張信群

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

Solidworks 在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用與探討

張信群

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

機械制圖教學(xué)必須適應(yīng)三維CAD技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生形成三維空間的思維方式應(yīng)作為重要教學(xué)目標(biāo)之一。本文根據(jù)SolidWorks軟件在機械制圖教學(xué)中應(yīng)用的實踐，探討了SolidWorks軟件應(yīng)用到機械制圖教學(xué)中的必要性和對對機械制圖教學(xué)的重要促進作用。

機械制圖；SolidWorks；三維造型；二維圖形；裝配。

機械制圖是一門傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它在機械類各專業(yè)的課程體系中占有重要的地位。由于它的特點是抽象性較強，對空間想象能力要求較高，這決定了機械制圖的學(xué)習(xí)也是一個艱苦的過程。在教學(xué)實踐中，學(xué)生普遍反映制圖課難學(xué)。如何提高教學(xué)質(zhì)量，是每一個制圖教師面臨的課題。目前，AutoCAD軟件已經(jīng)普遍應(yīng)用于制圖教學(xué)中，增加了課堂信息量，使師生從繁重的手工繪圖中解放出來。但是由于AutoCAD是一種表達平面圖形為主的二維軟件，所以傳統(tǒng)的制圖教學(xué)的思維方式并沒有發(fā)生本質(zhì)變化。而隨著三維CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，必須探索一種與三維設(shè)計相適應(yīng)的制圖教學(xué)新模式。筆者根據(jù)多年的教學(xué)實踐，對SolidWorks軟件在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用進行粗淺的探討。

一、三維軟件應(yīng)用于機械制圖教學(xué)的必要性

傳統(tǒng)的機械零件的產(chǎn)生過程，是設(shè)計者先在頭腦中構(gòu)思出來零件的三維實體，然后通過生產(chǎn)者的加工，使之變成實際的零件。以前由于三維建模手段缺乏，在設(shè)計者和生產(chǎn)者之間的三維信息交流受到阻礙，設(shè)計者只有借助二維圖紙平臺表達自己的三維設(shè)想，而生產(chǎn)者根據(jù)二維圖形，重新在頭腦中想象出三維實體造型，然后再加工出來。所以一個零件的產(chǎn)生是從三維到二維，再從二維到三維的過程，其中二維圖形起著必要的媒介作用。

從機械制圖的教學(xué)來看，也是與這一過程相適應(yīng)的。教師花很多時間培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，強調(diào)繪制和閱讀二維圖形的重要性，教給學(xué)生如何運用平面的投影規(guī)律來解決三維的空間問題。但是，從二維到三維，是一個艱難而痛苦的空間想象過程，這也成為許多學(xué)生對機械制圖課產(chǎn)生懼怕心理的主要原因。

隨著三維繪圖軟件的大規(guī)模推廣和使用，現(xiàn)在設(shè)計人員的工作平臺是計算機，設(shè)計構(gòu)思是通過三維建模來實現(xiàn)的。由于數(shù)控技術(shù)的運用，在設(shè)計和加工之間可以直接進行三維數(shù)據(jù)的交換，二維圖形已經(jīng)不再是傳遞三維空間構(gòu)思的必要途徑。雖然二維圖形在尺寸標(biāo)注、技術(shù)要求注寫等方面仍有優(yōu)勢，但其作用在弱化，而且二維圖形也可以不專門繪制，而直接從三維模型中轉(zhuǎn)化獲得，視圖的種類、位置和剖視圖、斷面圖等都可以根據(jù)需要進行設(shè)定而自動生成。

現(xiàn)代設(shè)計方式?jīng)Q定了三維實體造型在機械制圖課程中的教學(xué)地位，筆者認為，培養(yǎng)學(xué)生形成三維空間的思維方式而不是二維的表達方法，應(yīng)作為機械制圖課的重要教學(xué)目標(biāo)之一。教師在機械制圖教學(xué)中頻繁使用三維造型，不斷強化學(xué)生三維造型的意識，使學(xué)生潛移默化中逐步形成三維空間的思維方式。

二、SolidWorks對機械制圖教學(xué)的重要促進作用

目前，三維CAD繪圖軟件很多，如SolidWorks、UG、Pro/E、Solidedge等，它們都具有三維造型功能。而SolidWorks以其強大而完善的功能、簡單而方便的操作，特別適合在課堂上較短時間內(nèi)完成零件造型，應(yīng)用到制圖教學(xué)中有明顯的優(yōu)越性。

（一）SolidW orks的應(yīng)用能夠改進傳統(tǒng)教學(xué)手段

利用實物模型增強教學(xué)的直觀性，是機械制圖教學(xué)中傳統(tǒng)的教學(xué)手段。實物模型能夠在一定程度上增強教學(xué)的直觀性，但是實際零件的構(gòu)造千變?nèi)f化，而教師所掌握的模型種類畢竟有限，所以無法滿足教學(xué)過程中的每個實例。

SolidWorks軟件具有強大的實體造型功能，可以通過草圖的繪制產(chǎn)生基本圖形，再對其進行拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、掃描、放樣、抽殼等操作便可獲得任意形狀的形體。并可以通過修改某一尺寸或幾何關(guān)系來自動改變形體，達到舉一反三的效果。

教師可以按照教學(xué)需要，應(yīng)用SolidWorks軟件建立起虛擬模型庫，涵蓋教材和習(xí)題冊中出現(xiàn)的典型模型，在教學(xué)過程中可以方便的調(diào)用，從而節(jié)約了時間，增加了教學(xué)信息量。并且實體模型形象逼真、色彩豐富，可以給學(xué)生強烈的感觀刺激，提高學(xué)習(xí)興趣。

（二）SolidW orks的應(yīng)用能夠幫助學(xué)生空間思維

為培養(yǎng)學(xué)生空間思維能力，制圖教學(xué)需要進行大量的二維與三維之間的雙向思維訓(xùn)練。比如由實體畫出三視圖、由三視圖想象出三維實體的結(jié)構(gòu)形狀等。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師在黑板上板圖或?qū)φ諕靾D分析講解，引導(dǎo)學(xué)生進行空間構(gòu)思，想象出空間形體。但是構(gòu)思的結(jié)果只能對照立體圖形驗證。而且也無法展現(xiàn)出同一類形體的結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)。

引入SolidWorks軟件進行輔助教學(xué)，可以降低二維圖形和三維立體的投影轉(zhuǎn)換的難度，教師可以先建立起零件三維實體模型，進行實時動態(tài)旋轉(zhuǎn)變換和視圖定向，引導(dǎo)學(xué)生多方位觀察，幫助學(xué)生在大腦中形成和強化立體形象，然后直接將三維實體生成二維視圖，并且可以根據(jù)需要隨時在三維模型和二維視圖之間進行切換。在此基礎(chǔ)上講解投影規(guī)律和繪圖方法，學(xué)生會自覺地與大腦中儲存的立體信息進行對照，逐步形成正確的認識。這樣形象化的讀圖過程減輕了學(xué)生空間思維的負擔(dān)，教學(xué)效果明顯改善。

（三）SolidWorks的應(yīng)用能夠輔助多媒體教學(xué)

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，多媒體課件已經(jīng)成為機械制圖教學(xué)的重要手段。制圖課件中雖然也包含了一定數(shù)量的圖形和立體樣本，但是這些樣本是不能隨意更改的，所以教師的臨場發(fā)揮受到了限制，也不能根據(jù)教學(xué)需要隨時實現(xiàn)形體的空間展示。將SolidWorks與多媒體課件教學(xué)相結(jié)合，則可以突破課件固定內(nèi)容的限制。在遇到課件表現(xiàn)不清楚的問題或者需要補充圖例時，教師可以在課堂上利用Solid－Works及時、快速地建立實體造型，在相同的教學(xué)時間內(nèi)學(xué)生能夠接觸到更多的圖樣，豐富了課件的內(nèi)容。并且大量現(xiàn)場完成的實體造型營造出自由、生動、寬松的教學(xué)氛圍，更能夠激發(fā)出學(xué)生強烈的探求欲望和參與意識。

（四）SolidWorks的應(yīng)用能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

現(xiàn)代設(shè)計方式要求設(shè)計者具有很強的空間思維能力和三維創(chuàng)新設(shè)計能力。在制圖課程的教學(xué)過程中，教師并不要求學(xué)生完全掌握SolidWorks這種軟件，學(xué)生只要能夠進行一些常用的操作即可。但是教學(xué)實踐證明，由于SolidWorks軟件強大的三維造型功能，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，一般他們都會利用課外時間學(xué)習(xí)SolidWorks軟件更多的功能。在制圖課程中很多形體構(gòu)造的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生都可以充分發(fā)揮自己想象力，然后利用Solidworks建模加以驗證，在這個過程中學(xué)生體味到成就感，從而激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造欲望，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。三維造型的技術(shù)手段不僅促進了機械制圖課程的教學(xué)效果，而且還在后續(xù)的專業(yè)課程中發(fā)揮了重要的作用，有助于學(xué)生設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、SolidWorks在制圖教學(xué)中的應(yīng)用實例

裝配圖是機械制圖教學(xué)中最后的教學(xué)單元，綜合性較強，難度較大，主要是因為大一的學(xué)生對機械零部件缺乏感性認識，往往對各零件的裝配關(guān)系和裝配過程理解不清晰。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是將笨重的裝配體搬入課堂，邊拆卸邊講解各零件的主要構(gòu)造和裝配關(guān)系。這種方法不僅需要準備較多的工、量具，費時費力，而且很難將各零件的內(nèi)部構(gòu)造和完整的裝配過程演示給學(xué)生。而教師利用Solidworks軟件進行零件造型和虛擬裝配，不僅可以多角度引導(dǎo)學(xué)生觀察個零件的內(nèi)、外結(jié)構(gòu)，還可以對裝配體進行動態(tài)的工作過程運動模擬。教學(xué)過程更加生動，教學(xué)內(nèi)容也更加清晰。

下面以軸組件的裝配圖為例，介紹SolidWorks在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用。軸組件裝配圖如圖1所示。

圖1 軸組件裝配圖

（一）建立軸組件的裝配體

課堂演示時啟動SolidWorks，新建一個裝配體文件，然后按照裝配的過程，依次導(dǎo)入各個零件（教師應(yīng)該在課前將各零件造型建好備用）。

(1)導(dǎo)入軸零件作為固定件

首先導(dǎo)入的零件作為固定件，它是裝配的基礎(chǔ)。本例中，軸是整個裝配體的主干結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)作為固定件首先導(dǎo)入，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)入軸零件

(2)完成鍵與軸鍵槽的裝配配合

鍵與軸鍵槽的裝配配合實際上就是選擇配合面并在配合面之間添加必要的約束關(guān)系，以此來限定零件的位置和方向。在本例中，選擇鍵的上表面和軸鍵槽的底面、鍵的側(cè)面和軸鍵槽的側(cè)面、鍵的曲面端和軸鍵槽的曲面端作為配合面，如圖3所示，配合關(guān)系選擇“重合”，則鍵就完全固定在軸的鍵槽中。(3)同理，可以將齒輪和軸承插入裝配體中，最后完成軸組件裝配體如圖4所示。

圖3 鍵與軸鍵槽裝配配合

圖4 軸組件裝配體

（二）設(shè)置外部零件的透明材質(zhì)

在SolidWorks中，可以賦予每個零件不同的顏色。本例中，可以依次為各個零件選擇合適的顏色，以增強視覺效應(yīng)，給學(xué)生在大腦中留下深刻的印象。

另外，還可以通過調(diào)整外部零件的透明度，來顯示被遮蓋的零件。在本例中，可以將“齒輪”零件設(shè)置為透明材質(zhì)，學(xué)生可以清楚地觀察到里面的零件，從而更好地理解各零件之間的位置關(guān)系。

圖5 軸組件裝配體爆炸視圖

（三）模擬軸組件的裝配過程

為了進一步加深學(xué)生對裝配體結(jié)構(gòu)的印象，教師可以制作裝配體的爆炸視圖，以分離出裝配體中的各零件，并形象地展示各零件的裝配過程。生成爆炸視圖后，各零件會沿著設(shè)定的路徑、在特定的時間內(nèi)完成仿真動畫，學(xué)生可以觀察到各零件的位置和它們之間的裝配關(guān)系。爆炸視圖如圖5所示。

教學(xué)實踐證明，將SolidWorks應(yīng)用到機械制圖教學(xué)過程中，能夠?qū)⒊橄蟮摹㈧o態(tài)的理論知識講授轉(zhuǎn)化為生動的、形象的認知過程，不僅化解了教學(xué)難點，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使枯燥乏味的制圖課堂教學(xué)變得生動活潑、魅力無窮。同時有利于引導(dǎo)學(xué)生形成和深化三維思維方式，增強學(xué)生使用計算機輔助設(shè)計的能力，為以后的專業(yè)課學(xué)習(xí)和工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

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G712 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A

1671-5993（2011）02-0070-03

2011-05-03

張信群(1970-)，男，安徽滁州人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系教授。