淺談機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)構(gòu)建

摘要：傳統(tǒng)機(jī)械制圖模型在教學(xué)過(guò)程的地位正逐漸下降，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)建立虛擬教學(xué)模型是一種新的教學(xué)手段。利用虛擬模型輔助教學(xué)，一方面是學(xué)生感性認(rèn)識(shí)增加，達(dá)到化難為易的效果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)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(kù)的可存儲(chǔ)性和網(wǎng)絡(luò)化，教師的輔導(dǎo)難度和工作量都減輕了，而輔導(dǎo)的強(qiáng)度反而得到增強(qiáng)。利用UG、edarwings、AutoCAD、Microsoft Frontpage軟件完成機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)建設(shè)是一種可行的辦法。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制圖；模型庫(kù)；UG；AutoCAD

引言

機(jī)械制圖課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)第一學(xué)期就開始接觸的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對(duì)后面課程的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐起著重要的技術(shù)基礎(chǔ)作用，良好的圖形表達(dá)和理解能力是工程技術(shù)人員必備的專業(yè)素質(zhì)[1]。在機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)過(guò)程中，空間形象思維能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，無(wú)認(rèn)是從“視圖—立體”還是“立體—視圖”的過(guò)程都需要空間形象思維能力，因此，機(jī)械制圖教學(xué)常把培養(yǎng)空間形象思維能力作為最重要任務(wù)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。在以往的教學(xué)過(guò)程中，常利用多種手段來(lái)培養(yǎng)學(xué)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(zhì)模型進(jìn)行教學(xué)，采用掛圖進(jìn)行教學(xué)，采用膠泥捏造模型等，這些教學(xué)手段都曾經(jīng)取得過(guò)不錯(cuò)的教學(xué)效果。

1.傳統(tǒng)教學(xué)模型庫(kù)特點(diǎn)

木制模型、鋁合金模型和塑料模型三大件是機(jī)械制圖教學(xué)中多年來(lái)常規(guī)的模型配備，機(jī)械制圖教學(xué)常規(guī)模型具有真實(shí)感強(qiáng)、可供學(xué)生觸摸的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，比如一次性投資過(guò)大、使用過(guò)程中模型容易磨損、模型笨重而不便搬運(yùn)、模型形體不可更改、模型總體數(shù)量有限?？傮w而言，常規(guī)實(shí)物模型基于以下原因已經(jīng)滿足不了教學(xué)信息化背景下的機(jī)械制圖教學(xué)，一是實(shí)物模型因?yàn)轶w積過(guò)大和重量過(guò)重而使得在實(shí)驗(yàn)室到教室的搬運(yùn)變得困難，搬運(yùn)過(guò)程成了教師的學(xué)生負(fù)擔(dān)，同時(shí)，因模型體積相對(duì)整個(gè)教室學(xué)生群體而言又過(guò)小，在講課過(guò)程中導(dǎo)致后排無(wú)法看清實(shí)物模型從而影響了教學(xué)效果；另一方面，常規(guī)的實(shí)物模型由工廠定制而成，從購(gòu)買使用開始基本無(wú)法改變其形狀，而現(xiàn)代機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不斷改進(jìn)，題庫(kù)和例題不斷豐富，顯然，形態(tài)基本穩(wěn)定不變的傳統(tǒng)教學(xué)模型已無(wú)法滿足機(jī)械制圖教學(xué)內(nèi)涵不斷改進(jìn)的需要。

2.虛擬模型庫(kù)的特點(diǎn)

教師可以把應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)建的機(jī)械制圖三維和二維模型庫(kù)文件在于移動(dòng)硬盤、移動(dòng)磁盤、手機(jī)存儲(chǔ)卡、網(wǎng)絡(luò)硬盤等存儲(chǔ)介質(zhì)上，也可以做成學(xué)習(xí)網(wǎng)站，方便師生隨時(shí)調(diào)用，沒有了傳統(tǒng)實(shí)物模型重量和體積問(wèn)題困擾，當(dāng)教學(xué)中把三維模型投影于屏幕上時(shí)，整個(gè)教學(xué)班級(jí)都可以清晰的看到，提高最教學(xué)效果。利用三維軟件創(chuàng)建的虛擬模型通過(guò)渲染、剖切、旋轉(zhuǎn)、爆炸等技術(shù)處理，達(dá)到外型美觀逼真、內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見、裝配關(guān)系清楚等特點(diǎn)，教學(xué)時(shí)很難用語(yǔ)言表達(dá)的一些東西學(xué)生一看模型就懂了，達(dá)到化難為簡(jiǎn)的效果。還可以輸出二維圖形，使三維模型和二維視圖有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的橫向比較，如對(duì)裝配體等結(jié)構(gòu)，還可以做成裝配動(dòng)畫，使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)更加清晰、生動(dòng)、形象[2]。三維軟件創(chuàng)建的虛擬模型還有一個(gè)特別方便之處就是隨時(shí)可以更改虛擬模型的結(jié)構(gòu)，隨時(shí)方便的增加新的模型，所建立的模型庫(kù)也是一種不斷增加變化的庫(kù)，不是一成不變的庫(kù)，一旦教學(xué)內(nèi)容有變化，可以在計(jì)算機(jī)上低成本輕松的更改虛擬模型庫(kù)。把機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)建成一個(gè)課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，學(xué)生就可以在時(shí)間和空間上做到學(xué)習(xí)的自由，無(wú)論是在寢室，甚至是假期在家里都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)輔助學(xué)習(xí)機(jī)械制圖知識(shí)，做到隨時(shí)學(xué)習(xí)的效果。學(xué)生也可以把三維模型文件存于智能手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的效果。三維模型轉(zhuǎn)為二維輸出建立對(duì)應(yīng)的二維圖形庫(kù)，便于學(xué)生實(shí)現(xiàn)“體—圖—體”的思維轉(zhuǎn)換，使機(jī)械制圖知識(shí)沉淀于學(xué)生知識(shí)體系中。

3.三維模型庫(kù)的建設(shè)過(guò)程

3.1計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)選擇

UG軟件具有強(qiáng)大的三維建模和編輯功能，參數(shù)化設(shè)計(jì)功能便于模型特征的修改，而同樣強(qiáng)大的二維工程圖輸出功能使三維轉(zhuǎn)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(shí)過(guò)于復(fù)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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、放大、縮小和測(cè)量的功能，便于學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。利用microsoft frontpage軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)化編輯，使用網(wǎng)站架構(gòu)建立機(jī)械制圖模型庫(kù)。

3.2機(jī)械制圖三維模型庫(kù)的建立

利用UG三維建模功能，建立機(jī)械制圖課程中基本體、組合體、相貫體、組合體表達(dá)方法、典型零件、標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、裝配體等模型的二維視圖、三維模型和裝配動(dòng)畫[3]。在UG中建立草圖，對(duì)草圖進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)編輯，對(duì)完成的草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作獲得特征，對(duì)特征進(jìn)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(jìn)入對(duì)裝配體各個(gè)零件先進(jìn)行建模，然后在進(jìn)入裝配模塊進(jìn)行裝配獲得裝配體三維模型，在裝配過(guò)程中，UG可以進(jìn)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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)看圖，必須在已經(jīng)安裝了UG的工作計(jì)算機(jī)上安裝edarwings for nx軟件，安裝了edarwings for nx軟件的UG上會(huì)出現(xiàn)edarwings 工具欄，在繪制完成一個(gè)模型保存為UG文件外，還要另存一個(gè)為edarwings 文件。

3.4機(jī)械制圖動(dòng)態(tài)庫(kù)的建立

在Microsoft frontpage中建立網(wǎng)頁(yè)，按如圖3所示的網(wǎng)站架構(gòu)建立模型庫(kù)，以模型圖片作為超鏈接按鈕，連接到相應(yīng)三維模型（edarwings的*.eprt格式文件）、二維模型（*.jpg格式文件）和動(dòng)畫（*.avi格式文件）。最后打成文件包，發(fā)布于學(xué)校網(wǎng)站上供學(xué)生學(xué)習(xí)。

4.總結(jié)

傳統(tǒng)機(jī)械制圖模型由于成本、便捷性和教學(xué)適應(yīng)性問(wèn)題在教學(xué)過(guò)程的地位正逐漸下降，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)建立虛擬教學(xué)模型是一種新的教學(xué)手段。在機(jī)械制圖教學(xué)實(shí)踐中，利用虛擬模型輔助教學(xué)，一方面是學(xué)生感性認(rèn)識(shí)增加，對(duì)于難于理解的相貫線形成、截交線形成、剖視圖表達(dá)、零件圖的視圖表達(dá)及標(biāo)注、裝配體裝配關(guān)系等知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)取得良好效果，達(dá)到化難為易的效果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)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(kù)的可存儲(chǔ)性和網(wǎng)絡(luò)化，使學(xué)生課外學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)增多了，學(xué)生接受輔導(dǎo)的時(shí)間和空間都擴(kuò)大了，教師的輔導(dǎo)難度和工作量都減輕了，而輔導(dǎo)的強(qiáng)度反而得到增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]郭艷艷.機(jī)械制圖三維電子模型庫(kù)的開發(fā)及動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)[J].教育研究，2011（8）.

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

作者簡(jiǎn)介：吳家福（1978-），男，貴州錦屏人，貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教師，副教授，碩士，主要從事機(jī)械CAD/CAM/CAE教學(xué)和研究。

基金項(xiàng)目：本文系貴陽(yáng)學(xué)院2013教學(xué)改革項(xiàng)目（2013-48-05）