基于CATIA的“機械制圖”動態(tài)演示教學(xué)研究

摘要：分析了“機械制圖”傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺點，根據(jù)無紙化制造技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，提出了利用CATIA進行動態(tài)演示教學(xué)的方法以及在實施過程中存在的問題及其解決辦法，不僅使制圖教學(xué)形象具體、效率迅捷、效果良好，而且也為“機械制圖”課程的教學(xué)改革提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：CATIA；動態(tài)演示；機械制圖；教學(xué)改革

作者簡介：王桂錄（1981-），男，河南南陽人，鄭州科技學(xué)院機械工程系，助教；張曉瑩（1985-），女，河南洛陽人，鄭州科技學(xué)院機械工程系。（河南鄭州450064）

中圖分類號：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）07-0054-02

如何在“機械制圖”課程中引入三維造型軟件是近些年來許多制圖教師積極參與和非常關(guān)心的一個熱點問題。對此他們發(fā)表了許多論文，出版了一些教材，組建了一些教學(xué)改革試點和組織一些教學(xué)實踐，[1]并正在探索引入三維建模軟件的制圖教學(xué)新模式。但迄今為止，尚缺少對在此模式下的教學(xué)方法的具體分析、介紹。筆者通過大量閱讀文獻以及對無紙化制造技術(shù)的研究，提出基于CATIA的“機械制圖”動態(tài)演示教學(xué)方法，其目的就在于為推動“機械制圖”教學(xué)方法的改革與更新提供一種新穎的參考方法。

一、理論依據(jù)

1.傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺點

“機械制圖”歷來是機械類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，主要培養(yǎng)學(xué)生四方面能力：構(gòu)思、表達、讀圖和繪圖，它是工程技術(shù)界的一種技術(shù)語言，[2]在專業(yè)培養(yǎng)計劃中占有舉足輕重的地位，對后繼課程的教學(xué)及課程設(shè)計的順利完成起著重要的保障作用，并且培養(yǎng)了學(xué)生日后從事技術(shù)工作應(yīng)必備的基本技能和看家本領(lǐng)。

為了提高“機械制圖”的教學(xué)質(zhì)量而采用的傳統(tǒng)方法通常有：

（1）利用實物模型。便于拆分和學(xué)生觀察，但存在的不足是模型數(shù)量較多，攜帶不方便，做好后結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸固定，不能根據(jù)需要靈活改變，易損壞，且損壞后難于修復(fù)等。

（2）利用掛圖。掛圖雖然較實物方便并且便于教師示教講解，不足之處在于掛圖只是課本上插圖的再現(xiàn)或補充，不能進行動態(tài)觀察和拆分。

（3）課前畫圖。教師上課前在黑板上畫出當(dāng)節(jié)課所需圖形，主要缺點是教師的工作量增大且費時。

2.無紙化制造技術(shù)

隨著三維CAD/CAM技術(shù)的不斷發(fā)展，無紙化在汽車、飛機等制造領(lǐng)域已不再是一個新鮮的話題。早在1994年，美國克萊斯勒公司就運用CATIA軟件實現(xiàn)了汽車車體設(shè)計的無紙化。所謂無紙化制造是指在整個設(shè)計制造過程中，[3]信息傳遞不再是依靠傳統(tǒng)的二維圖紙，而是直接通過計算機數(shù)字信息傳遞來完成加工、裝配和檢測過程，實現(xiàn)最后的產(chǎn)品。

無紙化制造成為現(xiàn)實源于信息技術(shù)在三個方面的進步：三維造型技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)和三維數(shù)字測量技術(shù)。三維模型具有信息量大、信息傳遞準(zhǔn)確和無損失的特點，而且對于一些復(fù)雜形體的設(shè)計，其優(yōu)勢是二維圖紙所無法比擬的，特別是三維模型可以直接生成為NC代碼，基本上實現(xiàn)了CAD／CAM的集成。檢測人員采用三維數(shù)字測量技術(shù)通過探針或激光掃描產(chǎn)品，將獲得的云點數(shù)據(jù)輸入電腦，同原有的三維模型進行誤差比較，從而完成產(chǎn)品的檢測，這使得整個產(chǎn)品的設(shè)計、制造和檢驗流程成為真正意義上的無紙化制造流程。

3.無紙化制造技術(shù)對“機械制圖”教學(xué)的影響

隨著無紙化制造技術(shù)的推廣運用，特別是三維實體造型軟件（Catia、Pro/E、UG、Solidworks等）已在很多大中型企業(yè)中日益普及，給傳統(tǒng)的設(shè)計、加工方法帶來了極大的沖擊，同時隨著教學(xué)改革的不斷深入，原有的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對人才的要求，在“機械制圖”課程中引入三維造型軟件已成為必然。引入三維CAD設(shè)計軟件的優(yōu)點在于：

（1）減少人力和物力。教師可以根據(jù)需要建立模型庫，用到時直接調(diào)出或者稍加補充即可，不僅減輕了教師的備課量，而且避免了實物教具不可變、易損壞和難修復(fù)的缺點。

（2）教學(xué)過程生動有趣。將三維CAD設(shè)計軟件和傳統(tǒng)的CAI課件有機地結(jié)合起來，利用三維CAD的功能動態(tài)地演示教學(xué)過程，逐步引導(dǎo)學(xué)生從三維設(shè)計的角度分析問題，直接、真實地感受空間的概念。這不僅使教學(xué)過程更加生動有趣，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，更重要的是使學(xué)生用新的思維方式去解決工程實際問題。

4.CATIA簡介

CATIA是法國達索（Dassault）系統(tǒng)公司的大型高端CAD/CAE/CAM一體化應(yīng)用軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)導(dǎo)地位，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、分析計算、動態(tài)模擬與仿真和工程圖輸出，到產(chǎn)品加工產(chǎn)品的全過程，應(yīng)用范圍涉及航空航天、汽車、機械、造船、通用機械、數(shù)控（NC）加工、醫(yī)療器械和電子等諸多領(lǐng)域。[4]

CATIA 共有13個模組：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計、形狀、分析與模擬、AEC工廠、加工、數(shù)字模型、設(shè)備與系統(tǒng)、制造的數(shù)字處理、加工模擬、人機工程學(xué)設(shè)計與分析、智件和ENOVIA V5 VPM，包含了眾多最先進的技術(shù)和全新的概念，指明了企業(yè)未來發(fā)展的方向。在“機械制圖”教學(xué)過程中，可以將CATIA其中的幾個模塊與多媒體教學(xué)有機結(jié)合，制作出動態(tài)演示畫面。

二、教學(xué)實踐

采用動態(tài)演示教學(xué)，邊講解邊做圖，將一些抽象的概念形象化、具體化，讓學(xué)生了解三維的設(shè)計理論和造型過程，引導(dǎo)學(xué)生思維逐步深入，讓學(xué)生有一個完整的認(rèn)識和系統(tǒng)的思維過程，有利于幫助學(xué)生建立空間的概念。下面示例說明用CATIA V5 R18創(chuàng)成式制圖方法實現(xiàn)動態(tài)演示的教學(xué)過程，分析其中存在的問題，并提出相應(yīng)的解決辦法。

1.問題的引入

在“機械制圖習(xí)題集”中有這樣一道習(xí)題：[5]根據(jù)立體圖對照三視圖，分析物體的組合方式，補畫出視圖中所缺的圖線（如圖1）。

這道題屬于中等復(fù)雜程度的組合體讀圖補缺線題，雖然在題目右下角附了立體圖，但是幾乎每一屆都有學(xué)生問應(yīng)該如何補出缺線，特別是圖中箭頭所指部分在俯視圖中的投影所對應(yīng)的線不知如何畫出。如果沒有實物模型，僅對著軸測圖進行講解，不但很難講清楚，而且學(xué)生很難理解。空間想象能力好、善于鉆研的學(xué)生有時用小刀在粉筆上雕刻出實物模型，然后慢慢分析解決。這種方法雖然也能解決問題，但是效率不高。如果對三維軟件比較熟悉，借助于軟件平臺很快就可以做出立體模型并根據(jù)需要進行旋轉(zhuǎn)動態(tài)觀察。

2.將AutoCAD文件導(dǎo)入到CATIA草繪環(huán)境

創(chuàng)建該立體模型有兩種方法：一是按常規(guī)建模過程，先“草繪”，然后用“拉伸”、“開孔”、“鏡像”和“凹槽”等命令實現(xiàn)建模。鑒于該習(xí)題有dwg格式AutoCAD文件，可以采用第二種方法——直接將將AutoCAD文件導(dǎo)入到CATIA草繪環(huán)境，步驟如下。

（1）用CATIA將AutoCAD文件打開（默認(rèn)在工程圖中打開）。需要注意的是：如果CAD文件版本高于2000，需要將其轉(zhuǎn)換為2000或2000以下的版本，否則會出現(xiàn)錯誤提示對話框。

（2）選擇（點選或框選）需要的輪廓線（如圖2）“復(fù)制”。

（3）打開CATIA零件設(shè)計，切換到草繪環(huán)境，選擇基準(zhǔn)平面，然后“粘貼”。根據(jù)實際需要利用“固聯(lián)”、“相合”和“對稱”幾何約束調(diào)整草圖至合適位置（如圖2）。

3.建立三維模型

（1）利用“拉伸”生成基本實體（如圖3）。由于在AutoCAD環(huán)境下重合的兩條直線是看不出來的，如果不通過“工具”下拉菜單“草圖分析”對調(diào)入的草圖進行分析，則無法生成圖3所示基本實體并提示錯誤。

（2）利用“開孔”、“鏡像”和“凹槽”生成最終實體（如圖4）。

為了幫助學(xué)生看出俯視圖當(dāng)中所缺的線，可以用著色的方式重點顯示并利用鼠標(biāo)任意調(diào)整模型的位置。

4.生成三視圖

演示如何創(chuàng)建三維模型，讓學(xué)生有一個系統(tǒng)的思維過程，將空間的想象具體化。進一步，我們可以利用機件的三維實體模型創(chuàng)建并生成相關(guān)聯(lián)的二維工程圖（如圖5所示）。但這一過程中存在如下3個問題。

（1）當(dāng)由三維模型按“選擇自動布局”方式創(chuàng)建三視圖時，主視圖投影方向與本題不一致。修改步驟如下：在工程圖環(huán)境中選中“特征樹”上的“正視圖”，單擊右鍵“正視圖對象”、“修改投影平面”命令，重新定義主視圖的投射方向并將視圖旋轉(zhuǎn)到合適的位置；在修改完主視圖投影方向后，其他視圖并未隨之改變，需執(zhí)行“更新”命令。

（2）不顯示虛線、軸線和中心線。解決辦法：選中相應(yīng)視圖單擊右鍵選擇“屬性”，在屬性對話框中選中“修飾”區(qū)域相應(yīng)的“隱藏線”、“軸線”以及“中心線”等復(fù)選框。

（3）每個視圖旁邊標(biāo)注有視圖名稱和比例，與我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（當(dāng)按規(guī)定配置基本視圖時，可不標(biāo)注視圖的名稱）不一致。解決辦法：選中相應(yīng)顯示框，單擊右鍵“隱藏/顯示”，或者直接刪除。

以上只是通過組合體中“補缺線”類習(xí)題介紹了基于CATIA的“機械制圖”動態(tài)演示教學(xué)過程。同樣，此種教學(xué)方法還可應(yīng)用于“機械制圖”中的機件的表達方法、常用件和標(biāo)準(zhǔn)件、零件圖和裝配圖等教學(xué)內(nèi)容。特別是裝配圖的教學(xué)，采用CATIA的裝配設(shè)計（ASD）和電子樣機（DMU）進行零件裝配并運動仿真，可以讓學(xué)生直接感受到生產(chǎn)實踐。

三、結(jié)束語

利用CATIA進行“機械制圖”的動態(tài)演示教學(xué)，作圖簡單、形象具體、便于理解，是一種適應(yīng)現(xiàn)代化制造技術(shù)的新穎的教學(xué)方法。此方法不僅可以促進教師加強計算機技術(shù)和圖形學(xué)理論的學(xué)習(xí)，而且能使學(xué)生在較輕松的環(huán)境下掌握現(xiàn)代設(shè)計理念和設(shè)計方法，從而提高教學(xué)效率和效果。

參考文獻：

[1]林清夫.引入三維幾何建模的工程圖學(xué)教學(xué)模式分析與比較[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2006，(4):148-152.

[2]高玉芬，卜桂玲.機械制圖[M].大連:大連理工出版社，2005.

[3]傅筱.無紙化建造[J].南方建筑，2005，(5):81-86.

[4]詹熙達.CATIA V5機械設(shè)計教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[5]朱鳳艷.機械制圖習(xí)題集(機械專業(yè))(第二版)[M].大連:大連理工出版社，2004.

（責(zé)任編輯：劉輝）