利用Inventor軟件改進中職《工程制圖與CAD》教學

陳欣敏

（福建省廈門電子職業中專學校 福建 廈門 361009）

《工程制圖與CAD》是中職工程類學生必須掌握的一門專業基礎課程，要求學生能掌握工程界的“設計語言”，能識讀和繪制二維工程圖樣，正確地表達機件的形體結構特征及相關的技術要求。二維工程圖是采用正投影的方式，將三維形體表達在二維平面圖紙上。看圖者要面對抽象、不直觀的二維圖樣，根據制圖的原理和規范，理解它們的含義，在頭腦中想象出物體的三維造型。這種“從二維到三維”的看圖過程要求學生具有一定的空間想象能力和形體分析能力，具有一定難度，要經過較長時間的培養和訓練。隨著計算機技術的發展，各種三維CAD建模軟件功能越來越強，造型越來越真實生動，軟件建模比實物教模更方便靈活，也更易于引發學生的學習興趣。而且現在的學生普遍具有較高的計算機操作水平，他們完全能夠學會使用三維建模軟件。若將三維模型轉化為二維圖形，只要嚴格要求，學生同樣可以掌握制圖的基本理論和作圖規范。基于以上考慮，我們認為，如果將三維軟件運用于制圖教學中，在學生學習視圖投影的基本規律后，學習三維建模以培養立體思維和看圖能力，再將三維模型轉化為二維工程圖以培養二維繪圖技能，是切實可行的，并且可以激發學生的學習興趣，降低教學難度，較快地培養學生的空間想象能力和看圖繪圖基本技能。

Inventor三維設計軟件是Autodesk公司開發的三維參數化實體建模軟件，可以經濟高效地創建數字化樣機，是實現產品設計數字仿真的有力工具，已成為概念設計、工程設計和加工制造等領域中最重要的軟件之一，更是全國職業院校技能大賽中職組計算機技能比賽工業產品設計（CAD）技術項目的指定軟件。它具有優秀的實體造型功能和部件約束裝配功能，能生成簡明易懂的裝配表達視圖和嚴謹科學的二維工程圖，功能全面，操作方便，簡單易學。筆者在深入學習Inventor，指導學生參加全國、省市技能大賽的過程中，深刻地認識到了它的功效，并將其運用于改進《工程制圖與CAD》教學的實踐中。

改進教學思路：采用“二維——三維——二維”的教學過程 我們在分析制圖教學的要求和學生的認知基礎及計算機操作能力后，在“組合體的投影”、“零件圖和裝配圖”等部分章節嘗試采用“二維——三維——二維”的教學過程，即學生學會視圖投影的基本規律，能看懂簡單的三視圖后，就學習用Inventor軟件建立三維實體模型，在建模的過程中其看圖能力不斷得到提高，再將三維模型生成二維工程圖以提高學生繪圖能力并養成符合國標規定的作圖規范。在教學實踐中，我們發現，在這種從平面到立體、從立體到平面的雙向轉化訓練過程中，學生能一直保持濃厚的學習興趣，看圖繪圖能力螺旋式上升，對復雜形體、零件圖裝配圖的識讀和繪制也不感到困難。這種教學過程能明顯改進傳統的《工程制圖與CAD》教學，促進學生空間思維能力和看圖繪圖能力的提高，并提高學生的計算機建模能力。

顯示直觀技術簡單，引發學習興趣 Inventor的實體模型顯示直觀生動、形象逼真，易于激發學生的學習興趣，而且Inventor建模技術簡單易學，對常見的機械產品采用拉伸、旋轉、圓角等造型特征就能完成。學生只要學會設定工作平面、會進行草圖繪制和約束等基本操作后，很快就能上手創建模型。一般經過二周的學習講解和上機操作后，學生就具備了一定的實體建模能力。在建模過程中，由于學生要不斷分析二維圖紙上的形體特征，想象形體，不斷尋找并嘗試多種建模方法，就直接提高了學生的看圖能力和空間思維能力。而后，當學生遇到不易看懂的二維圖樣時，也會主動用軟件輔助造型來驗證線條或形狀的特征，這就將學生的學習狀態從“要我學”轉化為“我要學”，提高了學生的學習主動性。

運用多種觀察功能，提高對復雜形體的看圖能力在制圖教學過程中，相貫線和截交線的投影是教學的難點，尤其是形體內部的結構線和相貫線，學生較難理解。我們可以利用Inventor的1/4剖視圖（留下1/4）、半剖視圖和3/4剖視圖功能，或采用繪制草圖時的剖切觀察和投影幾何圖元功能，將看不到的內部結構直接呈現在學生面前，這時，再配合講解相貫線的形成和曲線特征，學生很快就能理解并掌握。見下頁圖1，在機用平口虎鉗的固定鉗身XZ平面的半剖投影視圖中，可以清楚地看到形體的內部結構和線條，這樣，學生繪制剖視圖就不會出錯。對于截交線，只要用分割功能修剪或去除實體的某個部分，就可以看到截切形體的截交線的形狀。Inventor的視角觀察器ViewCube和自由動態觀察功能可以將實體隨意旋轉，從不同角度顯示觀察形體，看清形體在各個視圖方向的形狀特征，從而增強學生的感性認識。靈活運用Inventor提供的多種造型方法和觀察功能，有助于教師講解制圖理論知識，降低教學難度；有助于提高學生的空間想象能力和形體分析能力，快速提高學生的看圖能力。在教學中，學生普遍覺得制圖課比以前有趣、易學。

圖1 固定鉗身半剖投影圖

生成二維工程圖，提高繪圖能力 Inventor軟件中二維工程圖是由三維實體模型直接生成的，可形成基礎視圖、投影視圖、剖視圖、局部放大圖和軸測圖等多種視圖。將三維模型生成符合工程需要的二維工程圖，要符合國標的有關規定，合理采用多種表達方法，還要對工程圖進行尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等加工技術要求標注。因此，我們首先要在Inventor的樣式編輯器中進行樣式和標準的設置，使之符合我國的國標規定，再要求學生抄繪圖形標注尺寸，嚴格做到與原圖紙一模一樣。在標注尺寸公差和技術要求時，教師應進行相關的理論知識講解，這樣在“做中學”，在“講中做”，使學生既提高讀圖能力、繪圖能力，也理解相關的制造工藝知識，更學會計算機建模和二維圖樣繪制的基本操作。圖2所示，為固定鉗身三維建模后轉化成的二維零件圖。由于Inventor采用參數化建模和尺寸驅動技術，做工程圖時如果發現尺寸有誤或建模出錯，可以馬上返回零件建模過程進行修改，非常方便。這種以三維建模和二維表達來檢驗學生讀圖能力的做法，化看圖考核于無形，學生主動糾錯，快樂學習，切實提高了繪圖和讀圖能力。

圖2 固定鉗身零件圖

圖3 虎鉗裝配表達視圖

表達視圖和驅動約束有助于讀懂裝配圖 裝配圖的識讀是制圖教學的又一個難點。要讀懂裝配圖首先要對裝配體的結構和功能較為了解，同時，還必須了解零部件的拆卸裝配順序，這對于沒有機械拆裝基礎的學生而言有一定的難度。在教學中，我們可以利用Inventor提供的表達視圖來解決這一難題。Inventor可以制作部件的爆炸分解圖，能精確地調整各零部件位置，清楚地將各零件間的連接關系、位置關系和裝配關系表達出來，幫助學生較好地理解裝配體的安裝及拆卸過程，使學生更好地讀懂裝配圖。圖3所示，為機用平口虎鉗的裝配表達視圖，與我們常見的二維裝配圖相比，其裝配關系表達得更清晰，更形象易懂。Inventor還提供了創建動畫功能，能將拆分和裝配過程錄制動畫并保存成脫離自身軟件的視頻，動態地模擬裝配體的具體組成和部件拆裝的全過程，使拆裝過程更形象直觀。Inventor的部件裝配是通過對零件放置約束條件而進行的，我們還可以驅動約束進行運動仿真，動感地展示裝配體中各零部件間的運動關系，幫助學生進一步了解裝配體的運動工作原理，加快學生認知的進程。圖4所示，為螺桿的驅動約束設置圖，驅動螺桿轉動后帶動活動鉗身前后移動，逼真地顯示了虎鉗的運動關系。約束驅動也能錄制動畫并保存成視頻文件。

教學實踐證明，利用Inventor軟件提供的建模、工程圖、裝配、表達視圖等技術可以有效改進《工程制圖與CAD》的教學。借助Inventor的三維造型、二維工程圖等技術，可以采用“二維——三維——二維”的制圖教學過程，增強學生的形體分析能力，切實提高學生的看圖、畫圖技能。借助Inventor的裝配約束、表達視圖等功能模塊可以直觀生動地表達裝配原理和裝配關系等制圖教學的重點、難點內容，降低制圖教學的難度，培養學生的空間思維能力，顯著提升制圖教學質量。當然，Inventor還有很多其他功能，對機械設計和機械課程教學有很大幫助，有待我們繼續開發和應用。

圖4 螺桿驅動約束圖

[1]胡仁喜.Autodesk Inventor Professional 2010 中文版從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]趙衛東.Inventor2011基礎教程與項目指導[M].上海：同濟大學出版社，2010.

[3]楊聰.Auto CAD機械制圖案例實訓教程[M].北京：中國人民大學出版社，2009.