異維圖示工程形體的研究與實踐

許幸新 白聿欽 張曉輝河南理工大學 河南焦作 454000

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異維圖示工程形體的研究與實踐

許幸新 白聿欽 張曉輝
河南理工大學 河南焦作 454000

摘 要：以融合式引入三維建模的教學模式為基礎，提出制圖教學中工程形體表達的新方法——異維圖示法，并給出異維圖的定義、創建步驟以及讀圖要求。實踐表明，由異維圖表達工程形體能顯著提高讀圖效率和加快繪圖速度，該模式已取得初步成效，具有一定的應用推廣價值。

關鍵詞：工程形體；三維建模；融入式教學；異維圖

近年來，如何在制圖教學中融入三維CAD技術是我國圖學界研究的熱點問題[1]。綜合我國國情，完全以三維取代二維尚不現實，三維CAD與二維CAD會在相當長的時期內共存，課程體系改革是一項系統工程，必須正確把握二維、三維的關系。人們已認識到三維圖對設計創新的重要性，并將三維繪圖技術應用于課程實踐作了不少研究[2-4]。筆者結合多年來的改革探索和教學實踐，針對工程形體現有二維工程圖不易讀懂的問題[5]，從“形體”出發，以三維建模技術作為主線融合滲透教學的全過程，即在融合式引入三維建模教學模式的基礎上[6]，提出二維視圖和三維立體圖融為一體的工程形體表達新方法——異維圖。異維圖是對畫法幾何投影理論的繼承和發展，是在計算機三維建模的基礎上生成的，繪圖精確迅速、圖形直觀易懂，符合時代發展需求，應是未來制圖技術發展的新方向。該模式經河南理工大學本科機械大類專業的圖學課程推廣實施，已取得初步成效。

1 異維圖示法和異維圖

工程形體一般指機器零件、機器設備和建筑物，這里，我們將同時用二維圖和三維圖表達工程形體的方法稱為異維圖示法，由異維圖示方法繪制的工程圖稱為異維圖。

設一工程形體G，其異維圖定義為GY，則：

GY= GY﹛Wijk,wi; NX-X,nX-X﹜。

W，w表示工程形體外形的三維圖和二維視圖；N，n表示內部結構的三維剖切圖和二維剖視圖；

i，j，k=z，y，q，h，s，x，r；(z，y，q，h，s，x，r)=(左，右，前，后，上，下，任意投射方向)；X=(A，B，C……Y，Z)。

其中，Wijk為各方向的三維外形圖；wi為左、右、前、后、上、下投射得到的基本視圖及任意方向的二維視圖；nX-X為在二維視圖wi中沿X-X位置剖切，沿箭頭方向投射得到的二維剖視圖；NX-X為沿X-X位置剖切得到的三維剖切圖，與nX-X相對應。

可見，在異維圖中分別用兩類圖表示工程形體。

(1)三維外形圖Wijk和二維視圖wi表達工程形體外形。

(2)三維剖切圖NX-X和二維剖視圖nX-X表達工程形體內部結構，均采用全剖。

由于在異維圖中工程形體外部形狀已由三維外形圖Wijk和二維視圖wi表達，表達內部結構的三維剖切圖和二維剖視圖都采用全剖，因此，傳統工程形體表達方法中的半剖視圖和局部剖視圖就沒有必要存在，在異維圖表達時可以刪去，以簡化作圖方法，提高識圖效率。

如圖1截止閥異維圖所示，外部形狀由左前上三維圖Wzqs、前視圖wq、上視圖ws、左視圖wz表達，內部結構圖為nA-A，NA-A，nB-B，NB-B，分別表示ws上A-A處和wq上B-B處的剖視圖及其三維剖切圖。

圖1　截止閥的異維圖

2 工程形體的異維圖

工程形體異維圖的創建以當代成熟的計算機繪圖技術為基礎，這里選用簡單易學的繪圖軟件Solidworks，以截止閥為例說明異維圖的創建過程。

(1)利用Solidworks的“零件”模塊，根據立體特征造型的方法，構建閥體三維模型(如圖2所示)。

(2)通過“工程圖”模塊的三維和二維的轉換功能，創建三維外形圖和不同方向的二維視圖，得到表達工程形體外形的異維圖(如圖3所示)。

圖2　閥體三維模型圖

圖3　閥體外形的異維圖

(3)構建工程形體內部結構的異維圖。根據工程形體內部結構的特點和表達需要，在適當的二維視圖上繪制剖切位置線和選擇投影方向，利用“工程圖”模塊生成一組相對應的二維剖視圖與三維全剖切圖，以異維、同視角反映工程形體的內部結構。對于形狀結構復雜的工程形體則采用多組相對應的二維剖視圖和三維全剖切圖表達。如圖1所示，在Solidworks工程圖環境下，分別在上視圖ws的A-A處和前視圖wq的B-B處作剖切位置線，求得相應的二維剖視圖和三維剖切圖nA-A和NA-A，nB-B和NB-B，反映閥體左右方向和前后方向的內部結構。

(4)標注異維圖。異維圖的標注是為了導引讀圖，反映各圖間的關系，以便全面把握工程形體的內外結構，其標注包括：外部形狀圖標注、內部結構圖標注以及尺寸標注。

工程形體三維外形圖與二維視圖反映外部形狀可稱為外部形狀圖，標注時要注明其名稱，其名稱要反映外部投影方向。如圖1閥體外形圖中，由左前上方投射的三維外形圖上方標注Wzqs、前視圖標注wq、左視圖為wz，俯視圖為ws。

各二維剖視圖和對應的各三維剖切圖用于表達內部結構稱為內部結構圖，要注明其名稱、剖切位置編號。至于投射方向已在相應二維視圖中由箭頭指出，不必再重復反映。二維剖視圖及其對應的三維剖切圖的名稱只是同一字母用大小寫區分而已，剖切位置編號和投影方向保持一致。如圖1中俯視圖ws上標注剖切線A-A及投射方向，其對應的剖視圖nA-A和三維剖切圖NA-A。

對于標注尺寸，外形尺寸標注在反映外形的二維視圖上，內部尺寸標注在剖視圖上，三維圖上不標注尺寸。如圖1所示，標注外形尺寸，總長168、總高110及主體尺寸Ф55，44，56等，而剖視圖中標注內部空腔尺寸，如Ф62，110，Ф36，80，28等，三維外形圖和三維剖切圖上不標注尺寸。

閱讀異維圖時，先三維圖，后二維圖，二維圖和三維圖作對照，二維圖之間對投影，并注意按照由外到內、由全局到局部、由概括到具體的次序，在聯系尺寸的基礎上建立對工程形體結構的完整認識。

3 異維圖示工程形體的教學實踐

筆者嘗試在融合式引入三維建模的教學模式的基礎上，以立體表達為主線、異維圖示為工具，構建并出版了基于異維圖的《現代機械工程制圖》教材[7]，并配套習題集和多媒體課件使用，再輔以上機指導課。這種模式經我校2011-2013級機械大類專業的圖學課程推廣使用后，學生學習積極性明顯調動，由原來的被動學習，變為主動思考、主動學習，在構型、表達、讀圖和制圖能力等方面明顯提高，選派的學生多次在省級、國家級三維數字化設計大賽、工程訓練綜合能力競賽中獲獎。其中，2012年的學生作品在第五屆全國大學生機械創新設計大賽慧魚組競賽中獲得一等獎1項、三等獎2項，2013年“無碳小車越障競賽”在第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽中榮獲國家級一等獎。

4 結束語

異維圖示簡化了作圖方法，提高了繪圖速度，降低了讀圖難度，在工程建設中有助于工程技術人員較快地認識把握工程形體結構，提高工作效率，對工程行業的技術進步具有一定推動作用。但由于異維圖示是一種新的工程形體表達方法，還有很多地方需要進一步完善，教學中必須注意引入的適時性和適量性，并且處理好課程內容的增減與學時數之間的關系等。只要全體圖學教育者大膽進行教育教學改革和創新，就一定能夠讓古老的圖學煥發新的光彩！

參考文獻

[1] 伍文進.三維CAD技術發展及其對制圖課程教與學影響之探討[J].中國電力教育,2014(11):165-167.

[2] 侯洪生,閆冠,谷艷華.由二維視圖復原三維立體的新方法[J].工程圖學學報,2011(3):95-99.

[3] 羅會甫,焦永和.基于參數化造型設計及表達的工程制圖國際化教學實踐[J].圖學學報,2013,34(2):136-140.

[4] 陸春月,王宗彥,郭星.三維環境下的工程圖自適應優化技術[J].圖學學報,2012,33(1):20-23.

[5] 唐儲建,龍宇.讀圖思維的探析[J].工程圖學學報,2011(6):71-76. [6] 王靜,劉煬,孟冠軍. 融合式引入三維幾何建模的教學研究與實踐[J].工程圖學學報,2011(6):66-70.

[7] 白聿欽,莫亞林.現代機械工程制圖[M].北京:機械工業出版社,2013.

Study and Practice on Engineering Object with Different Dimensional Graphics

Xu Xingxin, Bai Yuqin, Zhang Xiaohui
Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454000, China

Abstract:Based on integrating 3D modeling technology into the course system, a new method for engineering object expression, different dimensional graphic method is proposed in the teaching of Engineering Graphics. The definition of different dimensional graphics, establishing procedures and interpretive requirements are given. Practice shows that such method for engineering object expression could significantly improve interpret efficiency and enhance drawing speed. And this model has achieved initial success and deserves promotion and application.

Keywords:engineering object; 3D modeling; merge-integrated teaching; different dimensional graphics

基金項目：河南省高等教育教學改革研究項目(編號：2012SJGLX127)；河南理工大學示范教師教改專項(2013JG009)；河南理工大學博士基金(編號：B2011-096)。

作者簡介：許幸新，碩士，副教授。

收稿日期：2015-09-01