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摘要

CAXA實體設計具有獨特的可視化造型方法，獨有的三維球等工具，非常適合機械制圖的教學。在《機械制圖》課程的教學中，將CAXA實體設計應用到形體分析、零件裝配等。CAXA實體設計可直接構建交互式教學平臺，改變了傳統的教學方式，使教學效果大大提高。

關鍵詞：CAXA實體設計；機械制圖；教學；應用

機械制圖是一門實踐性較強的技術基礎課。本課程的任務是使學生掌握機械制圖的基礎知識、基礎投影理論和有關國家標準。機械制圖課程著重培養學生識圖能力及空間想象能力，使學生能看懂機械零件圖和裝配圖。

機械制圖課程，從用實物模型輔助教學到利用CAI多媒體課件進行課堂教學，確實是一個很大的進步。但僅用圖片或課件演示，重復地播放看似直觀、明了，但學生總體反映這門課難學，老師認為這門課難教。因為用多媒體設備教學只是替代了原來的黑板，不能表達機械制圖的思想，不能說明二維圖形與三維零件的關系，不能說明機械圖樣中相關規定的由來，更無法引導學生的思路在三維空間與二維平面之間轉換，也很難調動學生的學習興趣。這些都是機械制圖教學中長期存在的難題。作者認為如能直觀地表達二維圖形與三維實體的關聯關系，賦予三維實體模型以機械屬性，使數字三維模型成為實際機械零件，機械制圖的學習將會變得相對簡單。通過對多種三維CAD軟件的對比試用，筆者認為在機械制圖等課程的課堂教學中只要掌握CAXA實體設計軟件的簡單操作方法，借助CAXA機械制圖三維實體模型庫，利用CAXA實體設計軟件獨特的可視化造型方法和三維球等工具，利用多媒體教學設備，不僅可以將“機械加工廠”搬到課堂中來，現場完成零件加工，零件拆裝，圖紙的生成。更重要的是構建一個交互式教學平臺，使機械制圖易教易學。

建立CAXA機械制圖三維實體模型庫

首先，必須以多種版本的《機械制圖》教材為基礎建立CAXA機械制圖三維實體模型庫。該實體模型庫應包含基本體、組合體、各種典型（常用）零件、各種裝配件、常用標準件等制圖教材和生產中的各種實體模型。這些數字模型應按制圖教學思路制作。在基本體的基礎上用切割或疊加方法生成組合體，零件，部裝件或裝配件。為了方便學生理解，按工作原理設計零件或整體裝配件的動作，利用CAXA的動畫功能播放動畫，展示部裝件或整體裝配件的工作原理、裝配過程。

在CAXA實體設計軟件中，三維圖形與二維圖形是關聯的。三維模型庫創建好后，利用CAXA實體設計二、三維關聯性，與之對應的二維圖形庫也同時建立。三維設計環境修改后，軟件會立即詢問二維圖紙是否需更新，確認后，原有的二維圖形立即按三維設計環境的修改進行更新。同時，在二維繪圖環境中，可以進行各種標注、生成明細表。二維布局圖可以由一張圖紙，也可由多張圖紙構成，可以包含一個視圖，也可以包含多個視圖。

在CAXA機械制圖三維實體模型庫中，利用CAXA實體設計可輸出零件、圖紙、圖像、動畫四種格式的文件，可將各模型轉到使用者熟悉的其它CAD/CAM應用程序使用，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中用該模型庫，建立CAXA實體模型庫時應考慮設有必要的使用簡介，且做成文字或 *.avi格式的文件。使用簡介包括軟件界面、主要工具（設計樹、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機械制圖三維實體模型庫學習機械制圖了。

CAXA機械制圖三維實體模型庫所包含的內容如圖1所示。

圖1   CAXA機械制圖三維實體模型庫

CAXA實體設計在機械制圖教學中應用舉例

1、操作手柄的應用

在CAXA實體設計軟件中拖動操作手柄可直接改變實體的幾何尺寸。當你選中一個標準零件并進入智能圖素編輯狀態時，缺省情況下會出現黃色的包圍盒和一個手柄開關并顯示為包圍盒狀態。手柄開關可以使您在2個不同的智能圖素編輯環境之間切換。拖動操作手柄可修改圍繞智能圖素的包圍盒的長、寬、高；或直接修改構成智能圖素的截面的尺寸和形狀如圖2所示。

    圖2   包圍盒狀態操作手柄              截面形狀狀態操作手柄

調出三維模型后拖動操作手柄，可修改智能圖素的幾何尺寸。動態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，進行組合體的線、面分析，如圖3、圖4所示。

直接拖動操作手柄修改零件的尺寸，對進行相切、相交、共面，不共面等組合體表面關系分析時非常直觀。

圖3   動態觀察圓柱體相貫線的變化       圖4   組合體表面關系分析

2、三維球的應用

三維球是CAXA實體設計一特有的三維空間定位工具，它可以很方便的通過平移、旋轉和其它復雜的三維空間變換精確定位任何一個三維物體；同時三維球還可以完成對智能圖素、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、表面、視向、光源、動畫路徑關鍵幀等三維物體后，點擊三維球工具按鈕 打開三維球，使三維球附著在這些三維物體之上，從而很方便的對它們進行移動、相對定位和距離測量。

三維球是一個非常杰出和直觀的三維圖素操作工具。通過對X、Y、Z方向的三個手柄操作可迅速建立三維空間概念。在機械制圖用三維球工具對空間坐標建立；尺寸標注；零件裝配等很有幫助。如圖5所示應用三維球工具講解如何進行軸系零件的裝配及裝配圖尺寸標注。

圖5 應用三維球工具進行零件裝配

3、設計樹的應用

應用設計樹/壓縮工具可采用切割或疊加方法將基本幾何體“加工”成較復雜的組合體或零件，逐步展示三維實體形成過程，同步更新二維工程圖，時實演示從三維到二維的本質變化。

如圖6所示。通過三維實體、二維視圖的對照比較，舉一反三對投影的概念，形體的線、面分析有較大幫助。

圖6  應用設計樹逐步“加工”零件

同理，設計樹也可用于分析較復雜組合體的構成，把組合體拆分為簡單的幾何體，如圖7所示，從底板開始逐個疊加、切割逐步形成組合體，配合三維球移動簡單的幾何體，可以讓學生理解什么是正確的尺寸標注，為什么要這樣標注尺寸。

圖7  分析組合體的構成及尺寸標注

4、利用動畫功能觀察運動情況

CAXA實體設計所具有的動畫功能不同于其它三維CAD中的爆炸圖，CAXA實體設計不僅可進行零件復雜的動作設計，而且有我們所熟悉動畫播放工具，調出模型庫中已完成帶動畫設計的零件，就可直接觀察運動情況。在零件圖或裝配教學中，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所示差動螺釘的零件圖時，什么是差動？如何理解圖上的尺寸及符號？等等。憑一張圖紙，沒有工廠實踐經驗的學生很難理解這些問題。但裝上標準件螺母，播放動畫后就一目了然。螺釘上的兩段螺距不同，裝上螺母后兩螺母的運動快慢當然不一樣，圖上的尺寸、符號也容易理解了。

圖8 利用動畫功能模擬運動情況

CAXA實體設計所具有的動畫功能對學習裝配圖的工作原理；分析零件的裝拆順序非常有用。

5、其它工具的應用

用顯示工具中的多視窗顯示結合視向工具，可以從不同角度同時觀察同一個零件或同時打開多個零件。

用CAXA實體設計中的“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、旋轉該“曲面”與某一基本投影平行，用斜視圖表現機件傾斜部分的形狀。

圖9 曲面生成工具的應用

用視角工具可選擇生成第一視角或第三視角視圖，在三維設計環境中顯示三維坐標，對照比較，第三視角的概念，歐美國家第三視角工程圖紙就容易接受了。

從模型庫或CAXA實體設計軟件工具庫中調入標準件，在零件屬性框中修改尺寸參數或機械屬性，各參數對標準件特征的影響和作用一目了然，自然理解標準件所規定的各參數的意義，對標準件參數的講解不再枯燥。

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注。

在實際教學中實踐后，會發現CAXA實體設計的許多工具在機械制圖課程的教學中都是非常有用的，有利于學生建立空間概念，認識從二維視圖到三維實體的本質變化，提高空間想象力和創新能力。

教學實踐中應注意的問題

與用其它手段輔助教學類似，用CAXA實體設計輔助機械制圖課程教學，構建數字模型不能只追求直觀、生動，畫面構圖，不能偏離機械制圖課程的任務，一切須圍繞課程目標而展開。三維實體模型庫中的各實體模型對教學效果有直接的影響，建模型庫時不僅要依照機械制圖的思想，而且要熟悉機械加工工藝；測量方法、國家標準體系等相關內容，使數字模型具有“機械”屬性。

總之，用CAXA實體設計作為機械制圖課程的教學平臺是非常適用的。與此類似，CXAX實體設計對《機械基礎》，《液壓與氣壓傳動》等課程的教學也有幫助。