基于三維建模技術的機械制圖教學方法研究

徐蔚

（天津工業大學機械工程學院 天津 300160）

基于三維建模技術的機械制圖教學方法研究

徐蔚

（天津工業大學機械工程學院 天津 300160）

隨著計算機軟硬件水平的提高，三維建模技術的應用越來越廣泛，對于機械制圖教學的內容和方法也有深遠的影響。針對機械制圖教學中存在的一些問題，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作為輔助工具予以解決。

機械制圖；三維建模；教學；UG

三維建模技術是計算機應用的一項重要技術，近年來，隨著計算機軟硬件技術水平的迅速提高，三維建模技術的應用也越來越廣泛?！稒C械制圖》是機械類學生必修的一門專業基礎課，但是由于課程本身具有抽象、難懂等特點，很多學生學習起來很困難。如果能夠將形象直觀的三維建模技術與抽象的機械制圖結合起來，會對學生的學習有很大幫助。

傳統機械制圖教學存在的問題

《機械制圖》是工科院校的一門專業基礎課，其主要任務是學習正投影法的基本理論，熟悉國家制圖標準的相關規定，培養學生的空間想象能力和空間分析能力，使學生掌握繪制和閱讀工程圖樣的基本方法和技能，這些是工程技術人員從事產品設計、開發、生產等工作不可缺少的。但由于《機械制圖》課程通常在一年級開設，學生沒有金工實習經歷，普遍缺乏實踐經驗，課程本身具有抽象、難懂的特點，很多學生學習起來很困難。在傳統教學中，教師為培養學生的空間想象能力，提高教學效果，上課時會帶一些木制模型或掛圖，以增強學生對圖形所對應形體的感性認識和了解，但是，傳統模型的體積和重量較大，教師攜帶不便，模型的數量和種類也是有限的，無法隨著教學內容的變化而隨意修改，而且這些模型通常形體比較簡單，對于復雜形體而言，制作模型的成本太高，也不可能按照教學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

機械制圖研究的對象是工程圖樣，是用一組平面圖形表達三維形體。長期以來，工程圖樣都是工程技術人員指導生產、進行技術交流的一個重要工具，也為人類生產、生活水平的提高做出了很大貢獻。工程圖樣的優點是度量性好，但是直觀性較差，必須經過專業的訓練才能讀懂和繪制。傳統的方法是，設計者在大腦中先構建出產品的立體模型，然后繪制出其二維工程圖樣表達其設計理念，經不斷修改和完善后，再通過加工將其立體制作出來。隨著科技的發展和計算機應用的普及，人們逐漸采用CAD技術，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，設計方法從本質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，計算機的應用也從最初的幫助人們繪制圖樣發展為三維建模，設計方法在本質上發生了改變。三維建模是直接在三維環境下進行設計，以三維立體圖形直接表示空間形體，這樣不僅能夠更直接、全面地反映設計者的設計思想，提高設計質量和效率，而且所建立的三維模型結合其他CAM、CAE軟件，還能進行后續的加工仿真、裝配仿真、數控加工編程等工作。

三維建模技術在近幾年得到了大力發展和廣泛應用。如今，應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、汽車等各個領域均有應用。

三維建模技術在教學中的應用

應用三維建模軟件，可以方便快捷地建立物體的三維模型，向學生演示。對這些模型的材質和光源可以進行渲染，使其具有與真正零件相同的真實感；利用旋轉命令可以從不同的角度對形體進行觀察，還可按照教學需要在課堂上進行一些處理。例如，在講解截交線、相貫線時，可以動態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，加強學生對其形狀的了解，也可利用三維建模軟件的參數化功能，修改立體的尺寸或相對位置，觀察截交線、相貫線發生了哪些變化；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行組合；對切割式的組合體，上面的一些圖線學生理解較困難，可以在課堂上演示其切割順序，讓學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，可以在課堂上構建完整的立體，再演示選擇合適的剖切平面對形體進行各種剖切，讓學生清楚地看到零件的內部結構以及剖切面后方的可見部分，更清晰地了解各種表達方法，更好地區分全剖、半剖、局部剖、階梯剖、旋轉剖等；對于學生而言，裝配圖是很難掌握的一部分內容，對此也可以借助三維建模軟件分別建立各零件的模型，并可根據不同的位置和裝配約束關系組裝成部件，使學生深入了解各零件間的裝配關系，還可以將裝配好的部件進行爆炸式分解，進一步展示各零件的相對位置和裝配關系，同時可利用三維建模軟件的動畫功能生成動畫，使學生更好地了解部件的工作原理、裝拆順序，提高學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中一個重要的實踐環節，是前面所學知識的綜合。在此環節中，也可以用三維建模軟件為學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，可以及時根據教學內容的調整方便快捷地進行修改，滿足教學中對模型種類及數量的需要，達到降低成本、提高教學質量的目的。

UG軟件是美國EDS公司開發的面向制造業的CAD/CAM/CAE大型集成軟件，具有強大的三維建模、數控加工編程、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場演示，一方面，可以加強教師與學生的交流，使抽象的問題具體化，加深學生對課堂知識的理解和掌握，有利于激發學生的觀察力、想象力；另一方面，還可以提高學生對本課程的學習興趣，使學生養成獨立思考的習慣，逐漸提高學生的空間想象能力和空間分析能力，大大提高教學效率，并為后續的CAD/CAPP/CAM課程打下良好的基礎。

利用三維模型的直觀性、形象性、易修改等特點，將三維建模技術與機械制圖的教學結合起來，可以使學生的空間想象能力、空間分析能力得到提高，可在使學生掌握知識的同時，實現教師與學生的良好互動，提高學生的學習效率和積極性，激發學生的創造力，有利于培養學生的創新能力，從而使學生的綜合素質得到進一步提高，使他們能更好地適應社會需要。

[1]陳錦昌，陳熾坤，劉林，等.工程制圖課程由CG主導式轉向三維造型設計改革的思考[J].工程圖學學報，2002（1）：76-80.

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[3]徐秀娟.運用SolidWorks軟件進行《機械制圖》教學方法改革的實踐[J].陜西國防工業職業技術學院學報，2006，16（2）：27-28.

[4]霍光青，劉潔.三維設計軟件在工程制圖教學中的應用與探討[J].工程圖學學報，2002（5）：86-91.

（本欄責任編輯：謝良才）

G712

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1672-5727（2012）07-0108-02

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