三维CAD动态建模辅助工程制图教学的方法

吴擎　杨扬　夏俊芳　刘梅英

[摘 要]三维动态建模辅助工程制图教学实践的方法是通过组合体投影、组合体形体分析等内容与三维动态建模的多视角、草图建模、参数驱动等特点有机结合，使得投影规律、组合体的画图和读图等内容直观化、动态化，符合学生的认知思维。教学实践表明，该教学方法是行之有效的，可有效提高学生的学习兴趣和积极性，增强学生的空间想象力和空间思维能力，培养画图和读图能力。

[关键词]工程制图 三维CAD动态建模 动态辅助

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）09-0161-02

随着计算机技术和图像算法的快速发展，将二维、三维CAD融入工程制图课程的教学改革逐渐受到广泛关注。[1]国外一些大学也正尝试无纸化教学，将三维造型和计算机绘图直接引入工程制图课程。国内一些大学在工程制图教学中也尝试引入三维CAD软件，具体体现在：王建华等系统论述了三维建模入手的工程制图教学改革方案；[2]张京英等对比和论述了不同的三维CAD教学模式；[3]张淑艳等介绍了三维CAD辅助工程制图教学的方法；[4]同时《画法几何及机械制图》等教材也在书中前面章节首先简单介绍了三维CAD软件，将计算机三维造型的内容与二维绘图一样，融合到教学的全过程中，成为全书的主线，以便辅助学生学习。[5]

本文主要研究三维CAD动态建模在工程制图教学中与知识点的融合和应用，采用动态建模过程在视图投影、相贯线、组合体画法和组合体读图等几个知识点来阐述这一方法，增强了学生学习的兴趣，提高了学生的构型思维，加速了学生在三维和二维之间的思维转换效率，教学效果良好。

一、动态多角度观测物体与视图直观建立

如图1（a）所示为一几何形体在投影面系中投影的过程，其中蓝色的为物体，白色线框围成的为投影面系，选择任何一投影面时，可以直接将物体投影至该投影面，形成视图，使学生直观感受投影视图的生成。图1（b）采用三维图形选择四视图模式，采用三维软件一步形成主视、俯视、左视和正等轴测图，当从正等轴测视图上选取形体上任意点、线、面，并高亮表示时，都可以看到其他视图中也随即高亮显示，以此帮助学生建立空间概念，进一步加深学生对“长对正，高平齐，宽相等”的理解。

二、组合体动态画图和读图模型

如图2所示的组合体由底板、圆柱、肋板组成。组合体造型过程和投影视图的变化如图所示，图中给出了三维模型随着基本体增加，相应视图发生变化的情景。其中第一幅是底板，可由草图拉伸成型；圆柱由绕旋转轴的草图旋转成型；肋板由草图拉伸成型。从图中可以清楚地分析出轮廓线和内部线框的投影，即轮廓线为最外围，内部线框是由其他特征在轮廓线内进行的切割、凸起等操作形成，按照投影关系动态演示形成组合体的各个基本体的视图，明确了画图的顺序。

三、相贯线变化动态观测

图3所示的是圆柱与圆锥相贯时，圆柱直径尺寸变化引起的相贯线变化的典型特征。用来说明表面性质和相对位置相同而尺寸不同时对相贯线的影响。建模采用参数驱动方式将这一过程动态化，直观的帮助学生理解这一演化过程，便于掌握相贯线画法。

四、剖切面表达剖视图形成

图4给出了一个典型的轴类零件的三维模型动态显示过程。此轴类零件主体由5部分构成，其中两端和中部都开有键槽。图4（a）是完整的三键槽轴模型，图（b）-（d）是平行于轴端面的截面沿着轴线分别对三个键槽进行截切。这样可以清楚的看清截面与零件体的结交线，分析出其轮廓形状，便于学生理解。

五、结束语

在工程制图课程的教学当中，首先需要解决三维立体物体投影二维的问题，即绘图的“空间-平面”的过程，再解决由“平面-空间”的读图过程。在课堂教学中，选择性的采用三维CAD设计和造型，利用其动态演示功能，多视角观测，可以事半功倍的将传统教学中抽象的概念明晰化，提高效率，再结合手工制图，可以增强课堂学习效果，降低了抽象的构图思维入门难度，可以显著提高学生空间想象力，培养学生的图形分析、图像二维和三维转换的能力。[6]

[ 注 释 ]

[1] 童秉枢，易素君，徐晓慧.工程图学中引入三维几何建模的情况综述与思考[J].工程图学学报，2005（4）：130-135.

[2] 王建华，李晓民，杨莉，吕梅.由三维建模入手的工程制图课教学改革实践[J].工程图学学报，2008（6）：123-126.

[3] 张京英，罗会甫，张彤，等.三维造型设计与工程图学的有效融合[J].工程图学学报，2011（6）：151-154.

[4] 张淑艳，雷光明，成彬，等.三维CAD辅助工程制图教学的方法[J].图学学报，2014（3）.

[5] 常明著.画法几何及机械制图（第4版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[6] 陈彩萍，谭建荣.工程制图CAI课件中学习情境的设计[J].工程图学学报，2011（1）：138-142.

[责任编辑：钟 岚]