徐蔚

（天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300160）

基于三維建模技術(shù)的機械制圖教學(xué)方法研究

徐蔚

（天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300160）

隨著計算機軟硬件水平的提高，三維建模技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對于機械制圖教學(xué)的內(nèi)容和方法也有深遠(yuǎn)的影響。針對機械制圖教學(xué)中存在的一些問題，闡述了如何運用UG軟件制作三維模型，以及利用三維建模技術(shù)作為輔助工具予以解決。

機械制圖；三維建模；教學(xué)；UG

三維建模技術(shù)是計算機應(yīng)用的一項重要技術(shù)，近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)水平的迅速提高，三維建模技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。《機械制圖》是機械類學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，但是由于課程本身具有抽象、難懂等特點，很多學(xué)生學(xué)習(xí)起來很困難。如果能夠?qū)⑿蜗笾庇^的三維建模技術(shù)與抽象的機械制圖結(jié)合起來，會對學(xué)生的學(xué)習(xí)有很大幫助。

傳統(tǒng)機械制圖教學(xué)存在的問題

《機械制圖》是工科院校的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是學(xué)習(xí)正投影法的基本理論，熟悉國家制圖標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和空間分析能力，使學(xué)生掌握繪制和閱讀工程圖樣的基本方法和技能，這些是工程技術(shù)人員從事產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、生產(chǎn)等工作不可缺少的。但由于《機械制圖》課程通常在一年級開設(shè)，學(xué)生沒有金工實習(xí)經(jīng)歷，普遍缺乏實踐經(jīng)驗，課程本身具有抽象、難懂的特點，很多學(xué)生學(xué)習(xí)起來很困難。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師為培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，提高教學(xué)效果，上課時會帶一些木制模型或掛圖，以增強學(xué)生對圖形所對應(yīng)形體的感性認(rèn)識和了解，但是，傳統(tǒng)模型的體積和重量較大，教師攜帶不便，模型的數(shù)量和種類也是有限的，無法隨著教學(xué)內(nèi)容的變化而隨意修改，而且這些模型通常形體比較簡單，對于復(fù)雜形體而言，制作模型的成本太高，也不可能按照教學(xué)的需要隨意做到從中間剖切。利用一些三維建模軟件，這些問題可以迎刃而解。

三維建模技術(shù)

機械制圖研究的對象是工程圖樣，是用一組平面圖形表達(dá)三維形體。長期以來，工程圖樣都是工程技術(shù)人員指導(dǎo)生產(chǎn)、進(jìn)行技術(shù)交流的一個重要工具，也為人類生產(chǎn)、生活水平的提高做出了很大貢獻(xiàn)。工程圖樣的優(yōu)點是度量性好，但是直觀性較差，必須經(jīng)過專業(yè)的訓(xùn)練才能讀懂和繪制。傳統(tǒng)的方法是，設(shè)計者在大腦中先構(gòu)建出產(chǎn)品的立體模型，然后繪制出其二維工程圖樣表達(dá)其設(shè)計理念，經(jīng)不斷修改和完善后，再通過加工將其立體制作出來。隨著科技的發(fā)展和計算機應(yīng)用的普及，人們逐漸采用CAD技術(shù)，用計算機繪圖代替手工繪圖，提高繪圖速度及精度，但此時依然是二維繪圖，設(shè)計方法從本質(zhì)上說依然是與手工繪圖一樣的，計算機只是起到了一個繪圖工具的作用。隨著計算機運算速度的不斷提高，計算機的應(yīng)用也從最初的幫助人們繪制圖樣發(fā)展為三維建模，設(shè)計方法在本質(zhì)上發(fā)生了改變。三維建模是直接在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計，以三維立體圖形直接表示空間形體，這樣不僅能夠更直接、全面地反映設(shè)計者的設(shè)計思想，提高設(shè)計質(zhì)量和效率，而且所建立的三維模型結(jié)合其他CAM、CAE軟件，還能進(jìn)行后續(xù)的加工仿真、裝配仿真、數(shù)控加工編程等工作。

三維建模技術(shù)在近幾年得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用。如今，應(yīng)用廣泛的三維建模軟件有很多，如 CATIA、UG、Pro/ Engineer、Solid Works、Solid Edge等等，在機械、航空航天、船舶、電子、建筑、汽車等各個領(lǐng)域均有應(yīng)用。

三維建模技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用三維建模軟件，可以方便快捷地建立物體的三維模型，向?qū)W生演示。對這些模型的材質(zhì)和光源可以進(jìn)行渲染，使其具有與真正零件相同的真實感；利用旋轉(zhuǎn)命令可以從不同的角度對形體進(jìn)行觀察，還可按照教學(xué)需要在課堂上進(jìn)行一些處理。例如，在講解截交線、相貫線時，可以動態(tài)地演示截切與相貫的過程和變化，將立體表面的交線修改成其他的顏色，著重表示或者從立體上提取出來，加強學(xué)生對其形狀的了解，也可利用三維建模軟件的參數(shù)化功能，修改立體的尺寸或相對位置，觀察截交線、相貫線發(fā)生了哪些變化；組合體是由基本立體通過疊加或切割組成的，對于疊加式的組合體，可以利用形體分析法分析組合體是由幾部分組成的，分別建立各部分的實體模型，通過三維實體的布爾運算進(jìn)行組合；對切割式的組合體，上面的一些圖線學(xué)生理解較困難，可以在課堂上演示其切割順序，讓學(xué)生看到一步步的過程，加深對形體的理解，更清楚地看到每步切割后，立體表面上會多出哪些圖線；在講解剖視圖時，可以在課堂上構(gòu)建完整的立體，再演示選擇合適的剖切平面對形體進(jìn)行各種剖切，讓學(xué)生清楚地看到零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及剖切面后方的可見部分，更清晰地了解各種表達(dá)方法，更好地區(qū)分全剖、半剖、局部剖、階梯剖、旋轉(zhuǎn)剖等；對于學(xué)生而言，裝配圖是很難掌握的一部分內(nèi)容，對此也可以借助三維建模軟件分別建立各零件的模型，并可根據(jù)不同的位置和裝配約束關(guān)系組裝成部件，使學(xué)生深入了解各零件間的裝配關(guān)系，還可以將裝配好的部件進(jìn)行爆炸式分解，進(jìn)一步展示各零件的相對位置和裝配關(guān)系，同時可利用三維建模軟件的動畫功能生成動畫，使學(xué)生更好地了解部件的工作原理、裝拆順序，提高學(xué)生畫圖與讀圖的能力。

很多三維建模軟件具有從三維模型生成二維工程圖的功能，在講解正投影法時可以演示，加深學(xué)生對三視圖形成的理解。

圖1 柱球相貫圖

圖2 齒輪油泵泵體圖

圖3 二級齒輪減速器圖

零部件測繪是機械制圖教學(xué)中一個重要的實踐環(huán)節(jié)，是前面所學(xué)知識的綜合。在此環(huán)節(jié)中，也可以用三維建模軟件為學(xué)生介紹零部件的工作原理、裝拆順序等。

三維建模軟件制作的模型精度高、形象逼真、色彩豐富，可以及時根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整方便快捷地進(jìn)行修改，滿足教學(xué)中對模型種類及數(shù)量的需要，達(dá)到降低成本、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

UG軟件是美國EDS公司開發(fā)的面向制造業(yè)的CAD/CAM/CAE大型集成軟件，具有強大的三維建模、數(shù)控加工編程、運動分析等功能。圖1～圖3是用UG軟件的CAD功能制作的幾個典型的三維模型。

利用這些軟件在課堂上現(xiàn)場演示，一方面，可以加強教師與學(xué)生的交流，使抽象的問題具體化，加深學(xué)生對課堂知識的理解和掌握，有利于激發(fā)學(xué)生的觀察力、想象力；另一方面，還可以提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生養(yǎng)成獨立思考的習(xí)慣，逐漸提高學(xué)生的空間想象能力和空間分析能力，大大提高教學(xué)效率，并為后續(xù)的CAD/CAPP/CAM課程打下良好的基礎(chǔ)。

利用三維模型的直觀性、形象性、易修改等特點，將三維建模技術(shù)與機械制圖的教學(xué)結(jié)合起來，可以使學(xué)生的空間想象能力、空間分析能力得到提高，可在使學(xué)生掌握知識的同時，實現(xiàn)教師與學(xué)生的良好互動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到進(jìn)一步提高，使他們能更好地適應(yīng)社會需要。

[1]陳錦昌，陳熾坤，劉林，等.工程制圖課程由CG主導(dǎo)式轉(zhuǎn)向三維造型設(shè)計改革的思考[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2002（1）：76-80.

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[4]霍光青，劉潔.三維設(shè)計軟件在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用與探討[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2002（5）：86-91.

（本欄責(zé)任編輯：謝良才）

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1672-5727（2012）07-0108-02

徐蔚（1977—），女，河北衡水人，碩士，天津工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院講師，研究方向為CAD/CAM與工程圖學(xué)。