CAD技術(shù)和形體分析法相結(jié)合的組合體教學(xué)

朱文博　耿國慶　李海淵

摘要：組合體一章在工程制圖教學(xué)中起著承上啟下的作用，形體分析法是分析組合體結(jié)構(gòu)的重要方法，CAD三維建模技術(shù)對(duì)組合體的描述不僅可以采用直觀的立體化表達(dá)，而且可以指導(dǎo)形體分析法對(duì)組合體的拆分，因此將CAD三維建模技術(shù)和形體分析法相結(jié)合應(yīng)用于組合體的教學(xué)，有利于學(xué)生掌握組合體的識(shí)圖和繪圖，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生良好的手工作圖習(xí)慣以及合理的三維建模方式。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù)；三維建模；形體分析法；組合體；工程制圖

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）34-0147-02

一、引言

《工程制圖》課程要求學(xué)生掌握一定的閱讀和繪制零件圖與裝配圖的能力，是工科類學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程，如計(jì)算機(jī)繪圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、工藝制造等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，如何高效、扎實(shí)地掌握這門課程對(duì)學(xué)生至關(guān)重要[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，本課程無論是在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段上，還是在學(xué)生的學(xué)習(xí)方式上都發(fā)生了重大的變革?！敖M合體的讀圖和畫圖”在《工程制圖》課程中起到承上啟下的作用，是本課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的理解和掌握的程度直接關(guān)系到后續(xù)繪制零件圖、裝配圖的學(xué)習(xí)效果[2]。在描述一個(gè)組合體時(shí)，書本上只能用平面的圖形表達(dá)出來，學(xué)生無法直觀地認(rèn)知，往往只能靠大腦想象出來，而將CAD技術(shù)和形體分析法有效地融入到組合體教學(xué)中，則可以將組合體鮮活地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，有助于提高學(xué)生讀圖和畫圖的能力。

二、CAD技術(shù)與形體分析法相融合

組合體是由若干基本形體（棱柱、棱錐、圓柱、圓錐、球等）經(jīng)過疊加、切割或既有疊加又有挖切的方式構(gòu)成的相對(duì)復(fù)雜的形體[3]。形體分析法是分析組合體結(jié)構(gòu)的重要方法，該方法是假設(shè)將組合體分解為若干部分，分析各個(gè)部分的形狀、組合方式以及相對(duì)位置關(guān)系，從中了解組合體的特征，是一個(gè)由復(fù)雜到簡單的過程[4]。通過運(yùn)用形體分析法對(duì)組合體進(jìn)行分析，有助于提高學(xué)生空間思維能力，對(duì)培養(yǎng)構(gòu)型設(shè)計(jì)能力和三維設(shè)計(jì)能力有很大幫助。（1）形體分析法簡介。采用形體分析法閱讀組合體的三視圖一般是把反映組合體形狀特征的視圖按線框劃分成幾個(gè)部分，然后根據(jù)投影規(guī)律，逐個(gè)部分想象其形狀，并確定其相對(duì)位置，組成方式和表面連接關(guān)系，從而想象出組合體整體形狀[5]。其過程具體分為以下3個(gè)步驟：①抓主視，劃線框。由于主視圖通常最能反映組合體的形狀特征，因此形體分析法一般先從主視圖入手按線框?qū)⒔M合體劃分為幾個(gè)部分。這一步是形體分析法的難點(diǎn)。投影圖中的線框應(yīng)該是相對(duì)獨(dú)立形體的投影，但當(dāng)兩形體平齊、相切、截交相貫時(shí)，會(huì)給劃線框帶來一定的困難。②對(duì)投影，想形狀。按照三視圖的投影規(guī)律，將主視圖中所分的線框，依次對(duì)應(yīng)到俯視圖和左視圖中，從而想象出各個(gè)線框所表示的立體形狀，以及它們之間的相對(duì)位置關(guān)系。③合起來，想整體。按照上述方法將每個(gè)部分的形狀和位置關(guān)系確定后，綜合起來想象出組合體的整體形狀。（2）計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)在制圖教學(xué)中的實(shí)踐。目前CAD技術(shù)已日臻完善，借助于CAD技術(shù)對(duì)物體的描述可以采用直觀的立體化表達(dá)，“設(shè)計(jì)從三維開始”的理念已經(jīng)隨著計(jì)算機(jī)的普及和三維設(shè)計(jì)軟件的成熟迅速成為現(xiàn)實(shí)。設(shè)計(jì)制造數(shù)字化和一體化得以實(shí)現(xiàn)的核心是CAD三維幾何模型，二維視圖已無法滿足科技的發(fā)展需求，已不再是設(shè)計(jì)和制造之間必不可少的一環(huán)[6]。目前，國內(nèi)許多制圖教師都在努力嘗試將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和CAD技術(shù)融入到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，CAD三維實(shí)體造型軟件方面的課程已在很多高校開設(shè)。將CAD技術(shù)與工程制圖課程有機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮其更大的實(shí)用價(jià)值。（3）計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)與形體分析法的關(guān)系。計(jì)算機(jī)CAD軟件不單單是一種畫圖工具，更是拓展三維思維空間的輔助工具。在制圖教學(xué)的過程中，由于組合體組合方式的多樣性，分解方式一般并不唯一，學(xué)生給出的結(jié)果往往是五花八門的，有些分解思路與三維軟件的繪圖原理是契合的，有些則顯得煩瑣，甚至不合邏輯，不符合計(jì)算機(jī)繪圖習(xí)慣，結(jié)合計(jì)算機(jī)CAD軟件三維模型的繪制來分解組合體，使得分解方式合理有效，有利于采用形體分析法進(jìn)一步分析每一部分的形體。相應(yīng)的，在采用CAD軟件繪制三維模型時(shí)，根據(jù)組合體的構(gòu)成特征來生成模型，合理地使用形體分析法對(duì)養(yǎng)成良好的三維建模繪圖習(xí)慣具有重要作用。

三、將CAD技術(shù)和形體分析法應(yīng)用于組合體教學(xué)中

組合體作為一種復(fù)雜的幾何形體，具有三維空間形體的一般性質(zhì)，即由點(diǎn)、線、面幾何要素構(gòu)成。作為一種對(duì)工程物體的抽象，組合體是理想化的工程形體模型，反應(yīng)工程形體的主要形狀特征，簡化了工藝結(jié)構(gòu)等輔助特征，如機(jī)件的倒角、退刀槽和鑄造圓角等[5]。組合體視圖不僅反映“長對(duì)正，高對(duì)齊，寬相等”的投影規(guī)律，而且存在線框外接、線框內(nèi)接和包容等視圖特征，它們反映了組合體中可被分離的若干形體之間的疊加和切割關(guān)系。組合體概念在工程制圖中的主要地位有兩點(diǎn)：①組合體一章是由研究簡單立體的讀圖過渡到研究機(jī)械零件及裝配體的章節(jié)。在教學(xué)中，通過組合體可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)工程形體主要特征的認(rèn)識(shí)，為學(xué)生學(xué)習(xí)工程形體的圖形表達(dá)和三維思維能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。②組合體與幾何造型既有聯(lián)系，又有區(qū)別。由基本形體經(jīng)過布爾運(yùn)算產(chǎn)生的三維物體模型，可以在計(jì)算機(jī)CAD軟件上得以實(shí)現(xiàn)，是形體分析法在三維造型中的成功運(yùn)用。工程物體的幾何造型是從基本形體到組合體，再添加工藝結(jié)構(gòu)，由簡單到復(fù)雜的深化過程。（1）識(shí)讀和繪制組合體三維模型。在進(jìn)行組合體教學(xué)之前，要求學(xué)生已經(jīng)掌握CAD制圖軟件基本的三維造型方法，要學(xué)會(huì)三維建模繪圖指令如何使用，繪制一個(gè)模型有哪些途徑，并通過學(xué)生自己操作來了解哪些三維建模方法是合理且便捷的。讓學(xué)生學(xué)會(huì)三維模型的草圖繪制，并學(xué)會(huì)特征建模的方法拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)等命令，熟練繪制一些基本形體，如棱柱、棱錐、圓柱、圓錐和圓球等，并通過布爾運(yùn)算對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上基本立體進(jìn)行并集、差集、交集的運(yùn)算，從而得到新的實(shí)體形態(tài)，即組合體。教師結(jié)合基本形體的疊加、挖切，分析組合體的形成及拆分，讓學(xué)生在運(yùn)用CAD制圖軟件進(jìn)行三維建模時(shí)掌握組合體的形體分析法的基本思想，即“先分后組合”。CAD技術(shù)和制圖課的融合，實(shí)現(xiàn)了制圖教學(xué)由2D到3D的轉(zhuǎn)變，不需要學(xué)生死摳課本，憑感覺去想象，而是通過自己的操作，實(shí)現(xiàn)所作即所得。開闊學(xué)生三維空間想象力的同時(shí)，熟練掌握了CAD三維建模技術(shù)。在學(xué)生具有一定的三維建模能力后，對(duì)組合體這一章進(jìn)行教學(xué)。通過學(xué)生在三維建模過程中的充分參與，對(duì)所學(xué)的組合體的形體結(jié)構(gòu)不再陌生。教師在課堂上講解，輔助于模型演示和PPT動(dòng)畫來模擬組合體的構(gòu)成，讓學(xué)生了解形體分析法“先分后組合”的內(nèi)涵，和學(xué)生交流形體分析法與繪制三維實(shí)體模型之間的聯(lián)系，繪制三維模型也是一個(gè)逐漸成形，從部分到整體的過程，讓學(xué)生將兩者結(jié)合起來，談?wù)勊麄兊男牡皿w會(huì)，即達(dá)到充分了解組合體概念，又提高學(xué)生手腦結(jié)合的能力，同時(shí)啟發(fā)了學(xué)生在CAD制圖時(shí)形成合理的建模方式。

教師在講解形體分析法的基本思想——“化整為零，積零為整”后，指定幾個(gè)課本或習(xí)題集中組合體立體圖以及三視圖實(shí)例，要求學(xué)生通過形體分析法對(duì)組合體實(shí)例進(jìn)行分析，并利用CAD制圖軟件上將三維模型畫出。分析立體圖形的構(gòu)成，和學(xué)生交流如何分解整體才能合理、便捷地進(jìn)行每一部分形體的繪制，不能分解的太多或太零碎，應(yīng)該結(jié)合CAD軟件畫圖特點(diǎn)和組合體的構(gòu)成特征，進(jìn)行合理分解，最后形成完整的三維模型。要給學(xué)生灌輸三維作圖的正確流程，每一個(gè)圖形的繪制都應(yīng)從中心線開始，由外向內(nèi)、或由內(nèi)向外、或由上向下，先易后難，讓學(xué)生養(yǎng)成一個(gè)良好的作圖流程習(xí)慣，對(duì)三維建模的速度和準(zhǔn)確性都有著很好的效果。（2）畫組合體三視圖。畫組合體三視圖是組合體教學(xué)的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。由于在畫組合體三視圖之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了形體分析法的基本理論，并且能夠根據(jù)組合體立體圖及三視圖進(jìn)行CAD軟件三維建模，對(duì)組合體的構(gòu)型和拆分有了一定的理解和應(yīng)用，因此畫組合體的三視圖就會(huì)得心應(yīng)手了。首先根據(jù)具體的組合體結(jié)構(gòu)，從三維建模的角度著手分析，畫出對(duì)稱中心線、回轉(zhuǎn)體的軸線，以及主要輪廓線，以便確定各視圖的具體位置，即畫好作圖基準(zhǔn)線。接下來運(yùn)用形體分析法，根據(jù)主視圖線框和三維建模構(gòu)型準(zhǔn)則進(jìn)行拆分，逐個(gè)畫出各部分形體的視圖，三個(gè)視圖同時(shí)聯(lián)系起來畫，這樣利于保證投影關(guān)系的正確。第三步驟就是合起來想整體，針對(duì)各形體表面之間的錯(cuò)開、平齊、相切和相交的位置關(guān)系，并且結(jié)合CAD建模軟件制圖原理——布爾運(yùn)算，把握好每個(gè)線條的虛實(shí)之分，特別是兩形體間的表面連接處是否有多線或漏線的現(xiàn)象發(fā)生，完成三視圖初稿的繪制。最后，利用CAD建模軟件生成三視圖的功能，檢查手工繪制的三視圖是否正確，確認(rèn)無誤后，加深加粗三視圖初稿，最終完成組合體三視圖的繪制。在課堂上教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析錯(cuò)誤案例，進(jìn)一步加強(qiáng)繪制組合體三視圖的能力。

四、結(jié)束語

針對(duì)工程制圖課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文將CAD技術(shù)三維建模和形體分析法相結(jié)合應(yīng)用于組合體的教學(xué)。實(shí)踐證明，兩者相結(jié)合，能夠充分讓學(xué)生融入到教學(xué)當(dāng)中，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前。通過理論學(xué)習(xí)和親自動(dòng)手實(shí)踐，增加了課堂的趣味性，有效地提高了學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的掌握，明顯地提升了組合體這一章節(jié)教學(xué)效果，加強(qiáng)了學(xué)生的識(shí)圖繪圖能力、動(dòng)手能力、手腦結(jié)合能力、空間思維能力和工程意識(shí)的培養(yǎng)。