基于構型設計與CAD造型的工程圖學教學研究

鄭建冬　孫青云　商慶清　張煥萍

摘要：構型設計和三維造型能力的培養對增強學生的創新思維能力具有重要作用。探討了在傳統工程圖學教學過程中對學生構型設計和三維造型能力的培養方法，詳細闡述了如何將構型設計、三維造型技術與工程圖學有效地融合在一起。研究表明基于構型設計和三維造型能力的課堂教學對工程圖學課程的教學改革有著指導意義，為學生后續的三維CAD設計奠定基礎。

關鍵詞：工程圖學；構型設計；三維造型能力；創新思維

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）25-0175-02

隨著計算機圖形學的發展和計算機性能的提高，CAD/CAM/CAE技術迅速發展，出現了新的機械產品生產模式：構思三維產品→計算機三維實體建模→數控編程→加工[1]。為了適應現代化生產模式，工程圖學課程的教學理念和主要教學任務隨之更新，工程圖學是與工程設計有關的技術基礎課，其主要任務是培養學生的工程圖學設計及表達能力，同時培養學生的空間思維能力、工程設計創新能力，以及培養學生認真負責的工作態度和細致嚴謹的工作作風。構型設計是一種現代設計理念和創造性活動，包含形象思維和抽象思維兩個過程。加強構型設計能力的培養，是培養學生創新思維和能力的重要方法。尤其是三維形體的造型能力的培養是培養學生創造和創新設計能力的重要手段[2]。因此，如何培養學生的形體構型設計能力是工程圖學課程教學的一個熱點。本文以工程圖學課程為依托，聯系工程實際，引導學生進行構型設計，通過模型或視圖構造三維實體，實現設計思維的表達。

一、三維構型設計理論

1.基本立體的構型方式。根據現代三維構型設計理念，基本立體的構型方式可以分成以下幾種：（1）拉伸構型方式，將封閉輪廓沿一定方向拉伸形成三維實體。通常拉伸方向為輪廓所在平面的法線方向。（2）旋轉構型方式，將封閉輪廓繞著某一軸線旋轉一定角度形成三維實體。（3）掃掠構型方式，將封閉輪廓沿著一條引導線進行掃掠形成三維實體。（4）放樣構型方式，在不同的平面上由多個封閉輪廓串擬合形成三維實體。

2.構型設計的注意點。（1）兩個形體組合時，不能出現點接觸、線接觸或面連接的情況，因為這樣不能構成一個牢固的整體。（2）封閉的內腔不便于成型，一般不宜采用[3]。

3.構型設計的方法。任何機器或產品，不論形體多么復雜，都可以看作由簡單立體疊加或切割而形成的。構型設計的實質就是確定構型方法構造形體，它是構思設計過程，更是挖掘思維潛力的創造過程，通過形體的疊加組合和形體切割等方法，使學生充分發揮想象力，全方位多視角地提高學生的創新思維和能力[4]。構型設計的方法有：（1）疊加法，組合體可由多個基本立體疊加而成。（2）切割法，一個基本立體經過數次切割，可以構成一個組合體。（3）復合法，同時運用疊加法和切割法構成復合式組合體的方法。

4.構型設計的思維方式。采用發散思維方式。如果在三維造型過程中，提供不充分的造型條件，那么可以通過發散思維，分析模型表面的凹凸、平曲、正斜的特點，以及基本立體和曲面之間的不同組合體方式構思出多種組合體。根據給定的組合體的一個視圖或者兩個視圖構思組合體，通常存在多種構思，這樣不僅鍛煉組合體的畫圖和讀圖能力，而且可以逐步提高空間想象能力[5]。

二、三維造型分析與讀圖

1.基本立體的特征視圖。傳統的工程圖學在采用形體分析法和線面分析法讀圖的時候，雖然也是通過找出特征視圖來分析立體的空間形狀，但沒有分析立體的成型方法和過程[6]。而現代三維CAD造型設計的基礎是在一定的工作平面上繪制二維草圖輪廓，以二維草圖來構建三維立體，進而對三維立體進行更進一步的編輯操作，從而完成復雜的立體。將特征視圖與現代三維CAD的二維草圖有效地融合，特征視圖的新作用是：其外輪廓可作為立體形成的二維草圖輪廓。

2.疊加式組合體的特征視圖。疊加式組合體采用形體分析法來讀圖，通常需要兩個或兩個以上的視圖才能表達清楚，因此應將幾個視圖聯系起來看，才能找出特征視圖。如圖1所示組合體由底板、豎板和肋板組成，其特征視圖和成型方法如下：底板以俯視圖作為草圖輪廓沿著高度方向拉伸成型；豎板以主視圖作為草圖輪廓沿著寬度方向拉伸成型；肋板以左視圖作為草圖輪廓沿著長度方向拉伸成型。

3.切割式組合體的特征視圖。切割式組合體主要采用線面分析法讀圖，首先分析給定幾個視圖的外輪廓線的復雜程度和特點，確定一個成型特征視圖，利用該特征視圖想象出切割前的原始形狀；再利用其他視圖分析切割特征及其成型的過程；最后利用直線和平面的投影特性分析切割各個表面的在不同視圖上的投影，綜合起來想象切割立體的整體形狀。概括為：分析特征想原型，分析切割定過程，分析線面想整體。如圖2所示，切割式組合體三視圖的讀圖分析。

通過以上分析，在畫圖和讀圖過程中，將構型設計和三維造型方法與傳統的工程圖學分析方法相結合，使它們相互協調，確定出最佳的構型設計方案。

三、結束語

在產品設計和生產進入三維設計的新模式，傳統的工程圖學教學思想和方法必須做出相應的改變和更新。在工程圖學教學過程中，將現代構型設計、三維造型與傳統工程圖學的二維視圖讀圖方法有效地融合一體。以工程圖學教學為前提、以構型設計、三維CAD造型為輔助手段，培養學生計算機輔助思維、構型設計與三維造型，能調動學生的學習興趣和積極性，有效地激發學生的創新思維，從而提高課堂的教學效率和效果，使學生能掌握現代CAD設計理念。

參考文獻：

[1]阮春紅，何建英，魏迎軍.3D工程制圖·理論篇[M].武漢：華中科技大學出版社，2010：3-4.

[2]陳錦昌，陳亮，張瑞秋，等.基于構型設計的工程制圖課程中設計環節的探索[J].圖學學報，2013，34（1）：105-110.

[3]董曉英，葉霞.現代工程圖學[M].第2版.北京：清華大學出版社，2015：93.

[4]李虹，馬春生，等.計算機構型設計及繪圖實驗教程[M].北京：國防工業出版社，2011：33.

[5]白聿欽，莫亞林.現代機械工程制圖[M].北京：機械工業出版社，2014：155-156.

[6]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.