淺談機械制圖虛擬模型庫構建

摘要：傳統機械制圖模型在教學過程的地位正逐漸下降，利用計算機軟件技術建立虛擬教學模型是一種新的教學手段。利用虛擬模型輔助教學，一方面是學生感性認識增加，達到化難為易的效果，對培養學生空間形象思維能力起到很好的輔助作用。第二方面由于虛擬模型庫的可存儲性和網絡化，教師的輔導難度和工作量都減輕了，而輔導的強度反而得到增強。利用UG、edarwings、AutoCAD、Microsoft Frontpage軟件完成機械制圖虛擬模型庫建設是一種可行的辦法。

關鍵詞：機械制圖；模型庫；UG；AutoCAD

引言

機械制圖課程是一門專業基礎課，是學生進入大學第一學期就開始接觸的第一門專業基礎課程，對后面課程的學習和設計實踐起著重要的技術基礎作用，良好的圖形表達和理解能力是工程技術人員必備的專業素質[1]。在機械制圖的學習過程中，空間形象思維能力的培養至關重要，無認是從“視圖—立體”還是“立體—視圖”的過程都需要空間形象思維能力，因此，機械制圖教學常把培養空間形象思維能力作為最重要任務貫穿整個教學過程。在以往的教學過程中，常利用多種手段來培養學生空間形象思維能力，比如采用塑料模型、鋁合金模型和木質模型進行教學，采用掛圖進行教學，采用膠泥捏造模型等，這些教學手段都曾經取得過不錯的教學效果。

1.傳統教學模型庫特點

木制模型、鋁合金模型和塑料模型三大件是機械制圖教學中多年來常規的模型配備，機械制圖教學常規模型具有真實感強、可供學生觸摸的優點，但其缺點也是顯而易見的，比如一次性投資過大、使用過程中模型容易磨損、模型笨重而不便搬運、模型形體不可更改、模型總體數量有限。總體而言，常規實物模型基于以下原因已經滿足不了教學信息化背景下的機械制圖教學，一是實物模型因為體積過大和重量過重而使得在實驗室到教室的搬運變得困難，搬運過程成了教師的學生負擔，同時，因模型體積相對整個教室學生群體而言又過小，在講課過程中導致后排無法看清實物模型從而影響了教學效果；另一方面，常規的實物模型由工廠定制而成，從購買使用開始基本無法改變其形狀，而現代機械制圖教學內容已經不斷改進，題庫和例題不斷豐富，顯然，形態基本穩定不變的傳統教學模型已無法滿足機械制圖教學內涵不斷改進的需要。

2.虛擬模型庫的特點

教師可以把應用計算機軟件創建的機械制圖三維和二維模型庫文件在于移動硬盤、移動磁盤、手機存儲卡、網絡硬盤等存儲介質上，也可以做成學習網站，方便師生隨時調用，沒有了傳統實物模型重量和體積問題困擾，當教學中把三維模型投影于屏幕上時，整個教學班級都可以清晰的看到，提高最教學效果。利用三維軟件創建的虛擬模型通過渲染、剖切、旋轉、爆炸等技術處理，達到外型美觀逼真、內部結構清晰可見、裝配關系清楚等特點，教學時很難用語言表達的一些東西學生一看模型就懂了，達到化難為簡的效果。還可以輸出二維圖形，使三維模型和二維視圖有機聯系起來，增加了學生學習的橫向比較，如對裝配體等結構，還可以做成裝配動畫，使學生學習時更加清晰、生動、形象[2]。三維軟件創建的虛擬模型還有一個特別方便之處就是隨時可以更改虛擬模型的結構，隨時方便的增加新的模型，所建立的模型庫也是一種不斷增加變化的庫，不是一成不變的庫，一旦教學內容有變化，可以在計算機上低成本輕松的更改虛擬模型庫。把機械制圖虛擬模型庫建成一個課程學習網站，學生就可以在時間和空間上做到學習的自由，無論是在寢室，甚至是假期在家里都可以通過互聯網上網輔助學習機械制圖知識，做到隨時學習的效果。學生也可以把三維模型文件存于智能手機上，實現實時學習的效果。三維模型轉為二維輸出建立對應的二維圖形庫，便于學生實現“體—圖—體”的思維轉換，使機械制圖知識沉淀于學生知識體系中。

3.三維模型庫的建設過程

3.1計算機軟件平臺選擇

UG軟件具有強大的三維建模和編輯功能，參數化設計功能便于模型特征的修改，而同樣強大的二維工程圖輸出功能使三維轉二維十分便捷。AUTOCAD軟件是最出名的二維繪圖軟件，在此采用是為了編輯一些從UG軟件工程圖輸出時過于復雜的平面圖。edarwings for nx軟件主要是為了從UG軟件另存一種*.eprt格式的文件，這種文件能在沒有安裝UG軟件的電腦了打開，實現旋轉、放大、縮小和測量的功能，便于學生觀察學習。利用microsoft frontpage軟件實現網頁化編輯，使用網站架構建立機械制圖模型庫。

3.2機械制圖三維模型庫的建立

利用UG三維建模功能，建立機械制圖課程中基本體、組合體、相貫體、組合體表達方法、典型零件、標準件、常用件、裝配體等模型的二維視圖、三維模型和裝配動畫[3]。在UG中建立草圖，對草圖進行參數化設計編輯，對完成的草圖進行拉伸、旋轉等操作獲得特征，對特征進行倒角、抽殼、倒圓、鏡像等操作完成建模，獲得三維模型并保存為文件。如圖1所示。如果所繪制的是裝配體，則需要進入對裝配體各個零件先進行建模，然后在進入裝配模塊進行裝配獲得裝配體三維模型，在裝配過程中，UG可以進行錄相，所獲視頻文件保存為*.avi文件。

為了在沒在安裝任何3D軟件的計算機上實現動態看圖，必須在已經安裝了UG的工作計算機上安裝edarwings for nx軟件，安裝了edarwings for nx軟件的UG上會出現edarwings 工具欄，在繪制完成一個模型保存為UG文件外，還要另存一個為edarwings 文件。

3.4機械制圖動態庫的建立

在Microsoft frontpage中建立網頁，按如圖3所示的網站架構建立模型庫，以模型圖片作為超鏈接按鈕，連接到相應三維模型（edarwings的*.eprt格式文件）、二維模型（*.jpg格式文件）和動畫（*.avi格式文件）。最后打成文件包，發布于學校網站上供學生學習。

4.總結

傳統機械制圖模型由于成本、便捷性和教學適應性問題在教學過程的地位正逐漸下降，利用計算機軟件技術建立虛擬教學模型是一種新的教學手段。在機械制圖教學實踐中，利用虛擬模型輔助教學，一方面是學生感性認識增加，對于難于理解的相貫線形成、截交線形成、剖視圖表達、零件圖的視圖表達及標注、裝配體裝配關系等知識點的學習取得良好效果，達到化難為易的效果，對培養學生空間形象思維能力起到很好的輔助作用。第二方面由于虛擬模型庫的可存儲性和網絡化，使學生課外學習機會增多了，學生接受輔導的時間和空間都擴大了，教師的輔導難度和工作量都減輕了，而輔導的強度反而得到增強。

參考文獻：

[1]毛昕，黃英，肖平陽.畫法幾何及機械制圖[M].第四版.北京：高等教育出版社，2010.

[2]郭艷艷.機械制圖三維電子模型庫的開發及動態實現[J].教育研究，2011（8）.

[3]丁源，李秀峰. CAX工程應用叢書：UG NX 8.0中文版從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013.

作者簡介：吳家福（1978-），男，貴州錦屏人，貴陽學院機械工程學院教師，副教授，碩士，主要從事機械CAD/CAM/CAE教學和研究。

基金項目：本文系貴陽學院2013教學改革項目（2013-48-05）