三维CAD技术发展及其对制图课程教与学影响之探讨

伍文进

摘要：阐述了三维技术发展的历程与趋势，并针对机械类制图课程教学中教师难教、学生难理解的问题，提出了采用三维CAD技术融入制图教学的新思路。在实际运用中，可通过以法国达索公司的Solidworks软件为例的三维建模技术与制图内容相互支撑、相互融入的教学方法。实践证明三维CAD技术的融入确实能够提高学生的工程图的理解和表达能力，在此基础上培养出更多具有创新能力的设计人才。

关键词：制图；三维CAD；教学改革；工程图

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0165-03

一、CAD概念、发展历程及趋势

CAD即计算机辅助设计（CAD-Computer Aided Design）利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家工业技术水平的重要标志。

CAD技术的发展和形成至今有60多年的历史，自20世纪50年代在美国诞生了第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式计算机辅助设计技术，即CAD技术。到目前，CAD的发展经历了四次技术革命。

第一次CAD技术革命——曲面造型系统（CATIA）：60年代，线框式系统其特点有：只能表达基本的几何信息；无法表达几何数据间的拓扑关系；无法实现CAE及CAM。70年代，法国达索飞机制造公司CATIA：以表面模型为特点的三维造型系统提出贝赛尔算法解决计算机处理曲线和曲面问题，实现计算机完整描述产品零件的主要信息，改变了借助油泥模型来近似表达曲面的工作方式。这标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息的方式。

第二次CAD技术革命——曲面造型技术（I-Deas）：由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于CAD的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。表面模型技术基本解决了CAM有关问题，但是CAE无法实现。1979年SDRC推出完全基于实体造型技术的I-deas，实现了CAE。

第三次CAD技术革命——参数化技术（Pro/E）：在实体造型技术逐渐普及的时候，80年代中期，PTC公司推出基于参数化实体造型技术的Pro/E。

第四次CAD技术革命——变量化技术（I-Deas）：SDRC公司投资1亿美元在1993年推出基于变量参数化技术的全新体系结构I-DEAS Master Series软件；UGS公司收购了SDRC公司推出了融合UG和I-DEAS的NX系统。计算机技术的不断成熟，使得现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。综合应用多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。三维CAD软件体系架构如图1所示。

CAD产品从操作平台上主要分为两大类：一是工作站上的CAD绘图软件，由于工作站上的CAD软件技术复杂，售价高，并且涉及到企业多方面的应用以及以后的管理和国标化等后续工作，因此企业在选型时应十分慎重。二是微型计算机平台上的CAD绘图软件。在此平台上运行的高性能三维CAD软件具有图标直观、操作简便、价格适中、图形显示技术支持好的特点，为三维CAD技术的普及和应用提供了十分有利的客观条件。目前国际上流行的三维CAD（多数包含CAE和CAM等模块）软件有数十种，基本功能大体相同，但也各有所长。表1中列举了国内外常用的CAD软件。

众多CAD软件中，法国达索公司的SolidWorks是一套功能相当强大的三维CAD软件。该软件的界面友好，易学易用，上手快及价格优势，使得企业及个人用戶较多，国内相当多的中小型企业都在使用SolidWorks 软件。软件主要包括零件设计、装配设计、工程图模块，软件可以进行实时的全相关性的参数化尺寸驱动，例如当设计人员修改了任意一个零部件尺寸约束，则与之相关联的装配图、工程图中的尺寸均随之修改。零件草图设计中漏标尺寸（欠约束）或多标尺寸（过约束）能实时体现出来，这些功能在二维设计软件系统如Autocad中是没有的，SolidWorks软件还可与高级图像软件Photoworks、有限元分析软件Cosmos、机构运动学分析软件Motionworks、产品数据管理软件SmarTeam 以及数控加工模块Camworks等著名软件无缝集成。

近年来三维CAD软件发展的趋势是：第一，操作性。CAD软件是产品创新的工具，务求易学易用，复杂的功能操作简单，简单的功能能够实现自动化，所以CAD软件操作性是向简便性、易学以用的方向发展。第二，智能化。建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误、回答问题、提出建议方案等。第三，虚拟现实技术。设计人员在虚拟世界中创造的新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，装配设计及运动仿真能及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题。第四，集成化。集成化是很多系统的发展方向，CAD系统也不例外，目前CAD的发展方向可以用以下内容表示：CAD+CAM=CAD/CAM；CAD/CAM+CAPP+CAT+PDM=CAE。就目前现状来说，集成化后的最高层次就是计算机集成生产系统-CIMS（计算机/现代集成制造系统）。

二、机械类制图课程教学的现状

随着现代制造技术与计算机技术的不断融合发展，工程图学大纲新的教学基本要求中增加了“创造性构型设计能力、使用绘图软件绘制工程图样及进行三维造型设计能力的培养”。因此工程图学教学大纲中理应增加利用三维设计软件进行构型设计的内容，只有这样才能完成三维造型设计能力培养的教学目标。高等院校工程图学课程由最早的工程制图 +手工绘图（图板与丁字尺）传统教学模式演变为工程制图+二维计算机绘图再演变成如今的工程制图、画法几何学的投影、三维CAD绘图软件教学三位一体，相辅相成的格局。调查显示，截至2013年，有机械类专业的高等学校95%都开设了计算机绘图课程，其中50%的学校开展如PRO/E、UG NX三维CAD软件的教学，三维CAD绘图课程的平均学时为32左右，如今的工程制图课程已经由过去单纯的画图、读图等制图技能本身的训练，向体现以设计为培养目标的逐步转换。

三维CAD技术的引入，在制图课程教学内容、教学方法以及机械类学科在整体课程体系设置上引发了很多从事多年制图课程教学的专家思考。三维CAD技术确实较二维CAD技术先进很多，但是如何打破原有的教学理念，使三维CAD技术与制图内容有机结合？在响应国家“卓越工程师”号召下，如何培养出具有创新思维的跨世纪的人才，如何进行制图课程内容的取舍添加整合等方面的探索与改革，是制图课程改革的主要任务之一。本文主要讨论采用三维CAD技术的制图教学实践中的若干探索。

三、三维CAD制图教学内容的融合与实践

借助于UG、CATIA、Solidworks 等三维绘图软件进行零部件设计、零部件装配，大大地增强了学生的空间思维能力，提高了学生对于制图课程的学习热情，明显提高了学习效率。但由此也引发了三維CAD制图与传统制图内容有机结合的思考。

三维CAD制图在内容和教学体系上通常采用融入式、独立式和CG 主导式3种模式。融入式是将三维建模原理、方法融合渗透到工程制图课程中，与传统内容密切协调，互为补充。独立式是将三维CAD独立于制图课程，完全构成独立的新课程体系。CG 主导式是以计算机绘图为主线，将制图内容穿插其中，讲授内容可按三维实体构成分析、二维投影制图、三维实体设计与表达、三维实体转化为二维视图、课程设计的授课思路。融入式教学是在原有制图课程的不同章节引入相应的CAD三维建模内容，如此可帮助部分空间想象能力较弱的学生的空间思维能力以及三维形体与二维图形之间的相互关系的理解。目前高校制图课程的课时较多的授课模式还是融入式教学。

三维CAD技术与工程制图传统教学内容的融入的实践，首要问题就是要做好三维CAD技术与工程制图传统教学内容在某些概念上的变通，下面以SolidWorks为例：

第一，传统工程制图中的“投影面”与SolidWorks软件中的“坐标平面”的思维变通。

第二，传统工程制图中的“点的投影定位”与SolidWorks中的“直角坐标定位”的思维变通。

第三，传统工程制图中的“平面图形”与SolidWorks软件中的二维草图的思维变通。

第四，传统工程制图中的“平面图形的尺寸标注”与SolidWorks软件中的二维草图中尺寸约束、几何约束的思维变通；传统内容中平面图形的尺寸标注引出了定形尺寸和定位尺寸的概念。在SolidWorks软件中，草图引入了尺寸约束和几何约束的概念。因此在分析平面图形的尺寸标注时应该引用尺寸约束和几何约束的概念来分析平面图形，添加适当的几何约束和必要的尺寸约束使草图完全约束，使设计更加严谨。

第五，传统工程制图中的“基本立体”及“立体的名称、分类”与SolidWorks软件中的“成型方法”的思维变通；机械工程图学教材中的立体或常见的典型零件基本上都可以在SolidWorks软件中采用基于草图的“拉伸”、“旋转”、“放样”、“扫掠”等成型方法构成。

基本立体与CAD成型如图2所示：

第六，传统工程制图中“组合体读图”与SolidWorks成型方法的思维变通。利用传统的形体分析法读图时，就是利用特征视图来确定物体的空间形状。但该物体的成型方法和过程只能用切割法或堆叠法来解释。如下图4中的立体可分析成由长方体经切割形成或由几部分堆叠而成。

现代三维CAD构型设计都是基于二维草图生成三维立体。如果将特征视图与三维CAD中的草图联系起来就可赋予特征视图以新的意义和作用：也就是以特征视图的外轮廓作为草图再采用相应的拉伸等成型方法来生成立体。如图5所示的物体，其左视图为特征视图，立体可分析成以左视图为草图，再以与草图平面相垂直的方向为矢量一次拉伸成柱体，而不再将其分析为切割或叠加而成。由此可见，特征视图已经由原来利用特征视图想象物体形状和结构特点思路演，变成利用特征视图的外轮廓作为立体成形的草图轮廓的新思路。

四、结束语

综上所述，三维CAD技术的发展及其在工程制图课程教学中的应用效果，证明了工程图学的教学内容、教学模式的改革已是大势所趋。通过徐州工程学院工程制图实际教改效果也证明了在讲授机械制图课程中分章节阶段性引入三维CAD的设计理论和造型方法，适时地利用三维CAD技术的功能演示二维草图、三维实体模型、制图之间的转换过程，可以收到事半功倍的教学效果，使学生能够掌握现代设计理念和设计方法。在此基础上不少学生在省级大学生机械创新计划和机械类发明专利研究中也取得了佳绩，从而也适应了国家“卓越工程师”培养的要求。

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（责任编辑：王意琴）