践性教学的内容，影响了教学效果。利用三维CAD软件建立的参数化机械制图三维虚拟模型库，可以解决上述问题，成为机械制图实践性教学的素材库。在教学过程中，教师可以根据教学需要分组设计不同的教学任务，每组学生根据自己的教学任务要求，从素材库中调用零件模型，借助三维CAD软件提供的测量与装配功能进行零件测绘以及装配体的拼装，然后利用二维绘图软件进行零件图的绘制以及装配图的拼画。这种以虚拟制造环境为背景的教学模式，有利于激发学习者的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维深化与发展，增强了培养分析与工程能力的力度，开阔了学生的视野，极大提高了学习的趣味性与教学效率。（四）机械制图虚拟模型库的建立 机械制图虚拟模型库实际上是对实物模型进行计算机虚化处理，利用计算机软件及多媒体技术制作形象逼真的虚拟实体模型，取代传统实物模型的制作、管理和使用。机械制图虚拟模型库主要包括以下三个部分：（1）三维模型库；（2）二维视图表达库；（3）动画模拟仿真库（如图1所示）。三个部分相互关联、一一对应。机械制图虚拟模型库中主要选用Solid3000软件作为三维模型库、动画库和二维视图表达库的制作平台，选用MicrosoftFrontPage2000作为网页制作软件。下面主要将Solid2000软件及基于该软件所建立的机械制图虚拟模型库的制作要点进行简要介绍。二、 CAXA实体设计在机械制图教学中应用举例（一） 操作手柄的应用在CAXA实体设计软件中拖动操作手柄可直接改变实体的几何尺寸。当你选中一个标准零件并进入智能图素编辑状态时，缺省情况下会出现黄色的包围盒和一个手柄开关并显示为包围盒状态。手柄开关可以使您在2个不同的智能图素编辑环境之间切换。拖动操作手柄可修改围绕智能图素的包围盒的长、宽、高；或直接修改构成智能图素的截面的尺寸和形状如图2所示。图2包围盒状态操作手柄 图3 截面形状状态操作手柄 调出三维模型后拖动操作手柄，可修改智能图素的几何尺寸。动态观察曲面或平面立体的表面相贯线或平面截交线的空间形状，随尺寸改变形状的变化情况，进行组合体的线、面分析，如图3、图4所示。直接拖动操作手柄修改零件的尺寸，对进行相切、相交、共面，不共面等组合体表面关系分析时非常直观。图4 动态观察圆柱体相贯线的变化 图5 组合体表面关系分析（二） 三维球的应用三维球是CAXA实体设计一特有的三维空间定位工具，它可以很方便的通过平移、旋转和其它复杂的三维空间变换精确定位任何一个三维物体；同时三维球还可以完成对智能图素、零件或组合件生成拷贝、直线阵列、矩形阵列和圆形阵列的操作功能。三维球可以附着在多种三维物体之上。选中零件、智能图素、锚点、表面、视向、光源、动画路径关键帧等三维物体后，点击三维球工具按钮 打开三维球，使三维球附着在这些三维物体之上，从而很方便的对它们进行移动、相对定位和距离测量。三维球是一个非常杰出和直观的三维图素操作工具。通过对X、Y、Z方向的三个手柄操作可迅速建立三维空间概念。在机械制图用三维球工具对空间坐标建立；尺寸标注；零件装配等很有帮助。如图5所示应用三维球工具讲解如何进行轴系零件的装配及装配图尺寸标注。图6 应用三维球工具进行零件装配（三） 设计树的应用应用设计树/压缩工具可采用切割或叠加方法将基本几何体“加工”成较复杂的组合体或零件，逐步展示三维实体形成过程，同步更新二维工程图，时实演示从三维到二维的本质变化。如图6所示。通过三维实体、二维视图的对照比较，举一反三对投影的概念，形体的线、面分析有较大帮助。图7 应用设计树逐步“加工”零件同理，设计树也可用于分析较复杂组合体的构成，把组合体拆分为简单的几何体，如图7所示，从底板开始逐个叠加、切割逐步形成组合体，配合三维球移动简单的几何体，可以让学生理解什么是正确的尺寸标注，为什么要这样标注尺寸。图8 分析组合体的构成及尺寸标注（四） 利用动画功能观察运动情况CAXA实体设计所具有的动画功能不同于其它三维CAD中的爆炸图，CAXA实体设计不仅可进行零件复杂的动作设计，而且有我们所熟悉动画播放工具，调出模型库中已完成带动画设计的零件，就可直接观察运动情况。在零件图或装配教学中，可以清楚地描述图纸上各零件的作用或装配件的工作情况。如讲解如图8所示差动螺钉的零件图时，什么是差动？如何理解图上的尺寸及符号？等等。凭一张图纸，没有工厂实践经验的学生很难理解这些问题。但装上标准件螺母，播放动画后就一目了然。螺钉上的两段螺距不同，装上螺母后两螺母的运动快慢当然不一样，图上的尺寸、符号也容易理解了。图9 利用动画功能模拟运动情况CAXA实体设计所具有的动画功能对学习装配图的工作原理；分析零件的装拆顺序非常有用。（五） 其它工具的应用用显示工具中的多视窗显示结合视向工具，可以从不同角度同时观察同一个零件或同时打开多个零件。用CAXA实体设计中的“曲面生成”工具可讲解斜视图、向视图、剖面图的概念等等。如图9所示，选中零件的某一表面直接生成“曲面”，用三维球移动、旋转该“曲面”与某一基本投影平行，用斜视图表现机件倾斜部分的形状。图10 曲面生成工具的应用用视角工具可选择生成第一视角或第三视角视图，在三维设计环境中显示三维坐标，对照比较，第三视角的概念，欧美国家第三视角工程图纸就容易接受了。从模型库或CAXA实体设计软件工具库中调入标准件，在零件属性框中修改尺寸参数或机械属性，各参数对标准件特征的影响和作用一目了然，自然理解标准件所规定的各参数的意义，对标准件参数的讲解不再枯燥。三、 在教学过程中应用CAXA实体设计技术（一）CAXA实体设计技术可以满足课堂教学模型演示需求根据教学的不同情况，采用方便的尺寸驱动功能，随时选取其高级图素中的形体进行切割与叠加、截交与相贯，剖视图、剖面图、零件图等模型加以更新，还能使用零件实体进行模拟装配，它的设计功能、爆炸视图功能和运动仿真功能，使学生容易接受和掌握。例如，在组合体的教学中，基本体的组合方式、表面连接关系是教学的重点和难点，也是读图和作图的基础。在讲这一部分时，书中介绍的方法是线面分析法和形体分析法。学生的绘图速度和正确性取决于其头脑中对所给形体的理解程度，简单的形体还容易很快反映出来，对于复杂的形体，使用切萝卜、捏橡皮泥的方法也很难制作出来，没有实体的对照，老师讲得口干舌燥，学生还是不能理解。利用CAXA实体设计软件中的拉伸、旋转、除料、倒角、抽壳等三维实体造型功能，课堂上可以很方便、快捷地创建任何复杂形状的三维实体。如果根据视图严格的尺寸要求，可以构造出十分精确的模型，这些形体可以清晰表达出组合体的组合形式，各部分的实际形状和连接关系，而且可以利用它的旋转功能让学生看清楚形体前后、左右、上下各个方位的连接关系，有了直观的形体，学生可以轻松的画出三视图或补齐视图中所缺的图线，提高了教学质量。（二）根据教学内容建立和运用CAXA模型库和图库由于“机械制图”教学内容的空间性和抽象性，在教学过程中需要若干配套的挂图、模型，采用直观的形象教学法。根据教学需要更改模型或挂图的可操作性不大，另外长期使用的教学模型和挂图已经不能满足教学和生产实践进步的需要，而购买或更换新模型和新挂图所需要的成本高、周期长，且不一定符合教学实际需要。为此教师可以利用CAXA实体设计的三维CAD技术建立模型库和图库。1机械制图模型库、图库结合机械制图教材和练习册中习题，利用CAXA实体设计软件建造虚拟的模型库。三维模型库分为基本体、组合体、零件和装配体组成。其中基本体分解为平面体和曲面体，基本体通过截切或相贯产生截切体和相贯体，基本体通过叠加和挖切形成组合体。建立了虚拟的模型库不但减轻了教师辅导的工作量，克服了实物模型教学的诸多不足，大幅度扩大了课堂知识容量，提高教学效率。主要包括以下方面：（1）三维模型库；（2）二维图样；（3）动画仿真库。利用三维模型可以自动生成精确的二维工程图，包括基本视图，剖视图及其轴测图。在二维视图中还可以显示出尺寸和技术要求注释，二维图样和三维模型之间存在着相互关联功能。在绘制中更改三维模型或二维视图的尺寸，三维实体和二维视图会自动更新。这样在讲解中不断充实学生的二维和三维之间转换的思维训练，学生的空间构思能力有明显提高。2进行零件建模在CAXA实体设计中，创建零件从智能图素开始，如果没有标准智能图素适合新零件，可以利用“二维绘图”工具，结合拉伸、旋转、扫描和放样工具生成自定义智能图素。快捷的拖放功能是添加图素最简单的方法，利用“包围盒”重置图素尺寸。通过“智能尺寸”可以实现各个图素的精确定位，最后利用软件提供的工具条构造所需要的工艺特征，如倒圆、倒角及拔模斜度等，还可以进行材质的渲染，讲解过程清晰直观，便于学生接受，收到事半功倍的效果。（三） 在教学过程中的应用CAXA实体设计的意义机械制图实质上是研究用二维平面的“图”来表达三维空间的“物”的一门课程。教学的困难主要在于如何激发学生的学习兴趣、培养一定的空间想象、思维创新能力。在常用的教学手段（挂图、实物模型、多媒体课件）的基础上引入CAXA三维实体设计是解决教学困难的一种重要手段，对学生学习有很大促进作用。1、CAXA实体设计的引入，有利于培养学生的空间想象能力机械制图作为专业基础课，一般都在中职学校一年级开设，学生刚初中毕业，没有经过实践的锻炼，头脑中的立体概念少。因而在投影理论的学习中感到比较费劲。往往想不出形体的形状。笔者针对学生特点，在讲三视图的形成、基本体的投影以及基本体的截切时，让学生先看模型，根据模型想投影，再引入CAXA实体设计，课堂绘制三维实体模型，能使学生从不同角度观察形体，然后进行分析讲解，与视图反复对照，不断拓展思路，从而提高读图和识图的综合能力。对于一些学生难于理解的内容，比如截交线，授课中可以借助软件通过驱动手柄和三维球形体的位置直接进行演示。另外，在装配体教学中，即使是现场教学，也不可能随意进行翻转、拆卸、剖切使学生观察内部结构及装配关系。有了动画仿真库，可利用装配干涉检查、装配动画设置，让学生对各种零件的装配关系及相互连接、运动情况有直观的感受，对装配图的结构、作用有深刻的理解。在讲组合体时，用可拆装的模型讲解组合体的组合形式和形体分析法，用CAXA实体设计软件绘制三维实体模型，然后课堂上直接分部进行切割，边演示边讲解，这样学生感受真切，易于接受。在学生做练习的过程中，进行引导和讲评，根据练习的视图运用CAXA实体设计进行实体的绘制，加强了学生的立体概念，避免了老师讲解时比手划脚，学生还是难以想象。学生在看模型的过程中，头脑中不断积累立体的表象，表象积累多了，空间感性知识就增强了，容易想出空间形体的形状。笔者的这种做法，从三视图的形成、基本体的投影到组合体，循序渐进。充分发挥了教学软件的“拐杖”作用，增加了学生的空间感性知识，使学生能比较轻松地把空间形体和平面图形结合起来。2、CAXA实体设计的引入，有利于激发学生学习的兴趣，扩充课堂容量采用模型和挂图等手段进行教学，在观察主要特征及各种形体之间联系时，对同一内容会重复演示，教学效果不明显。而将多媒体课件和CAXA实体设计教学这一辅助手段适时地穿插于教学之中，更有利于激发了学生的好奇心、求知欲。例如，在相贯线教学中，以往大部分学生对相贯线的形成及相贯线的形状都难以理解，以致在画相贯线时经常出错。在教学设计中，利用实体设计制作了两个圆柱体正交的演示，学生可以直观地看出两正交圆柱体相贯线的形成过程。同时，根据两正交等直径圆柱体和两正交不等直径圆柱体的比较，学生就可以明显地看出两种情况下相贯线的不同形状。在此基础上，结合模型进行分析讲解。电脑中演示随着尺寸的缩放不仅能突出表现相贯线的特征，把关键转变点充分突现出来，提高了教学效率。3、CAXA实体设计的引入，有利于学生创新能力的培养机械制图课程在人才素质教育中被认为是一个“公共平台”，这一点已得到工程图学委员会的认可，机械制图课程是工科学生接受工程训练的第一门课程，主要是培养学生的图形表达能力、对物体的观察能力、空间思维能力、空间形体分析和构形能力、自学能力、动手能力、审美能力等，它以独特的思维方式和实践环节决定了它是训练、提高一个人创新性思维和创新能力的途径。CAXA实体设计有利于培养学生的创造性思维，有了三维虚拟模型库和图样库，学生增加了表象积累，启发了思维，拓宽了他们的想象力。另外由于三维设计的直观、形象和CAXA实体设计软件的操作方便，教学和实践中可以增加一些构形设计，让学生充分发挥自己的想象力、构造力，通过CAXA实体设计使这些构想、创造变成栩栩如生的产品造型，成就感更加激发了学生学习的积极性。结论实践证明，三维实体设计技术引入到传统的制图教学中不仅是教学手段现代化的体现，而且给较为传