機械制圖課改中三維模型庫的開發(fā)和研究

張玲玲，曾祥光

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

機械制圖是工科院校機械專業(yè)的技術基礎課程，是機械專業(yè)學生必修的一門重要課程。該課程主要研究內容為運用正投影的基本原理繪制和閱讀機械圖樣，主要任務是培養(yǎng)學生繪圖、讀圖以及構型設計的能力。作為一門技術基礎課程，機械制圖的學習效果會直接影響機械原理、機械設計等后續(xù)課程的學習[1]。但是，由于該課程對學生的空間想象力與空間邏輯思維能力有一定的要求，學習難度較高，而實體模型的不足以及授課學時的縮減更導致了教學效果不佳和學生的畏難情緒。隨著三維建模技術的日益成熟及三維CAD軟件的普及，利用計算機建立機械制圖虛擬模型庫充當教學輔助工具成為可能。運用機械制圖虛擬模型庫，一方面，可以解決實體模型在日常的教具管理和儲存方面的不足問題；另一方面，學生可以課后利用虛擬模型庫實現自主學習。這樣既能提高學生對機械制圖課程的學習興趣，提高教學效果，同時還可以培養(yǎng)學生的自主學習能力和獨立思維能力。

1 應用程序軟件的選擇

1.1 三維建模軟件的選擇

目前，常用的三維建模軟件有很多，如CATIA、PRO/E、UG、NX、SolidWorks 等。其中SolidWorks是全球公認的最容易學習和最方便使用的三維 CAD 軟件。SolidWorks是基于Windows的應用程序，界面友好并且有不錯的漢化版本，作為一個基于特征的參數化實體建模程序，具有如下兩大功能尤其適用于機械制圖虛擬模型庫的創(chuàng)建: 第一，參數化建模功能。SolidWorks的建模技術能夠實現參數化尺寸驅動，當尺寸改變時，相對應的模型、相關聯(lián)的裝配體以及工程圖的形狀和尺寸等都隨之改變，對于需要實現實體模型與工程圖一一對應的虛擬模型庫創(chuàng)建非常有利。第二，實體建模功能。SolidWorks基于特征的實體建模功能能夠很形象地通過拉伸、切除、放樣等操作來創(chuàng)建仿真的3D實體模型，模型具有類似于真實實體的幾何、質量等特性信息，并且可以通過渲染等操作將物體賦予一定的材質，把物體很真實地模擬出來，能夠給學生更加逼真的感覺。綜上所述，本文的模型庫選擇了SolidWorks作為三維建模軟件。

1.2 關于Dreamweaver CS5

Dreamweaver CS5是一套針對專業(yè)網頁設計師的視覺化網頁開發(fā)工具，利用它可以很容易地制作出跨越平臺和瀏覽器限制的充滿動感的網頁，并且，網站、網頁以及Web的程序的編輯、設計和開發(fā)都可以用Dreamweaver CS5來解決。行業(yè)中的網頁三劍客就是Fireworks、Flash和Dreamweaver。擁有了它們，創(chuàng)建具有跨瀏覽器限制的網頁變得極為簡單。Dreamweaver系列的亮點之一就是它與各種相關的網頁制作工具聯(lián)系緊密。與此同時，Dreamweaver CS5給使用者提供了各種各樣的模板和動態(tài)語言支持功能。另外Dreamweaver CS5在生產效率、網站管理、控制能力等方面都有無與倫比的優(yōu)勢，因此選用Dreamweaver CS5作為網頁制作軟件,將已準備好的機械制圖3D虛擬模型庫的數據打包成網頁進行發(fā)布并建立相應的網站，學生可以在課后實現在線實時瀏覽、學習。

2 機械制圖虛擬模型庫的建立

機械制圖虛擬模型庫實質就是運用計算機創(chuàng)建虛擬實體模型以補充傳統(tǒng)實物模型數量的不足以及功能上的欠缺。隨著虛擬模型庫的發(fā)展，甚至可以一定程度上取代傳統(tǒng)實物模型的制作、管理和使用。機械制圖虛擬模型庫通常包括3個部分：1) 三維模型庫；2) 二維視圖表達庫；3) 動畫模擬仿真庫。各部分一一對應、相互關聯(lián)。

2.1 模型庫素材的構建

機械制圖虛擬模型庫素材包括3個部分：三維模型庫素材、二維視圖表達庫素材及動畫模擬仿真庫素材。

a) 三維模型庫素材的構建

在SolidWorks中使用拉伸、拉伸切除、旋轉切除、裁剪等一系列基本操作可使草圖成為所需要的三維模型，還可以快速便捷地通過尺寸等設置，得到所需要的三維模型，使得傳統(tǒng)教學中復雜的教具模型在計算機中更加容易地制作出來[2]。

以圖1相貫體為例，其作圖順序如下：

1) 選取合適的基準面，建立圓的草圖拉伸成圓柱；

2) 選取另一個垂直的基準面，同樣的方法拉伸出圓柱與之前的圓柱相貫；

3) 分別在兩圓柱面端面選取新的基準面繪制較小的用來生成圓柱孔的圓；

4) 分別拉伸切除就完成了。

創(chuàng)建三維模型素材的過程中，還可以運用SolidWorks的尺寸驅動功能，通過更改相貫體的部分尺寸得到不同的相貫體。總之，利用SolidWorks強大的三維造型功能，可以較為輕松地創(chuàng)建出所需要的三維模型。

圖1 相貫體三維模型

b) 二維視圖表達庫素材的構建

在SolidWorks中，創(chuàng)建好零件的三維模型后，可以運用其特有的工程圖生成方式，進行適當的設置后直接生成零件的工程圖。

譬如，圖2所示為圓錐被截之后的三維模型，圖3所示為由圓錐截切體的三維模型生成的三視圖。

圖2 被截切圓錐的三維模型

圖3 圓錐生成的三視圖

SolidWorks具有根據三維模型生成二維工程圖的功能。從新建文件處選擇“從零件 / 裝配體制作工程圖”，根據三維模型和二維圖的關聯(lián)性[3]，則可由三維實體模型按照用戶要求快速自動生成相對應的二維工程圖，其中與國標稍有不符的部分，對其加以修改即可。SolidWorks 提供的零部件表達方法包括基本視圖、斜視圖、局部視圖、局部放大圖以及各種剖視圖等[4]，用戶在創(chuàng)建工程圖時，根據需要選擇恰當的表達方法即可。另外在創(chuàng)建工程圖時，還可根據原模型尺寸選擇自動生成二維尺寸，并根據需要調整尺寸的種類和位置，最后根據需要對工程圖進行技術要求(包括表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等)的標注。所以，創(chuàng)建好三維模型素材庫后，可以快捷輕松地生成相對應的、符合要求的二維視圖表達素材庫。

c) 動畫模擬仿真庫素材的構建

SolidWorks能夠生成的動畫模擬仿真視頻有2種：1) 展示裝配體拆裝過程的裝配爆炸視頻；2) 裝配體在模擬工作時的運動模擬仿真視頻。運動模擬仿真視頻是通過軟件中提供的 SolidWorks Motion 插件來實現的，而裝配爆炸動畫視頻是將裝配體創(chuàng)建爆炸視圖的過程生成三維動態(tài)仿真視頻[5]。所謂的爆炸視圖就是指將本已經裝配到一起的零部件沿各裝配線分別移開，用以形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，從而更清楚地展示出裝配體的裝配結構和裝配關系。本模型庫的動畫模擬仿真視頻為運用SolidWorks生成的裝配爆炸視頻。

圖4為根據柱塞式油泵的裝配體三維模型創(chuàng)建的爆炸圖，直觀形象地反映了柱塞式油泵各組成部分的結構和裝配關系。

圖4 柱塞式油泵爆炸圖

2.2 虛擬模型庫網頁制作

機械制圖虛擬模型庫網頁的設計制作采用Dreamweaver CS5來完成，該軟件具有強大的網頁設計功能，包括站點管理和網頁設計。Dreamweaver CS5最基本的特點就是具有代碼、設計、拆分三大獨立的設計窗口，可以分門別類地完成不同的設計。選擇設計窗口快速插入Web元素到網頁創(chuàng)建過程中，比如，插入圖片、鏈接、Flash等實現虛擬模型庫的網絡發(fā)布。

機械制圖模型庫的內容可以根據教學內容分為4個部分：基本體、截切體、相貫體和裝配體。為了方便學生學習，模型庫除了可以在線觀察模型及視圖，還可以提供零部件的三維模型和對應工程圖的下載。

圖5所示為模型庫中截切體部分頁面實例，學習者只要用鼠標左鍵點擊截切體圖片展示，即進入圖6所示的下一界面，其中包含機械制圖教材中常見的各種截切體模型。

圖5 截切體模型應用展示1

圖6 截切體模型應用展示 2

繼續(xù)鼠標點擊選中的截切體圖片展示，進入所選截切體的動畫播放界面(如圖7所示為圓柱的截切體)；鼠標點擊選中的截切體展示圖片，進入所選截切體的動畫播放界面。如果鼠標點擊模型下載，則可下載模型文件及相應的工程圖文件，所下載的文件可以在三維軟件中進行相應的編輯和視圖生成等操作。

圖7 截切體模型應用展示3

3 結語

實踐證明, 機械制圖虛擬模型庫的設計是成功的。機械制圖虛擬模型庫不僅彌補了傳統(tǒng)實物模型庫不足的問題，而且具有傳統(tǒng)實物模型庫所不具備的優(yōu)勢。除了可以借助虛擬模型, 生動形象地展示授課中的一些重點、難點外，機械制圖虛擬模型庫還減輕了教師的輔導工作量,課后學生可以根據自己的具體需要,通過虛擬模型庫進行重復學習[6]。另外實體模型和工程圖的關聯(lián)性以及動畫模擬視頻都是傳統(tǒng)實物模型所無法比擬的。

當然目前因種種條件限制，機械制圖虛擬模型庫還不夠完善,如模型庫的內容不夠豐富，模型的數量有限等,但是機械制圖虛擬模型庫很有發(fā)展前景,它的建立和發(fā)展必將有力地推動機械制圖教學方法的改革。期待有更多力量參與進機械制圖虛擬模型庫的建設中來，一起創(chuàng)建資源并共享資源。