三维造型设计在《机械制图》教学中的应用

秦然张平

（沈阳化工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110142）

0 引言

随着三维CAD/CAM技术的发展和应用的日益推广，工程和制造业的思维方式及工作方法都发生了很大变化，使工程设计和制造的基本理论与技术发展得到了很大提升。现代生产企业对工程技术人员掌握三维造型设计技术有着迫切需求，因为现代三维CAD技术为产品设计、制造提供了强大的三维平台。计算机应用技术不但可以替代绘图工具，更是空间设计和思维的工具和手段。这些发展现状要求以培养工程技术人员为己任的工科高等院校必须改革教学课程和教学模式，以适应社会对人才的需求。

《机械制图》课程是工科院校机械类专业重要的基础课程。随着现代制造业和计算机技术的不断发展，《机械制图》课程已经由过去的画法几何学与机械制图传统教学内容逐步发展为画法几何投影法、机械制图及CAD制图相辅相成的模式。因为机械类专业需要学生掌握现代机械设计的先进手段和方法，所以制图课程已经不仅仅要求学生学会工程图纸的绘制与阅读，更需要学生具备三维造型设计的能力。因此，如何将三维造型设计和机械制图有效地融合，改变传统教学模式，使学生掌握二维制图表达能力的同时，提高创新思维和三维造型设计能力，是机械制图教学改革面临的主要任务。

1 制图课程改革的现状及特点

随着计算机技术的发展，借助于一些三维软件，如Inventor、Solidworks、UG、Pro-E、Catia等，可以进行三维形体构型、零部件装配等三维设计和操作，学习这些三维软件会在很大程度上增强学生的空间思维能力和三维造型设计能力。

许多高校引入三维CAD课程，提高学生空间构型思维，在制图课程教学改革方面进行了大量的研究和实践。调查显示，截止2008年，85%的学校开设了计算机绘图课程，其中32%的学校开展了三维CAD教学，计算机绘图课程必修与选修各占一半[1]。

三维造型设计与机械制图的结合形式上大致分为四种形式：融入式、分段式、独立式和CG主导式。融入式是将计算机三维软件与传统内容密切协调，有机结合到各章节中讲解；分段式是集中在一章或几章中讲授三维软件的应用；独立式是单独设立三维CAD课程，与制图课程并列讲授；CG主导式是以计算机课程为主线，将传统内容穿插进去讲授[2]。

大多数院校的教学模式是采用分段式和独立式思路。用传统教学方法完成制图课程教学后，再花费一些学时讲授三维CAD软件的使用，将两部分课程简单叠加。这样教学模式简洁方便，不用花费太多教学以外的时间整合教学内容，但是这种教学模式能保证原有制图教学不受影响，却没有充分发挥三维CAD软件在制图课程教学中的应有作用，很少能够把学到的制图知识和技能充分地运用到机械设计中。CG主导式教学模式以计算机绘图和辅助设计为主线和手段，将传统制图课程内容穿插进去学习课程内容，这种教学模式需要重新构建课程和教学体系，主要应用于机械类专业课程的深入学习和以扩大知识面为目标的少学时基础制图课程的学习。

融入式教学模式根据制图课程的不同阶段引入相应的CAD三维建模内容，贯穿于制图课程教学活动的全过程，这种教学模式增强了学生的空间思维能力、三维形体与二维图形之间的相互关系的理解，强化了零部件在形状结构上、连接配合上的直观理解，从而激发学生的创新思维能力。融入式教学模式以利于制图教学为准则，以提高学生创新思维和培养学生三维造型设计能力为目的，是比较合理和有效的模式。

2 三维造型设计在《机械制图》教学中应用的具体措施

根据实际教学改革的经验，采用融入式的教学模式。

2.1 三维造型设计引入《机械制图》课程教学的形式与时机

三维造型设计软件选用Autodesk Inventor,该软件是美国Autodesk公司于1999年底推出的中端三维参数化实体模拟软件[3]。Inventor软件界面友好、上手快、便于利用少学时掌握，教学上可以把有限学时用于培养学生利用软件分析问题和解决问题的能力以及进行三维形体造型设计的思路上。三维造型设计教学穿插在《机械制图》教学中进行，让三维造型设计内容与制图课程内容密切融合，相辅相成。

三维造型设计内容引入制图课程的时机是比较关键的。制图课程开始讲授立体部分时，引入三维造型设计内容，在制图课程讲授组合体时，把三维造型设计的各个方法讲解透彻。利用三维软件Inventor进行三维造型的拉伸、旋转、扫掠和放样等方法引导学生掌握制图课程中基本立体的概念和形成过程，通过Inventor软件中三维造型所采用形体布尔运算的和、差、交等运算方法，讲授机械制图中组合体的叠加型、挖切型、综合型构成方式。这样在学生掌握了制图课程内容的过程中逐渐理解三维造型的实质意义。这个教学阶段是引入三维造型设计的关键时机。

2.2 三维造型设计与《机械制图》课程内容的融合

融入式教学模式需要把三维造型设计与机械制图课程的教学内容有机结合在一起同时讲授，这样就需要适当整合编排教学内容各环节。具体教学内容分几个部分进行：

三维CAD软件的基础与制图基本知识教学结合。Inventor软件基础操作（如界面、各项设置、草图技术、二维草图的绘制等）的讲授安排在机械制图课程基本立体内容之前 （即是讲授制图基本知识和技能，点、直线、平面投影特性部分时）进行，使学生初步掌握Inventor的基本操作，为后面三维造型操作的学习做好准备。

三维造型设计的简单特征创建与机械制图的基本立体教学结合。在讲授机械制图基本立体时，引入三维造型基本建模部分（简单特征的创建）的内容。Inventor软件中基本立体的建模功能与机械制图中基本立体及其形成过程的概念是吻合的，都是基本要素经过拉伸、旋转、扫掠和放样，形成基本立体结构。这样学生能准确抓住基本形体的特征，为后面复杂形体和三维造型的学习打下良好基础。

三维造型设计复杂特征创建及编辑与机械制图的组合体教学结合。机械制图的组合体部分是课程的重点和难点，在传统教学中学生对组合体中的一些交线的产生和画法理解比较困难，是由于缺乏形象思维和空间概念。组合体的分析方法主要是形体分析法，这和Inventor软件中三维造型采用的布尔运算的和、差、交等方法以及复杂特征的创建是吻合的。组合体正是运用叠加、挖切等分析方法分析各种复杂结构，在这一部分讲解过程中穿插学习Inventor三维造型的各种方法手段，把两部分融合在一起讲解，能够让学生透彻理解各种复杂立体的结构和形成过程，提高学生的画图和读图能力，同时让学生自己上机操作进行三维建模，学会组合体的三维造型设计，可谓一举两得。

三维造型设计的参数化与机械制图的尺寸标注教学结合。机械制图中尺寸标注部分是非常重要的内容，传统教学中学生对尺寸标注的掌握一直不理想，因为学生没有生产实践经验，也没有掌握制造行业的工艺知识，因而不能够深入理解尺寸标注的真正意义。在使用Inventor软件进行三维造型设计过程中，参数化造型设计是软件建模的理念，各个草图的约束是必不可少的。草图约束分为几何约束和尺寸约束，软件正是以此来准确绘制各个草图，进而精确完成三维建模造型。几何约束和尺寸约束正好和机械制图中定位和定形尺寸标注对应，学生在进行三维造型设计中需通过建立草图约束，完成草图的参数化，做到模型的参数化关联，这些恰好可以帮助学生明确机械制图中各种形体和零件在二维视图中尺寸标注的意义，还可以帮助学生深入理解和掌握尺寸标注的国标规定。

三维造型设计的工程图与机械制图的表达方法教学结合。工程图比三维实体更易于表现细节和各种标注，易于指导生产。Inventor软件具有良好的工程图功能，把这部分内容与机械制图的表达方法章节结合教学，可以使学生明确各种表达方法的画法和有关规定，还可以让学生运用三维软件的工程图功能遵照制图表达的规则生成、编辑和绘制出所需的工程图，表达正确、准确。在Inventor软件工程图纸模块中，可以根据需要创建形体的基本视图、斜视图、局部视图及剖视图，在工程图环境下进入草图模式对工程图进行修改和编辑，以符合我国国家标准和行业标准。

三维造型设计和部件的装配与机械制图的零件图和装配图教学结合。使用三维造型设计可以完成各种虚拟零件的三维建模，还可以利用Inventor软件自带的标准零件库和使用iPart功能制作常用件库，可以赋予模型尺寸公差和各个物理特性（如零件的材料等），使之成为“真正”意义的零件。使用Inventor软件的装配功能检验零件结构的合理性和准确性，借助软件的表达视图功能可以实现装配体的装配过程和内部构造的演示，使用软件的动画功能观察装配体的工作原理和运动状态，查看设计结果……这些都是用传统教学模式单纯绘制零件图和装配图不能实现的。通过学生自己动手完成机械制图课程所要求的零件图和装配图对应的三维虚拟模型的创建，使学生明确自己所画零件图和装配图对应的三维实体，检查图纸的正确与错误，能够带给学生学习和掌握零件图、装配图的成就感，并且理解和初步掌握先进的三维造型设计理念。

3 结束语

把三维造型设计融入到《机械制图》课程教学中，改革教学模式，不但能提高学生绘制和阅读工程图的能力，而且使学生初步掌握了三维造型设计的能力，适应现代工程设计和制造一体化的需要，符合我国工业生产的发展状况。三维设计是制造业信息化技术逐步发展的必然方向，如何适应发展的需求是高校教育所思考的问题，文中阐述的教学模式是对《机械制图》课程教学改革的一种尝试，还须在今后的实践中不断完善，为制图课程教学改革提供一定的理论和实践的参考。

［1］焦永和，张彤，等.第7次普通高等学校图学教育现状的调查与研究[J].工程图学学报，2009，30（3）：168-172.

［2］陈锦昌.论本科工程图学课程教学基本要求的修订[J].工程图学学报，2004，25（3）：101-105.

［3］胡仁喜，康士廷，刘昌丽，等.Autodesk Inventor Professional 2012中文版从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012：2-14.