现代工程图学(第三版)

绪论 　　1．课程的性质和研究对象 　　工程与产品的设计、开发和制造是人类生存的基础，是人类文明发展的直接动因。 　　在表达和交流科技信息的过程中，图形具有形象性、直观性和简洁性，是人们认识规律、探索未知的重要工具。图形作为直观表达实验数据、反映科学规律的一种手段，对于人们把握事物的内在联系、掌握问题的变化趋势，具有重要意义。 　　在工程设计中，工程图样作为设计与制造、工程与产品信息的定义、表达和交流的主要媒介，在机械、建筑、土木、水利和园林等领域的技术和管理工作中有着广泛的应用。因此，工程图样是工程界设计师、工程师和其他技术人员用来进行记录、表达和交流的语言。 　　几乎每一本工程学课本都有工程技术图样。掌握了工程图学的基础知识，不仅对专业课学习有帮助，对其他课程也会有所帮助。因此，工程图学课程是工科专业学生学习工程知识的**个窗口，也是比较适合的窗口。 　　综上所述，工程图学课程是工科院校重要的技术基础课程之一，是一门工科专业学生的必修课程。 　　工程图学课程的主要研究对象有以下三个方面。 　　(1)研究空间几何元素的图示与图解问题。 　　(2)研究空间物体的构型规律和表达方法。 　　(3)研究工程图样表达的基本概念和基本方法。 　　2．课程的任务和培养目标 　　1)课程的任务 　　本课程的学习任务主要有以下五个方面。 　　(1)学习投影法的基本理论和应用。 　　(2)学习物体构形分析的基本概念和方法。 　　(3)学习空间物体图样表达的基本概念和方法。 　　(4)学习阅读和绘制工程图并能正确理解工程图的基本方法。 　　(5)学习从三维物体到二维图样和从二维图样到三维物体的形象思维方法。 　　此外，在教学过程中，还应有意识地培养学生认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风。 　　2)课程培养的能力 　　本课程重点培养学生以下5种能力。 　　(1)培养形象思维的几何抽象能力。 　　(2)培养创造性构型设计能力。 　　(3)培养阅读和绘制工程图样的基本能力。 　　(4)培养学生的工程素养和手绘技术草图的基本能力。 　　(5)培养学生的计算机建模和CAD绘图能力。 　　3)课程培养的意识 　　本课程主要培养学生树立以下两个意识。 　　(1)图形标准化意识。 　　遵循各类技术制图标准的工程图样在表达和绘制方面高度规范化与**化，能够在不同国家甚至是世界范围内交流。通过本课程的学习，学生了解到必须遵守这些制图标准，才能正确阅读图纸，或保证自己绘制的图纸能够被别人轻松的读懂并不会产生误会。 　　(2)创新意识。 　　在工科技术课程当中，形象思维能力是*重要的能力之一。另外，从实际情况来看，一些极具创造性的人都拥有很强的形象思维能力。本课程主要学习以空间角度来观察和思考物体，是培养形象思维能力的*佳课程。 　　3．课程的学习方法 　　工程图学是一门技术基础课程，为了顺利学好本课程，必须掌握正确的学习方法，主要注意以下两点。 　　1)多想多练，日积月累，培养形象思维能力 　　善于采用形象思维的学习方法，根据从三维物体到二维图样和从二维图样到三维物体的形象思维方法，要多想多练，培养形象思维能力。 　　形象思维能力的培养需日积月累，逐渐加强，不可能靠临时突击，一蹴而就。需根据投影理论不断地进行“三维形体”与“二维图形”的对应关系训练，逐步培养和增强形象思维与几何抽象能力。 　　2)认真听课，按时完成作业，做好单元总结 　　工程图学课程的知识循序渐进，由浅入深。要认真对待每一次的课堂听课和课后作业。由于工程图学的研究对象主要为“图形”，因此，课堂上集中精力，以听为主，必要时以草图的方式做一些笔记；作业不仅要正确，还需整洁和美观；平时预习和复习看书时，主要以看书上的“图形”为主，看文字为辅；并及时做好阶段性的单元总结。 　　第1章 设计和表达 　　劳动实践中，人们为了提高生产效率和减轻劳动强度，创造了各种类型的工业产品。例如，从手表、剪刀等小型机械产品，到汽车、飞机、工业机器人等不同用途的各类大型机电设备。不同的机器由于其功能和种类各异，其构造和所包含的零件与部件也各不相同。 　　任何一种新的工业产品在制造之前，它的系统或结构雏形已经存在于工程师或设计师的脑海中。设计的过程是令人激动并充满挑战的，工程设计人员首先手绘产品的概念设计草图(图1.1)，以方便快速地表达和交流设计想法，然后进行产品的详细设计，选用不同的材料和制造方法等。 　　技术人员在设计工业产品时，其表达和交流的方式一般有两种：三维数字化模型(图1.2)和二维工程图样(图1.3)。 　　图1.1 产品概念设计草图 　　图1.2 三维数字化模型 　　图1.3 二维工程图样 　　1.1 三维数字化模型表达 　　人们根据已有的草图或想象，利用工程计算机铺助设计(Computer Aided Design，CAD)软件，采用人机交互的方式，在计算机中生成产品的三维数字化模型，如图1.4所示。该数字化模型是对原物体精确的数学描述，能模拟真实世界中原物体的形状、颜色及其纹理等属性，这是一种先进的设计表达方法。 　　图1.4 三维数字化模型 　　在工程设计领域，数字化模型是和特定的产品联系在一起的，其目的是在产品还未生产出来之前，就可以对产品的各种特性进行充分的研究。这些模型通过赋予不同的特征，就可以进行测量、应力分析、运动轨迹校核、空气动力学测试、模拟加工、虚拟演示等。它是对所设计的产品进行分析计算的基础，也是实现计算机辅助制造的基本手段。 　　1.2 二维工程图样表达 　　早在远古时期，人类的祖先就已经在岩石、地面或其他表面开始画一些简单的图形，利用图画来满足他们表达上的基本需要，如图1.5所示的埃及象形文字。 　　图1.5 埃及象形文字 　　随着时代的进步，图样表达向着两个截然不同的方向发展：艺术的和技术的。艺术家开始用绘画表现艺术、哲学，以及其他抽象的情感。而工程设计师在建造如金字塔、战车、建筑物等工程项目，以及制造简单而实用的器械时，开始把图样作为表达设计思想的工具。 　　在大约公元2世纪，罗马建筑师已经能够熟练地绘制建筑工程设计图样，他们用直尺和圆规绘制立面图与平面图，还能画出较好的透视图。文艺复兴时期，利用多面视图把三维的现实世界绘制到二维平面的画面上已成为一种表达方法。 　　到18世纪，工业革命的兴起，引出了新的设计和表达形式，要求在设计和施工之间，能有一个精确的被普遍接受的表达工具。 　　法国科学家Gaspard Monge(图1.6)把三维空间关系用二维图形准确表示出来是里程碑式的贡献，从而使得用于表达和交流设计信息的工程图样高度规范化和**化。他编写的《画法几何学》，标志着图形技术由经验上升为科学，至今仍是技术制图的理论基础。以画法几何为基础的工程制图在工程与科学技术领域里提供了可靠的理论工具和解决问题的有效手段。 　　1．画法几何 　　画法几何采用图形和投影原理解决空间几何关系，即把三维空间里的几何元素投射在两个正交的二维投影平面上，并将它们展开成一个平面，得到由两个二维投影组成的正投影图，该正投影图可准确**地表达这些空间几何元素，如图1.7所示。 　　Gaspard Monge在其所著的《画法几何学》中写到，这门学科有两个重要的目的： 　　(1)在只有两个尺度的图纸上，准确地表达出具有三个尺度才能严格确定的物体； 　　(2)根据准确的图形，推导出物体的形状和物体各个组成部分的相对位置。 　　2．机械制图 　　观察一下身旁的物品：如手机、计算器、电话、椅子等，这些产品虽然具有不同的形状和大小，但它们都是根据工程图样从各种原材料加工和装配成现在所看到的实物。 　　机械工程领域使用的工程图样主要是机械图样，机械图样又分零件图和装配图两类。机械图样是机械工程领域使用*广泛的“语言”，是用于技术交流和指导生产的重要技术文件之一。 　　机械图样有严格的制图标准，必须采用一定的制图技术。 　　1)制图标准 　　机械制图国家标准是统一工程语言的基本法规。绘制技术图样和阅读技术图样都需要遵循这些国家标准的规定。 　　为了保证图纸能够在不同国家甚至是世界范围内交流，国际标准化组织(ISO)公布了关于科技、金融和政府的上万份标准。进入可以获得有关国家标准的*新信息。进入可以获得有关国际标准的*新信息。 　　2)制图技术 　　“制图技术”的含义很广，内容也很丰富。可以这样认为：“向人们提供以图形或图像为主的形象信息技术，皆可称为制图技术”。它是由使用绘图工具手工绘制产品图样的技艺发展起来的。在科学技术突飞猛进的今天，一方面，计算机绘图逐步取代手工仪器绘图，提高了制图技术水平和图样质量；另一方面，计算机辅助设计和制造使得无图纸设计和生产成为可能。 　　1.3 产品设计 　　产品设计是根据客观需求，以成熟技术结构为基础，运用科学原则、经验和创造力所进行的设计，它在工业生产中大量存在，并且是一种经常性的工作。 　　(1)设计目的：产品设计产生的产品是以满足人的功能需要为目的，是为了使人类的生活质量得到提高，使人的物质需求与精神需求得到满足，即通过对产品的完善与创造，使产品更好地迎合人的需要，解决人的各种问题。 　　(2)设计对象：产品设计的设计对象是人们生活中所用到的一切工业产品，包括交通工具、文化用品、家居用品、五金产品、电子产品等。 　　(3)设计的范围：产品设计的范围涉及人的生理需要、心理需要和对环境的需要等。 　　产品开发由两个主要过程组成：设计过程和制造过程。 　　设计过程始于由市场人员认定的用户需求，止于对产品的完整描述，通常用工程图样来表现。制造过程则始于产品的生产工艺，止于产品发运。 　　随着工业发展，工程设计已经渗透到从产品研发、制造直至销售的整个产业链中，且起着举足轻重的作用，图1.8表示了产品的开发设计在产品开发的全周期所占的工时成本只有5%，而对产品成本所产生的影响占到70%。 　　图1.8 设计与产品开发