伍文進

摘要：闡述了三維技術發(fā)展的歷程與趨勢，并針對機械類制圖課程教學中教師難教、學生難理解的問題，提出了采用三維CAD技術融入制圖教學的新思路。在實際運用中，可通過以法國達索公司的Solidworks軟件為例的三維建模技術與制圖內(nèi)容相互支撐、相互融入的教學方法。實踐證明三維CAD技術的融入確實能夠提高學生的工程圖的理解和表達能力，在此基礎上培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新能力的設計人才。

關鍵詞：制圖；三維CAD；教學改革；工程圖

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0165-03

一、CAD概念、發(fā)展歷程及趨勢

CAD即計算機輔助設計（CAD-Computer Aided Design）利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。在工程和產(chǎn)品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負計算、信息存儲和制圖等項工作。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術的水平成了衡量一個國家工業(yè)技術水平的重要標志。

CAD技術的發(fā)展和形成至今有60多年的歷史，自20世紀50年代在美國誕生了第一臺計算機繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的被動式計算機輔助設計技術，即CAD技術。到目前，CAD的發(fā)展經(jīng)歷了四次技術革命。

第一次CAD技術革命——曲面造型系統(tǒng)（CATIA）：60年代，線框式系統(tǒng)其特點有：只能表達基本的幾何信息；無法表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關系；無法實現(xiàn)CAE及CAM。70年代，法國達索飛機制造公司CATIA：以表面模型為特點的三維造型系統(tǒng)提出貝賽爾算法解決計算機處理曲線和曲面問題，實現(xiàn)計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，改變了借助油泥模型來近似表達曲面的工作方式。這標志著計算機輔助設計技術從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息的方式。

第二次CAD技術革命——曲面造型技術（I-Deas）：由于實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于CAD的模型表達，給設計帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術的發(fā)展方向。表面模型技術基本解決了CAM有關問題，但是CAE無法實現(xiàn)。1979年SDRC推出完全基于實體造型技術的I-deas，實現(xiàn)了CAE。

第三次CAD技術革命——參數(shù)化技術（Pro/E）：在實體造型技術逐漸普及的時候，80年代中期，PTC公司推出基于參數(shù)化實體造型技術的Pro/E。

第四次CAD技術革命——變量化技術（I-Deas）：SDRC公司投資1億美元在1993年推出基于變量參數(shù)化技術的全新體系結構I-DEAS Master Series軟件；UGS公司收購了SDRC公司推出了融合UG和I-DEAS的NX系統(tǒng)。計算機技術的不斷成熟，使得現(xiàn)在的CAD技術和系統(tǒng)都具有良好的開放性。圖形接口、圖形功能日趨標準化。綜合應用多媒體技術和人工智能、專家系統(tǒng)等技術大大提高了自動化設計的程度，出現(xiàn)了智能CAD新學科。三維CAD軟件體系架構如圖1所示。

CAD產(chǎn)品從操作平臺上主要分為兩大類：一是工作站上的CAD繪圖軟件，由于工作站上的CAD軟件技術復雜，售價高，并且涉及到企業(yè)多方面的應用以及以后的管理和國標化等后續(xù)工作，因此企業(yè)在選型時應十分慎重。二是微型計算機平臺上的CAD繪圖軟件。在此平臺上運行的高性能三維CAD軟件具有圖標直觀、操作簡便、價格適中、圖形顯示技術支持好的特點，為三維CAD技術的普及和應用提供了十分有利的客觀條件。目前國際上流行的三維CAD（多數(shù)包含CAE和CAM等模塊）軟件有數(shù)十種，基本功能大體相同，但也各有所長。表1中列舉了國內(nèi)外常用的CAD軟件。

眾多CAD軟件中，法國達索公司的SolidWorks是一套功能相當強大的三維CAD軟件。該軟件的界面友好，易學易用，上手快及價格優(yōu)勢，使得企業(yè)及個人用戶較多，國內(nèi)相當多的中小型企業(yè)都在使用SolidWorks 軟件。軟件主要包括零件設計、裝配設計、工程圖模塊，軟件可以進行實時的全相關性的參數(shù)化尺寸驅(qū)動，例如當設計人員修改了任意一個零部件尺寸約束，則與之相關聯(lián)的裝配圖、工程圖中的尺寸均隨之修改。零件草圖設計中漏標尺寸（欠約束）或多標尺寸（過約束）能實時體現(xiàn)出來，這些功能在二維設計軟件系統(tǒng)如Autocad中是沒有的，SolidWorks軟件還可與高級圖像軟件Photoworks、有限元分析軟件Cosmos、機構運動學分析軟件Motionworks、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件SmarTeam 以及數(shù)控加工模塊Camworks等著名軟件無縫集成。

近年來三維CAD軟件發(fā)展的趨勢是：第一，操作性。CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務求易學易用，復雜的功能操作簡單，簡單的功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，所以CAD軟件操作性是向簡便性、易學以用的方向發(fā)展。第二，智能化。建立基于知識的設計倉庫，及時準確地向設計師提供產(chǎn)品開發(fā)所需的知識和幫助，智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤、回答問題、提出建議方案等。第三，虛擬現(xiàn)實技術。設計人員在虛擬世界中創(chuàng)造的新產(chǎn)品，可以從人機工程學角度檢查設計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，裝配設計及運動仿真能及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題。第四，集成化。集成化是很多系統(tǒng)的發(fā)展方向，CAD系統(tǒng)也不例外，目前CAD的發(fā)展方向可以用以下內(nèi)容表示：CAD+CAM=CAD/CAM；CAD/CAM+CAPP+CAT+PDM=CAE。就目前現(xiàn)狀來說，集成化后的最高層次就是計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)-CIMS（計算機/現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）。

二、機械類制圖課程教學的現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代制造技術與計算機技術的不斷融合發(fā)展，工程圖學大綱新的教學基本要求中增加了“創(chuàng)造性構型設計能力、使用繪圖軟件繪制工程圖樣及進行三維造型設計能力的培養(yǎng)”。因此工程圖學教學大綱中理應增加利用三維設計軟件進行構型設計的內(nèi)容，只有這樣才能完成三維造型設計能力培養(yǎng)的教學目標。高等院校工程圖學課程由最早的工程制圖 +手工繪圖（圖板與丁字尺）傳統(tǒng)教學模式演變?yōu)楣こ讨茍D+二維計算機繪圖再演變成如今的工程制圖、畫法幾何學的投影、三維CAD繪圖軟件教學三位一體，相輔相成的格局。調(diào)查顯示，截至2013年，有機械類專業(yè)的高等學校95%都開設了計算機繪圖課程，其中50%的學校開展如PRO/E、UG NX三維CAD軟件的教學，三維CAD繪圖課程的平均學時為32左右，如今的工程制圖課程已經(jīng)由過去單純的畫圖、讀圖等制圖技能本身的訓練，向體現(xiàn)以設計為培養(yǎng)目標的逐步轉(zhuǎn)換。

三維CAD技術的引入，在制圖課程教學內(nèi)容、教學方法以及機械類學科在整體課程體系設置上引發(fā)了很多從事多年制圖課程教學的專家思考。三維CAD技術確實較二維CAD技術先進很多，但是如何打破原有的教學理念，使三維CAD技術與制圖內(nèi)容有機結合？在響應國家“卓越工程師”號召下，如何培養(yǎng)出具有創(chuàng)新思維的跨世紀的人才，如何進行制圖課程內(nèi)容的取舍添加整合等方面的探索與改革，是制圖課程改革的主要任務之一。本文主要討論采用三維CAD技術的制圖教學實踐中的若干探索。

三、三維CAD制圖教學內(nèi)容的融合與實踐

借助于UG、CATIA、Solidworks 等三維繪圖軟件進行零部件設計、零部件裝配，大大地增強了學生的空間思維能力，提高了學生對于制圖課程的學習熱情，明顯提高了學習效率。但由此也引發(fā)了三維CAD制圖與傳統(tǒng)制圖內(nèi)容有機結合的思考。

三維CAD制圖在內(nèi)容和教學體系上通常采用融入式、獨立式和CG 主導式3種模式。融入式是將三維建模原理、方法融合滲透到工程制圖課程中，與傳統(tǒng)內(nèi)容密切協(xié)調(diào)，互為補充。獨立式是將三維CAD獨立于制圖課程，完全構成獨立的新課程體系。CG 主導式是以計算機繪圖為主線，將制圖內(nèi)容穿插其中，講授內(nèi)容可按三維實體構成分析、二維投影制圖、三維實體設計與表達、三維實體轉(zhuǎn)化為二維視圖、課程設計的授課思路。融入式教學是在原有制圖課程的不同章節(jié)引入相應的CAD三維建模內(nèi)容，如此可幫助部分空間想象能力較弱的學生的空間思維能力以及三維形體與二維圖形之間的相互關系的理解。目前高校制圖課程的課時較多的授課模式還是融入式教學。

三維CAD技術與工程制圖傳統(tǒng)教學內(nèi)容的融入的實踐，首要問題就是要做好三維CAD技術與工程制圖傳統(tǒng)教學內(nèi)容在某些概念上的變通，下面以SolidWorks為例：

第一，傳統(tǒng)工程制圖中的“投影面”與SolidWorks軟件中的“坐標平面”的思維變通。

第二，傳統(tǒng)工程制圖中的“點的投影定位”與SolidWorks中的“直角坐標定位”的思維變通。

第三，傳統(tǒng)工程制圖中的“平面圖形”與SolidWorks軟件中的二維草圖的思維變通。

第四，傳統(tǒng)工程制圖中的“平面圖形的尺寸標注”與SolidWorks軟件中的二維草圖中尺寸約束、幾何約束的思維變通；傳統(tǒng)內(nèi)容中平面圖形的尺寸標注引出了定形尺寸和定位尺寸的概念。在SolidWorks軟件中，草圖引入了尺寸約束和幾何約束的概念。因此在分析平面圖形的尺寸標注時應該引用尺寸約束和幾何約束的概念來分析平面圖形，添加適當?shù)膸缀渭s束和必要的尺寸約束使草圖完全約束，使設計更加嚴謹。

第五，傳統(tǒng)工程制圖中的“基本立體”及“立體的名稱、分類”與SolidWorks軟件中的“成型方法”的思維變通；機械工程圖學教材中的立體或常見的典型零件基本上都可以在SolidWorks軟件中采用基于草圖的“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“放樣”、“掃掠”等成型方法構成。

基本立體與CAD成型如圖2所示：

第六，傳統(tǒng)工程制圖中“組合體讀圖”與SolidWorks成型方法的思維變通。利用傳統(tǒng)的形體分析法讀圖時，就是利用特征視圖來確定物體的空間形狀。但該物體的成型方法和過程只能用切割法或堆疊法來解釋。如下圖4中的立體可分析成由長方體經(jīng)切割形成或由幾部分堆疊而成。

現(xiàn)代三維CAD構型設計都是基于二維草圖生成三維立體。如果將特征視圖與三維CAD中的草圖聯(lián)系起來就可賦予特征視圖以新的意義和作用：也就是以特征視圖的外輪廓作為草圖再采用相應的拉伸等成型方法來生成立體。如圖5所示的物體，其左視圖為特征視圖，立體可分析成以左視圖為草圖，再以與草圖平面相垂直的方向為矢量一次拉伸成柱體，而不再將其分析為切割或疊加而成。由此可見，特征視圖已經(jīng)由原來利用特征視圖想象物體形狀和結構特點思路演，變成利用特征視圖的外輪廓作為立體成形的草圖輪廓的新思路。

四、結束語

綜上所述，三維CAD技術的發(fā)展及其在工程制圖課程教學中的應用效果，證明了工程圖學的教學內(nèi)容、教學模式的改革已是大勢所趨。通過徐州工程學院工程制圖實際教改效果也證明了在講授機械制圖課程中分章節(jié)階段性引入三維CAD的設計理論和造型方法，適時地利用三維CAD技術的功能演示二維草圖、三維實體模型、制圖之間的轉(zhuǎn)換過程，可以收到事半功倍的教學效果，使學生能夠掌握現(xiàn)代設計理念和設計方法。在此基礎上不少學生在省級大學生機械創(chuàng)新計劃和機械類發(fā)明專利研究中也取得了佳績，從而也適應了國家“卓越工程師”培養(yǎng)的要求。

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（責任編輯：王意琴）