異維圖示工程形體的研究與實(shí)踐

許幸新 白聿欽 張曉輝河南理工大學(xué) 河南焦作 454000

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異維圖示工程形體的研究與實(shí)踐

許幸新 白聿欽 張曉輝
河南理工大學(xué) 河南焦作 454000

摘 要：以融合式引入三維建模的教學(xué)模式為基礎(chǔ)，提出制圖教學(xué)中工程形體表達(dá)的新方法——異維圖示法，并給出異維圖的定義、創(chuàng)建步驟以及讀圖要求。實(shí)踐表明，由異維圖表達(dá)工程形體能顯著提高讀圖效率和加快繪圖速度，該模式已取得初步成效，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工程形體；三維建模；融入式教學(xué)；異維圖

近年來(lái)，如何在制圖教學(xué)中融入三維CAD技術(shù)是我國(guó)圖學(xué)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。綜合我國(guó)國(guó)情，完全以三維取代二維尚不現(xiàn)實(shí)，三維CAD與二維CAD會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)共存，課程體系改革是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須正確把握二維、三維的關(guān)系。人們已認(rèn)識(shí)到三維圖對(duì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要性，并將三維繪圖技術(shù)應(yīng)用于課程實(shí)踐作了不少研究[2-4]。筆者結(jié)合多年來(lái)的改革探索和教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)工程形體現(xiàn)有二維工程圖不易讀懂的問(wèn)題[5]，從“形體”出發(fā)，以三維建模技術(shù)作為主線融合滲透教學(xué)的全過(guò)程，即在融合式引入三維建模教學(xué)模式的基礎(chǔ)上[6]，提出二維視圖和三維立體圖融為一體的工程形體表達(dá)新方法——異維圖。異維圖是對(duì)畫法幾何投影理論的繼承和發(fā)展，是在計(jì)算機(jī)三維建模的基礎(chǔ)上生成的，繪圖精確迅速、圖形直觀易懂，符合時(shí)代發(fā)展需求，應(yīng)是未來(lái)制圖技術(shù)發(fā)展的新方向。該模式經(jīng)河南理工大學(xué)本科機(jī)械大類專業(yè)的圖學(xué)課程推廣實(shí)施，已取得初步成效。

1 異維圖示法和異維圖

工程形體一般指機(jī)器零件、機(jī)器設(shè)備和建筑物，這里，我們將同時(shí)用二維圖和三維圖表達(dá)工程形體的方法稱為異維圖示法，由異維圖示方法繪制的工程圖稱為異維圖。

設(shè)一工程形體G，其異維圖定義為GY，則：

GY= GY﹛Wijk,wi; NX-X,nX-X﹜。

W，w表示工程形體外形的三維圖和二維視圖；N，n表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維剖切圖和二維剖視圖；

i，j，k=z，y，q，h，s，x，r；(z，y，q，h，s，x，r)=(左，右，前，后，上，下，任意投射方向)；X=(A，B，C……Y，Z)。

其中，Wijk為各方向的三維外形圖；wi為左、右、前、后、上、下投射得到的基本視圖及任意方向的二維視圖；nX-X為在二維視圖wi中沿X-X位置剖切，沿箭頭方向投射得到的二維剖視圖；NX-X為沿X-X位置剖切得到的三維剖切圖，與nX-X相對(duì)應(yīng)。

可見(jiàn)，在異維圖中分別用兩類圖表示工程形體。

(1)三維外形圖Wijk和二維視圖wi表達(dá)工程形體外形。

(2)三維剖切圖NX-X和二維剖視圖nX-X表達(dá)工程形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，均采用全剖。

由于在異維圖中工程形體外部形狀已由三維外形圖Wijk和二維視圖wi表達(dá)，表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維剖切圖和二維剖視圖都采用全剖，因此，傳統(tǒng)工程形體表達(dá)方法中的半剖視圖和局部剖視圖就沒(méi)有必要存在，在異維圖表達(dá)時(shí)可以刪去，以簡(jiǎn)化作圖方法，提高識(shí)圖效率。

如圖1截止閥異維圖所示，外部形狀由左前上三維圖Wzqs、前視圖wq、上視圖ws、左視圖wz表達(dá)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為nA-A，NA-A，nB-B，NB-B，分別表示ws上A-A處和wq上B-B處的剖視圖及其三維剖切圖。

圖1　截止閥的異維圖

2 工程形體的異維圖

工程形體異維圖的創(chuàng)建以當(dāng)代成熟的計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)為基礎(chǔ)，這里選用簡(jiǎn)單易學(xué)的繪圖軟件Solidworks，以截止閥為例說(shuō)明異維圖的創(chuàng)建過(guò)程。

(1)利用Solidworks的“零件”模塊，根據(jù)立體特征造型的方法，構(gòu)建閥體三維模型(如圖2所示)。

(2)通過(guò)“工程圖”模塊的三維和二維的轉(zhuǎn)換功能，創(chuàng)建三維外形圖和不同方向的二維視圖，得到表達(dá)工程形體外形的異維圖(如圖3所示)。

圖2　閥體三維模型圖

圖3　閥體外形的異維圖

(3)構(gòu)建工程形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異維圖。根據(jù)工程形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和表達(dá)需要，在適當(dāng)?shù)亩S視圖上繪制剖切位置線和選擇投影方向，利用“工程圖”模塊生成一組相對(duì)應(yīng)的二維剖視圖與三維全剖切圖，以異維、同視角反映工程形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)于形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程形體則采用多組相對(duì)應(yīng)的二維剖視圖和三維全剖切圖表達(dá)。如圖1所示，在Solidworks工程圖環(huán)境下，分別在上視圖ws的A-A處和前視圖wq的B-B處作剖切位置線，求得相應(yīng)的二維剖視圖和三維剖切圖nA-A和NA-A，nB-B和NB-B，反映閥體左右方向和前后方向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(4)標(biāo)注異維圖。異維圖的標(biāo)注是為了導(dǎo)引讀圖，反映各圖間的關(guān)系，以便全面把握工程形體的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，其標(biāo)注包括：外部形狀圖標(biāo)注、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖標(biāo)注以及尺寸標(biāo)注。

工程形體三維外形圖與二維視圖反映外部形狀可稱為外部形狀圖，標(biāo)注時(shí)要注明其名稱，其名稱要反映外部投影方向。如圖1閥體外形圖中，由左前上方投射的三維外形圖上方標(biāo)注Wzqs、前視圖標(biāo)注wq、左視圖為wz，俯視圖為ws。

各二維剖視圖和對(duì)應(yīng)的各三維剖切圖用于表達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，要注明其名稱、剖切位置編號(hào)。至于投射方向已在相應(yīng)二維視圖中由箭頭指出，不必再重復(fù)反映。二維剖視圖及其對(duì)應(yīng)的三維剖切圖的名稱只是同一字母用大小寫區(qū)分而已，剖切位置編號(hào)和投影方向保持一致。如圖1中俯視圖ws上標(biāo)注剖切線A-A及投射方向，其對(duì)應(yīng)的剖視圖nA-A和三維剖切圖NA-A。

對(duì)于標(biāo)注尺寸，外形尺寸標(biāo)注在反映外形的二維視圖上，內(nèi)部尺寸標(biāo)注在剖視圖上，三維圖上不標(biāo)注尺寸。如圖1所示，標(biāo)注外形尺寸，總長(zhǎng)168、總高110及主體尺寸Ф55，44，56等，而剖視圖中標(biāo)注內(nèi)部空腔尺寸，如Ф62，110，Ф36，80，28等，三維外形圖和三維剖切圖上不標(biāo)注尺寸。

閱讀異維圖時(shí)，先三維圖，后二維圖，二維圖和三維圖作對(duì)照，二維圖之間對(duì)投影，并注意按照由外到內(nèi)、由全局到局部、由概括到具體的次序，在聯(lián)系尺寸的基礎(chǔ)上建立對(duì)工程形體結(jié)構(gòu)的完整認(rèn)識(shí)。

3 異維圖示工程形體的教學(xué)實(shí)踐

筆者嘗試在融合式引入三維建模的教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，以立體表達(dá)為主線、異維圖示為工具，構(gòu)建并出版了基于異維圖的《現(xiàn)代機(jī)械工程制圖》教材[7]，并配套習(xí)題集和多媒體課件使用，再輔以上機(jī)指導(dǎo)課。這種模式經(jīng)我校2011-2013級(jí)機(jī)械大類專業(yè)的圖學(xué)課程推廣使用后，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯調(diào)動(dòng)，由原來(lái)的被動(dòng)學(xué)習(xí)，變?yōu)橹鲃?dòng)思考、主動(dòng)學(xué)習(xí)，在構(gòu)型、表達(dá)、讀圖和制圖能力等方面明顯提高，選派的學(xué)生多次在省級(jí)、國(guó)家級(jí)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)大賽、工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。其中，2012年的學(xué)生作品在第五屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，2013年“無(wú)碳小車越障競(jìng)賽”在第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽中榮獲國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

異維圖示簡(jiǎn)化了作圖方法，提高了繪圖速度，降低了讀圖難度，在工程建設(shè)中有助于工程技術(shù)人員較快地認(rèn)識(shí)把握工程形體結(jié)構(gòu)，提高工作效率，對(duì)工程行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有一定推動(dòng)作用。但由于異維圖示是一種新的工程形體表達(dá)方法，還有很多地方需要進(jìn)一步完善，教學(xué)中必須注意引入的適時(shí)性和適量性，并且處理好課程內(nèi)容的增減與學(xué)時(shí)數(shù)之間的關(guān)系等。只要全體圖學(xué)教育者大膽進(jìn)行教育教學(xué)改革和創(chuàng)新，就一定能夠讓古老的圖學(xué)煥發(fā)新的光彩！

參考文獻(xiàn)

[1] 伍文進(jìn).三維CAD技術(shù)發(fā)展及其對(duì)制圖課程教與學(xué)影響之探討[J].中國(guó)電力教育,2014(11):165-167.

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[3] 羅會(huì)甫,焦永和.基于參數(shù)化造型設(shè)計(jì)及表達(dá)的工程制圖國(guó)際化教學(xué)實(shí)踐[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2):136-140.

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[7] 白聿欽,莫亞林.現(xiàn)代機(jī)械工程制圖[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

Study and Practice on Engineering Object with Different Dimensional Graphics

Xu Xingxin, Bai Yuqin, Zhang Xiaohui
Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454000, China

Abstract:Based on integrating 3D modeling technology into the course system, a new method for engineering object expression, different dimensional graphic method is proposed in the teaching of Engineering Graphics. The definition of different dimensional graphics, establishing procedures and interpretive requirements are given. Practice shows that such method for engineering object expression could significantly improve interpret efficiency and enhance drawing speed. And this model has achieved initial success and deserves promotion and application.

Keywords:engineering object; 3D modeling; merge-integrated teaching; different dimensional graphics

基金項(xiàng)目：河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號(hào)：2012SJGLX127)；河南理工大學(xué)示范教師教改專項(xiàng)(2013JG009)；河南理工大學(xué)博士基金(編號(hào)：B2011-096)。

作者簡(jiǎn)介：許幸新，碩士，副教授。

收稿日期：2015-09-01