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摘要

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的可視化造型方法，獨(dú)有的三維球等工具，非常適合機(jī)械制圖的教學(xué)。在《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)中，將CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)應(yīng)用到形體分析、零件裝配等。CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)可直接構(gòu)建交互式教學(xué)平臺(tái)，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使教學(xué)效果大大提高。

關(guān)鍵詞：CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)；機(jī)械制圖；教學(xué)；應(yīng)用

機(jī)械制圖是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握機(jī)械制圖的基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)投影理論和有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械制圖課程著重培養(yǎng)學(xué)生識(shí)圖能力及空間想象能力，使學(xué)生能看懂機(jī)械零件圖和裝配圖。

機(jī)械制圖課程，從用實(shí)物模型輔助教學(xué)到利用CAI多媒體課件進(jìn)行課堂教學(xué)，確實(shí)是一個(gè)很大的進(jìn)步。但僅用圖片或課件演示，重復(fù)地播放看似直觀、明了，但學(xué)生總體反映這門課難學(xué)，老師認(rèn)為這門課難教。因?yàn)橛枚嗝襟w設(shè)備教學(xué)只是替代了原來(lái)的黑板，不能表達(dá)機(jī)械制圖的思想，不能說(shuō)明二維圖形與三維零件的關(guān)系，不能說(shuō)明機(jī)械圖樣中相關(guān)規(guī)定的由來(lái)，更無(wú)法引導(dǎo)學(xué)生的思路在三維空間與二維平面之間轉(zhuǎn)換，也很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這些都是機(jī)械制圖教學(xué)中長(zhǎng)期存在的難題。作者認(rèn)為如能直觀地表達(dá)二維圖形與三維實(shí)體的關(guān)聯(lián)關(guān)系，賦予三維實(shí)體模型以機(jī)械屬性，使數(shù)字三維模型成為實(shí)際機(jī)械零件，機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)將會(huì)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)對(duì)多種三維CAD軟件的對(duì)比試用，筆者認(rèn)為在機(jī)械制圖等課程的課堂教學(xué)中只要掌握CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的簡(jiǎn)單操作方法，借助CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)，利用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件獨(dú)特的可視化造型方法和三維球等工具，利用多媒體教學(xué)設(shè)備，不僅可以將“機(jī)械加工廠”搬到課堂中來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)完成零件加工，零件拆裝，圖紙的生成。更重要的是構(gòu)建一個(gè)交互式教學(xué)平臺(tái)，使機(jī)械制圖易教易學(xué)。

建立CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)

首先，必須以多種版本的《機(jī)械制圖》教材為基礎(chǔ)建立CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)。該實(shí)體模型庫(kù)應(yīng)包含基本體、組合體、各種典型（常用）零件、各種裝配件、常用標(biāo)準(zhǔn)件等制圖教材和生產(chǎn)中的各種實(shí)體模型。這些數(shù)字模型應(yīng)按制圖教學(xué)思路制作。在基本體的基礎(chǔ)上用切割或疊加方法生成組合體，零件，部裝件或裝配件。為了方便學(xué)生理解，按工作原理設(shè)計(jì)零件或整體裝配件的動(dòng)作，利用CAXA的動(dòng)畫(huà)功能播放動(dòng)畫(huà)，展示部裝件或整體裝配件的工作原理、裝配過(guò)程。

在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件中，三維圖形與二維圖形是關(guān)聯(lián)的。三維模型庫(kù)創(chuàng)建好后，利用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)二、三維關(guān)聯(lián)性，與之對(duì)應(yīng)的二維圖形庫(kù)也同時(shí)建立。三維設(shè)計(jì)環(huán)境修改后，軟件會(huì)立即詢問(wèn)二維圖紙是否需更新，確認(rèn)后，原有的二維圖形立即按三維設(shè)計(jì)環(huán)境的修改進(jìn)行更新。同時(shí)，在二維繪圖環(huán)境中，可以進(jìn)行各種標(biāo)注、生成明細(xì)表。二維布局圖可以由一張圖紙，也可由多張圖紙構(gòu)成，可以包含一個(gè)視圖，也可以包含多個(gè)視圖。

在CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)中，利用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)可輸出零件、圖紙、圖像、動(dòng)畫(huà)四種格式的文件，可將各模型轉(zhuǎn)到使用者熟悉的其它CAD/CAM應(yīng)用程序使用，也可作為制作CAI課件的素材。這為使用者提供了很大的方便。

為讓不熟悉CAXA軟件的使用者也能在教學(xué)中用該模型庫(kù)，建立CAXA實(shí)體模型庫(kù)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)有必要的使用簡(jiǎn)介，且做成文字或 *.avi格式的文件。使用簡(jiǎn)介包括軟件界面、主要工具（設(shè)計(jì)樹(shù)、三維球、操作手柄）的操作方法、多視窗顯示這三部分，使用者只需幾分鐘就可借助CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)學(xué)習(xí)機(jī)械制圖了。

CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)所包含的內(nèi)容如圖1所示。

圖1   CAXA機(jī)械制圖三維實(shí)體模型庫(kù)

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)在機(jī)械制圖教學(xué)中應(yīng)用舉例

1、操作手柄的應(yīng)用

在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件中拖動(dòng)操作手柄可直接改變實(shí)體的幾何尺寸。當(dāng)你選中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件并進(jìn)入智能圖素編輯狀態(tài)時(shí)，缺省情況下會(huì)出現(xiàn)黃色的包圍盒和一個(gè)手柄開(kāi)關(guān)并顯示為包圍盒狀態(tài)。手柄開(kāi)關(guān)可以使您在2個(gè)不同的智能圖素編輯環(huán)境之間切換。拖動(dòng)操作手柄可修改圍繞智能圖素的包圍盒的長(zhǎng)、寬、高；或直接修改構(gòu)成智能圖素的截面的尺寸和形狀如圖2所示。

    圖2   包圍盒狀態(tài)操作手柄              截面形狀狀態(tài)操作手柄

調(diào)出三維模型后拖動(dòng)操作手柄，可修改智能圖素的幾何尺寸。動(dòng)態(tài)觀察曲面或平面立體的表面相貫線或平面截交線的空間形狀，隨尺寸改變形狀的變化情況，進(jìn)行組合體的線、面分析，如圖3、圖4所示。

直接拖動(dòng)操作手柄修改零件的尺寸，對(duì)進(jìn)行相切、相交、共面，不共面等組合體表面關(guān)系分析時(shí)非常直觀。

圖3   動(dòng)態(tài)觀察圓柱體相貫線的變化       圖4   組合體表面關(guān)系分析

2、三維球的應(yīng)用

三維球是CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)一特有的三維空間定位工具，它可以很方便的通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)和其它復(fù)雜的三維空間變換精確定位任何一個(gè)三維物體；同時(shí)三維球還可以完成對(duì)智能圖素、零件或組合件生成拷貝、直線陣列、矩形陣列和圓形陣列的操作功能。

三維球可以附著在多種三維物體之上。選中零件、智能圖素、錨點(diǎn)、表面、視向、光源、動(dòng)畫(huà)路徑關(guān)鍵幀等三維物體后，點(diǎn)擊三維球工具按鈕 打開(kāi)三維球，使三維球附著在這些三維物體之上，從而很方便的對(duì)它們進(jìn)行移動(dòng)、相對(duì)定位和距離測(cè)量。

三維球是一個(gè)非常杰出和直觀的三維圖素操作工具。通過(guò)對(duì)X、Y、Z方向的三個(gè)手柄操作可迅速建立三維空間概念。在機(jī)械制圖用三維球工具對(duì)空間坐標(biāo)建立；尺寸標(biāo)注；零件裝配等很有幫助。如圖5所示應(yīng)用三維球工具講解如何進(jìn)行軸系零件的裝配及裝配圖尺寸標(biāo)注。

圖5 應(yīng)用三維球工具進(jìn)行零件裝配

3、設(shè)計(jì)樹(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用設(shè)計(jì)樹(shù)/壓縮工具可采用切割或疊加方法將基本幾何體“加工”成較復(fù)雜的組合體或零件，逐步展示三維實(shí)體形成過(guò)程，同步更新二維工程圖，時(shí)實(shí)演示從三維到二維的本質(zhì)變化。

如圖6所示。通過(guò)三維實(shí)體、二維視圖的對(duì)照比較，舉一反三對(duì)投影的概念，形體的線、面分析有較大幫助。

圖6  應(yīng)用設(shè)計(jì)樹(shù)逐步“加工”零件

同理，設(shè)計(jì)樹(shù)也可用于分析較復(fù)雜組合體的構(gòu)成，把組合體拆分為簡(jiǎn)單的幾何體，如圖7所示，從底板開(kāi)始逐個(gè)疊加、切割逐步形成組合體，配合三維球移動(dòng)簡(jiǎn)單的幾何體，可以讓學(xué)生理解什么是正確的尺寸標(biāo)注，為什么要這樣標(biāo)注尺寸。

圖7  分析組合體的構(gòu)成及尺寸標(biāo)注

4、利用動(dòng)畫(huà)功能觀察運(yùn)動(dòng)情況

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)所具有的動(dòng)畫(huà)功能不同于其它三維CAD中的爆炸圖，CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)不僅可進(jìn)行零件復(fù)雜的動(dòng)作設(shè)計(jì)，而且有我們所熟悉動(dòng)畫(huà)播放工具，調(diào)出模型庫(kù)中已完成帶動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)的零件，就可直接觀察運(yùn)動(dòng)情況。在零件圖或裝配教學(xué)中，可以清楚地描述圖紙上各零件的作用或裝配件的工作情況。如講解如圖8所示差動(dòng)螺釘?shù)牧慵D時(shí)，什么是差動(dòng)？如何理解圖上的尺寸及符號(hào)？等等。憑一張圖紙，沒(méi)有工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生很難理解這些問(wèn)題。但裝上標(biāo)準(zhǔn)件螺母，播放動(dòng)畫(huà)后就一目了然。螺釘上的兩段螺距不同，裝上螺母后兩螺母的運(yùn)動(dòng)快慢當(dāng)然不一樣，圖上的尺寸、符號(hào)也容易理解了。

圖8 利用動(dòng)畫(huà)功能模擬運(yùn)動(dòng)情況

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)所具有的動(dòng)畫(huà)功能對(duì)學(xué)習(xí)裝配圖的工作原理；分析零件的裝拆順序非常有用。

5、其它工具的應(yīng)用

用顯示工具中的多視窗顯示結(jié)合視向工具，可以從不同角度同時(shí)觀察同一個(gè)零件或同時(shí)打開(kāi)多個(gè)零件。

用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)中的“曲面生成”工具可講解斜視圖、向視圖、剖面圖的概念等等。如圖9所示，選中零件的某一表面直接生成“曲面”，用三維球移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)該“曲面”與某一基本投影平行，用斜視圖表現(xiàn)機(jī)件傾斜部分的形狀。

圖9 曲面生成工具的應(yīng)用

用視角工具可選擇生成第一視角或第三視角視圖，在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中顯示三維坐標(biāo)，對(duì)照比較，第三視角的概念，歐美國(guó)家第三視角工程圖紙就容易接受了。

從模型庫(kù)或CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件工具庫(kù)中調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)件，在零件屬性框中修改尺寸參數(shù)或機(jī)械屬性，各參數(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件特征的影響和作用一目了然，自然理解標(biāo)準(zhǔn)件所規(guī)定的各參數(shù)的意義，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)的講解不再枯燥。

用CAXA二維視圖生成工具可由模型直接生成各種視圖，并在視圖上添加工程標(biāo)注。

在實(shí)際教學(xué)中實(shí)踐后，會(huì)發(fā)現(xiàn)CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的許多工具在機(jī)械制圖課程的教學(xué)中都是非常有用的，有利于學(xué)生建立空間概念，認(rèn)識(shí)從二維視圖到三維實(shí)體的本質(zhì)變化，提高空間想象力和創(chuàng)新能力。

教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)注意的問(wèn)題

與用其它手段輔助教學(xué)類似，用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)輔助機(jī)械制圖課程教學(xué)，構(gòu)建數(shù)字模型不能只追求直觀、生動(dòng)，畫(huà)面構(gòu)圖，不能偏離機(jī)械制圖課程的任務(wù)，一切須圍繞課程目標(biāo)而展開(kāi)。三維實(shí)體模型庫(kù)中的各實(shí)體模型對(duì)教學(xué)效果有直接的影響，建模型庫(kù)時(shí)不僅要依照機(jī)械制圖的思想，而且要熟悉機(jī)械加工工藝；測(cè)量方法、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系等相關(guān)內(nèi)容，使數(shù)字模型具有“機(jī)械”屬性。

總之，用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)作為機(jī)械制圖課程的教學(xué)平臺(tái)是非常適用的。與此類似，CXAX實(shí)體設(shè)計(jì)對(duì)《機(jī)械基礎(chǔ)》，《液壓與氣壓傳動(dòng)》等課程的教學(xué)也有幫助。