對虛擬模型尺寸測量方法的探索

王成剛， 趙奇平， 游險峰

（武漢理工大學機電學院，湖北 武漢 430070）

模型測繪是在分析模型結構、形狀的基礎上，綜合運用工程圖學的知識，繪制出模型圖樣（草圖），并標注出尺寸等內容的實踐過程，它是學習“工程圖學”課程的重要內容，也是培養、訓練學生綜合運用工程圖學知識、提高動手能力的重要手段。

通常，模型測繪包括兩大重要內容，其一為繪制反映模型結構、形狀的圖形；另一重要內容便是尺寸測量及標注。對于實物模型而言，尺寸的測量可通過測量工具，如直尺、游標卡尺等進行，對于虛擬模型如何實現尺寸測量呢？近年來，隨著三維建模軟件及虛擬現實技術的廣泛應用，三維虛擬模型在教學中的應用已十分廣泛。然而，要實現采用虛擬模型替代實物模型進行模型測繪實踐的訓練，目前尚未見到較理想的途徑。如邱龍輝等[1-2]發表的“基于VRML的虛擬模型尺寸測量方法研究”一文，給出了基于VRML虛擬模型庫，使用EAI接口，并使用文本編輯添加節點的方法進行“虛擬模型尺寸測量”，該文對虛擬模型的尺寸測量進行有益探索，并取得了一定的成果。但該方法需要對每個模型采用VRML編程來編輯添加節點[3-5]，這不僅是一份繁瑣編程工作，而且需要將模型各測量點都預設好。在進行尺寸測量時，又必須按照事先預設的測量點進行“測量”，且尺寸不能直觀地顯示出來，而是在圖形下方的參數中顯示，故難以達到自主測量的實踐體驗。

經過對SolidWorks軟件建模、標注及eDrawings三維模型動態瀏覽器的分析、研究[6]，在充分利用eDrawings瀏覽器實時動態三維模型交互式觀察的基礎上，充分利用SolidWorks軟件的標注功能和eDrawings瀏覽器的注釋功能、測量功能等，初步解決了虛擬模型尺寸測量的問題。其測量模式、實現方法和教學實踐分述如下。

1 模型測繪中尺寸測量的三種模式

在傳統的實物模型測繪教學實踐中，首先需要準備足夠的實物模型和量具，使得教學準備工作繁重，且要有大量的測繪模型儲備，需購買大量模型、量具及測繪場所。加之“工程圖學”學時減少，導致模型測繪教學難以開展或很少開展。而極為有限的模型測繪實踐教學，又往往因為學生的層次不同、理解能力不同和測繪速度的不同，致使測繪指導任務繁重，收效不明顯。究其原因主要是因為模型測繪為實踐教學，其性質為個性化教學范疇，故很難通過統一的講課達到目的。因此，必須要探尋個性化的教學方式和教學手段。顯然，計算機虛擬模型測繪是個性化教學的有效手段，它不需要實體模型、量具的準備，也不需要進度的統一，還可根據學習進度的不同預設不同的測繪難度及相應幫助，使學生能夠自主地、循序漸進地掌握模型測繪相關知識和技能，獲得應有的實踐訓練[7-8]。

為此，將模型測繪分為3個階段加以安排。第一階段，將測繪的主要目標定在認知模型、分析模型的構成方式及結構、形狀上，其測繪內容以畫投影圖為主，測量及尺寸標注為輔；第二階段，將測繪的主要目標定在分析模型的構成方式、功能及結構、形狀上，其測繪內容以畫圖和尺寸測量及標注并重；第三階段，將虛擬模型測繪向實物模型測繪過渡，學生需要自主地進行繪圖和尺寸測量，從而達到實物模型測繪的實踐體驗。這就需要對虛擬模型及其尺寸測量也進行相應的設置。根據模型測繪不同層次、不同內容和不同要求，將虛擬模型的尺寸測量分為3種模式：分步式、直接式和自主式。

分步式：根據模型特征，預先將模型的尺寸分步驟地在模型上標注出來，測量時引導學生逐一展開，進行尺寸的分步標注。該方式主要針對教學分析和測繪的初學者，使模型測繪的尺寸標注方便、正確，從而培養學生掌握正確的尺寸標注方法和步驟。

直接式：將模型的尺寸部分或全部標注在虛擬三維模型上，所見即所得，減輕模型尺寸測量的難度，提高模型測繪效率。但需要學生自己去組織尺寸標注的方法及步驟，從而加深對尺寸標注的訓練。

自主式：完全由測繪者自主地在虛擬模型上進行測量，從而獲得模型的尺寸。該方法能達到自主測量的實踐體驗，與實物模型的測繪過程類似，從而以虛擬模型替代實物模型實現模型測繪實踐訓練。

2 虛擬模型尺寸測量的實現方法

2.1 分步式尺寸測量方法的實現

（1）通過SolidWorks軟件進行準確的三維建模，并設置好模型的材料和表面顏色，使虛擬模型與實物模型在外形及質感上相吻合。

（2）將SolidWorks軟件創建的三維建模經過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開該三維模型。

（3）運用eDrawings瀏覽器中的“標注”功能，進行虛擬模型尺寸的分類標注，可根據物體特征分別標注出“長向”尺寸、“寬向”尺寸、“高向”尺寸和“圓及圓弧”尺寸等。將模型及標注存盤后，即獲得擁有分類尺寸的虛擬模型，如圖1所示。

進行虛擬模型的測繪時，只需要重新在eDrawings瀏覽器中將虛擬模型打開，運用eDrawings瀏覽器的虛擬模型實時動態瀏覽功能，便可分析、觀察虛擬模型的內外結構及形狀，從而繪制出模型的草圖，再逐一打開該模型“標注”的各類尺寸，并逐一標注，便可獲得該模型正確而完整的尺寸。

圖 1 分步式尺寸測量方法的實現（顯示高度尺寸）

顯然，此種虛擬測繪模型非常適合于教學和初學者的測繪。由于尺寸已經分類標注在了虛擬模型上，在進行模型尺寸標注時，可直接根據標注的尺寸進行尺寸的分步標注，這樣將使學生在潛移默化的測繪中，學習到正確的尺寸標注方法和標注順序，從而降低模型測繪的難度，提高學生進行模型測繪的興趣，并可方便地安排學生大量的模型測繪。從而實現“在實踐中學習，在學習中實踐”的“工程圖學”教學方式。

2.2 直接式尺寸測量方法的實現

（1）通過SolidWorks軟件進行準確地三維建模，并設置好模型的材料和表面顏色，使虛擬模型與實物模型在外形及質感上相吻合。

（2）在SolidWorks軟件中，運用【DimXpert】功能直接在三維虛擬模型上標注尺寸及技術要求，使三維模型與尺寸結合在一個文件中。

（3）將SolidWorks軟件創建的帶有尺寸的三維建模經過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開同時擁有尺寸的三維模型。如圖2所示。

圖 2 直接式尺寸測量方法的實現

在進行模型測繪時，只需將虛擬模型在eDrawings瀏覽器中打開，便可同時繪制模型草圖和進行尺寸標注。

顯然，此種虛擬測繪模型也適合于教學和初學者的測繪。由于尺寸已經全部標注在了虛擬模型上，在進行模型尺寸標注時，需要測繪者去組織尺寸標注的先后順序和位置，因此，使尺寸標注的難度有所增加，可使學生得到循序漸進的模型測繪訓練。

由于模型與尺寸已經全部展現出來，測繪時不需要測繪工具，使學生在繪圖的同時便可標注尺寸，甚至可以直接繪制儀器圖或進行計算機繪圖、建模等，故提高了教學和測繪訓練的效率。該種模型的尺寸標注規范，還可進行尺寸公差、形位公差的標注，因而非常適合于機械零部件的測繪教學和測繪訓練。

2.3 自主式尺寸測量方法的實現

（1）仍然通過SolidWorks軟件進行準確地三維建模，并設置好模型的材料和表面顏色等。

（2）將SolidWorks軟件創建的三維建模經過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開該三維模型，保存為eDrawings文件，便可獲得擁有自主式尺寸測量的虛擬模型。

（3）在進行虛擬模型的測繪時，只需要在eDrawings瀏覽器中將虛擬模型打開，直接運用eDrawings瀏覽器中的“測量”功能，并配合選擇相應的過濾器（包括：選擇面，選擇邊線，選擇頂點等），便可自主地進行虛擬模型尺寸的測量，它與實物模型的測量過程幾乎完全一致，只是將實物的測量工具改成了在計算機屏幕上的光標操作。

如測量孔徑，只需要用光標直接選擇圓孔即可，如圖3(a)所示；測量兩孔的中心距，則用光標依次選擇兩圓孔，如圖3(b)所示；測量上表面與下表面的距離，可用光標分別選擇上表面和下表面，則在測量結果顯示窗中顯示出上、下表面的距離；也可分別選擇上表面的孔和下表面的孔，則在圖中直接顯示出兩孔中心距、水平距離和垂直距離，如圖3(c)所示。

顯然，此種虛擬測繪模型的測繪需要對eDrawings瀏覽器有所熟悉，且要有一定的模型尺寸測量經驗才能很好地運用。正如實體模型測繪一樣，如果學生沒有一定的基礎和技能，要達到正確、完整的模型測繪和尺寸標注是有一定的困難的。這也正是若干年來，在工程圖學的教學中，未能全面而廣泛地開展模型測繪訓練的原因之一。

圖 3 自主式尺寸測量方法的實現

3 虛擬模型測繪在實踐教學中的應用

3.1 分步式尺寸測量方法的應用

在進行基本立體及組合體投影的教學中，運用分步式尺寸測量方法的虛擬模型，讓學生充分了解立體的結構、形狀后，分步標注出模型的尺寸，從而使學生在快速掌握基本立體投影圖的繪制方法的同時，也掌握了基本立體尺寸標注的方法。測繪實例如圖4所示。

圖4 分步式尺寸測量方法的應用實例

3.2 直接式尺寸測量方法的應用

在進行組合體的教學中，運用直接式尺寸測量方法的虛擬模型，讓學生了解組合體的結構及形狀后，繪制出組合體的草圖，并標注出模型的尺寸，再根據草圖，在計算機上繪制組合體投影圖，并標注尺寸。該測繪的重點在于分析組合體的結構，并學習正確的尺寸基準選擇方法和正確的尺寸標注方法。由于尺寸已經在虛擬模型上顯示出來，可大大節省測繪時間，使測繪的教學安排更方便，效率更高。

測繪實例如圖5所示。

圖 5 直接式尺寸測量方法的應用實例

圖 6 自主式尺寸測量方法的應用

3.3 自主式尺寸測量方法的應用

在進行了多次模型測繪之后，學生已基本掌握了模型測繪及尺寸標注的基本方法，這時，便可安排自主式尺寸測量方法的虛擬模型測繪了。學生必須首先用目測比例繪制出模型草圖，并標注出尺寸界線和尺寸線，再在eDrawings瀏覽器上選用相應的尺寸測量過濾器，按標注尺寸的位置進行測量，并記錄相應的尺寸數值。

測繪實例如圖6所示。

3.4 在教學中應用效果的分析

上述虛擬模型測繪的方法，在所教的2012級兩個教學班中進行了對比研究。第一次測繪兩個班均采用實物模型（與圖4相同的實物模型）；第二次為組合體模型測繪，甲班采用圖5所示虛擬模型，而乙班采用相同實物模型；第三次為零件模型測繪，甲班采用圖6所示虛擬模型，而乙班采用相同實物模型。要求均為在A3圖紙上畫出草圖，并標注尺寸。結果對比如表1所示。

表1 組合體模型測繪

從表1可見，第一次實物模型測繪，兩個班進度及得優人數大致相同；而第二次差別已非常明顯，特別是在測繪的進度上；第三次差距繼續增大，測繪進度及得優人數均出現非常明顯的差距。因為采用虛擬模型，學生可以更多地得到訓練的機會。

4 結 論

經過多次的虛擬模型測繪實踐和實物模型測繪實踐的對比，可以認為，虛擬模型測繪是方便而高效的，在很大程度上，可實現替代實物模型進行測繪的實踐教學，取得了良好的教學效果。該方法對加強培養、訓練學生的模型測繪實踐能力、動手能力提供了切實可行的方法和途徑，可為后續的工程實踐打下良好的基礎。值得一提的是，無論虛擬模型多么方便，仿真度多么高超，要達到培養、訓練學生工程實踐能力的目的，實物模型的測繪仍然是不可完全被替代的。正如虛擬駕駛訓練不能替代駕駛員上路駕駛訓練一樣，工程能力的訓練，也必須通過工程實踐才能達到！

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[6]王成剛, 匡 瓏, 鄭 芳. 對PowerPoint課件中嵌入虛擬3D模型方法的探討[J]. 工程圖學學報, 2010,31(5): 118-122.

[7]楊 莉, 郝育新, 王劍華. 工程制圖測繪教學模式的研究與實踐[J]. 圖學學報, 2013, 34(1): 116-119.

[8]湯精明. 現代制造技術與工程圖學測繪課程教學改革的若干思考[J]. 機械管理開發, 2009, 24(5):156-158.