摘要

CAXA实体设计具有独特的可视化造型方法，独有的三维球等工具，非常适合机械制图的教学。在《机械制图》课程的教学中，将CAXA实体设计应用到形体分析、零件装配等。CAXA实体设计可直接构建交互式教学平台，改变了传统的教学方式，使教学效果大大提高。

关键词：CAXA实体设计；机械制图；教学；应用

机械制图是一门实践性较强的技术基础课。本课程的任务是使学生掌握机械制图的基础知识、基础投影理论和有关国家标准。机械制图课程着重培养学生识图能力及空间想象能力，使学生能看懂机械零件图和装配图。

机械制图课程，从用实物模型辅助教学到利用CAI多媒体课件进行课堂教学，确实是一个很大的进步。但仅用图片或课件演示，重复地播放看似直观、明了，但学生总体反映这门课难学，老师认为这门课难教。因为用多媒体设备教学只是替代了原来的黑板，不能表达机械制图的思想，不能说明二维图形与三维零件的关系，不能说明机械图样中相关规定的由来，更无法引导学生的思路在三维空间与二维平面之间转换，也很难调动学生的学习兴趣。这些都是机械制图教学中长期存在的难题。作者认为如能直观地表达二维图形与三维实体的关联关系，赋予三维实体模型以机械属性，使数字三维模型成为实际机械零件，机械制图的学习将会变得相对简单。通过对多种三维CAD软件的对比试用，笔者认为在机械制图等课程的课堂教学中只要掌握CAXA实体设计软件的简单操作方法，借助CAXA机械制图三维实体模型库，利用CAXA实体设计软件独特的可视化造型方法和三维球等工具，利用多媒体教学设备，不仅可以将“机械加工厂”搬到课堂中来，现场完成零件加工，零件拆装，图纸的生成。更重要的是构建一个交互式教学平台，使机械制图易教易学。

建立CAXA机械制图三维实体模型库

首先，必须以多种版本的《机械制图》教材为基础建立CAXA机械制图三维实体模型库。该实体模型库应包含基本体、组合体、各种典型（常用）零件、各种装配件、常用标准件等制图教材和生产中的各种实体模型。这些数字模型应按制图教学思路制作。在基本体的基础上用切割或叠加方法生成组合体，零件，部装件或装配件。为了方便学生理解，按工作原理设计零件或整体装配件的动作，利用CAXA的动画功能播放动画，展示部装件或整体装配件的工作原理、装配过程。

在CAXA实体设计软件中，三维图形与二维图形是关联的。三维模型库创建好后，利用CAXA实体设计二、三维关联性，与之对应的二维图形库也同时建立。三维设计环境修改后，软件会立即询问二维图纸是否需更新，确认后，原有的二维图形立即按三维设计环境的修改进行更新。同时，在二维绘图环境中，可以进行各种标注、生成明细表。二维布局图可以由一张图纸，也可由多张图纸构成，可以包含一个视图，也可以包含多个视图。

在CAXA机械制图三维实体模型库中，利用CAXA实体设计可输出零件、图纸、图像、动画四种格式的文件，可将各模型转到使用者熟悉的其它CAD/CAM应用程序使用，也可作为制作CAI课件的素材。这为使用者提供了很大的方便。

为让不熟悉CAXA软件的使用者也能在教学中用该模型库，建立CAXA实体模型库时应考虑设有必要的使用简介，且做成文字或 *.avi格式的文件。使用简介包括软件界面、主要工具（设计树、三维球、操作手柄）的操作方法、多视窗显示这三部分，使用者只需几分钟就可借助CAXA机械制图三维实体模型库学习机械制图了。

CAXA机械制图三维实体模型库所包含的内容如图1所示。

图1   CAXA机械制图三维实体模型库

CAXA实体设计在机械制图教学中应用举例

1、操作手柄的应用

在CAXA实体设计软件中拖动操作手柄可直接改变实体的几何尺寸。当你选中一个标准零件并进入智能图素编辑状态时，缺省情况下会出现黄色的包围盒和一个手柄开关并显示为包围盒状态。手柄开关可以使您在2个不同的智能图素编辑环境之间切换。拖动操作手柄可修改围绕智能图素的包围盒的长、宽、高；或直接修改构成智能图素的截面的尺寸和形状如图2所示。

    图2   包围盒状态操作手柄              截面形状状态操作手柄

调出三维模型后拖动操作手柄，可修改智能图素的几何尺寸。动态观察曲面或平面立体的表面相贯线或平面截交线的空间形状，随尺寸改变形状的变化情况，进行组合体的线、面分析，如图3、图4所示。

直接拖动操作手柄修改零件的尺寸，对进行相切、相交、共面，不共面等组合体表面关系分析时非常直观。

图3   动态观察圆柱体相贯线的变化       图4   组合体表面关系分析

2、三维球的应用

三维球是CAXA实体设计一特有的三维空间定位工具，它可以很方便的通过平移、旋转和其它复杂的三维空间变换精确定位任何一个三维物体；同时三维球还可以完成对智能图素、零件或组合件生成拷贝、直线阵列、矩形阵列和圆形阵列的操作功能。

三维球可以附着在多种三维物体之上。选中零件、智能图素、锚点、表面、视向、光源、动画路径关键帧等三维物体后，点击三维球工具按钮 打开三维球，使三维球附着在这些三维物体之上，从而很方便的对它们进行移动、相对定位和距离测量。

三维球是一个非常杰出和直观的三维图素操作工具。通过对X、Y、Z方向的三个手柄操作可迅速建立三维空间概念。在机械制图用三维球工具对空间坐标建立；尺寸标注；零件装配等很有帮助。如图5所示应用三维球工具讲解如何进行轴系零件的装配及装配图尺寸标注。

图5 应用三维球工具进行零件装配

3、设计树的应用

应用设计树/压缩工具可采用切割或叠加方法将基本几何体“加工”成较复杂的组合体或零件，逐步展示三维实体形成过程，同步更新二维工程图，时实演示从三维到二维的本质变化。

如图6所示。通过三维实体、二维视图的对照比较，举一反三对投影的概念，形体的线、面分析有较大帮助。

图6  应用设计树逐步“加工”零件

同理，设计树也可用于分析较复杂组合体的构成，把组合体拆分为简单的几何体，如图7所示，从底板开始逐个叠加、切割逐步形成组合体，配合三维球移动简单的几何体，可以让学生理解什么是正确的尺寸标注，为什么要这样标注尺寸。

图7  分析组合体的构成及尺寸标注

4、利用动画功能观察运动情况

CAXA实体设计所具有的动画功能不同于其它三维CAD中的爆炸图，CAXA实体设计不仅可进行零件复杂的动作设计，而且有我们所熟悉动画播放工具，调出模型库中已完成带动画设计的零件，就可直接观察运动情况。在零件图或装配教学中，可以清楚地描述图纸上各零件的作用或装配件的工作情况。如讲解如图8所示差动螺钉的零件图时，什么是差动？如何理解图上的尺寸及符号？等等。凭一张图纸，没有工厂实践经验的学生很难理解这些问题。但装上标准件螺母，播放动画后就一目了然。螺钉上的两段螺距不同，装上螺母后两螺母的运动快慢当然不一样，图上的尺寸、符号也容易理解了。

图8 利用动画功能模拟运动情况

CAXA实体设计所具有的动画功能对学习装配图的工作原理；分析零件的装拆顺序非常有用。

5、其它工具的应用

用显示工具中的多视窗显示结合视向工具，可以从不同角度同时观察同一个零件或同时打开多个零件。

用CAXA实体设计中的“曲面生成”工具可讲解斜视图、向视图、剖面图的概念等等。如图9所示，选中零件的某一表面直接生成“曲面”，用三维球移动、旋转该“曲面”与某一基本投影平行，用斜视图表现机件倾斜部分的形状。

图9 曲面生成工具的应用

用视角工具可选择生成第一视角或第三视角视图，在三维设计环境中显示三维坐标，对照比较，第三视角的概念，欧美国家第三视角工程图纸就容易接受了。

从模型库或CAXA实体设计软件工具库中调入标准件，在零件属性框中修改尺寸参数或机械属性，各参数对标准件特征的影响和作用一目了然，自然理解标准件所规定的各参数的意义，对标准件参数的讲解不再枯燥。

用CAXA二维视图生成工具可由模型直接生成各种视图，并在视图上添加工程标注。

在实际教学中实践后，会发现CAXA实体设计的许多工具在机械制图课程的教学中都是非常有用的，有利于学生建立空间概念，认识从二维视图到三维实体的本质变化，提高空间想象力和创新能力。

教学实践中应注意的问题

与用其它手段辅助教学类似，用CAXA实体设计辅助机械制图课程教学，构建数字模型不能只追求直观、生动，画面构图，不能偏离机械制图课程的任务，一切须围绕课程目标而展开。三维实体模型库中的各实体模型对教学效果有直接的影响，建模型库时不仅要依照机械制图的思想，而且要熟悉机械加工工艺；测量方法、国家标准体系等相关内容，使数字模型具有“机械”属性。

总之，用CAXA实体设计作为机械制图课程的教学平台是非常适用的。与此类似，CXAX实体设计对《机械基础》，《液压与气压传动》等课程的教学也有帮助。