機(jī)械制圖虛擬模型室的開發(fā)與應(yīng)用
——以機(jī)械部件為例

王曼嬌，文建平，袁文昭

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖南 衡陽(yáng) 421001）

隨著互聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，機(jī)械制圖虛擬模型應(yīng)運(yùn)而生，栩栩如生的動(dòng)畫模型庫(kù)，為學(xué)習(xí)者與教師提供了較好的素材，為畫圖、識(shí)圖開啟了一扇便捷之門，代替了實(shí)物模型的限制，補(bǔ)充了實(shí)物模型所達(dá)不到的效果。如SolidWorks機(jī)械制圖三維模型、基于Web的機(jī)械制圖虛擬模型等，能有效地幫助學(xué)習(xí)者創(chuàng)建圖形空間思維。但這些虛擬模型缺乏機(jī)械制圖學(xué)科認(rèn)知的系統(tǒng)性、不能幫助學(xué)習(xí)者有效地建立起“圖學(xué)”框架，更不能感知從圖到產(chǎn)品的過(guò)程。

針對(duì)這些問(wèn)題，筆者開發(fā)了機(jī)械制圖虛擬模型室，將從“圖”的認(rèn)知、技能的角度，開發(fā)拆裝模型室、工程圖模型室、加工模型室等，系統(tǒng)、綜合性地幫助學(xué)習(xí)者識(shí)圖、繪圖，為機(jī)械制造行業(yè)的學(xué)習(xí)者創(chuàng)建一個(gè)認(rèn)知平臺(tái)，體驗(yàn)從圖到產(chǎn)品的過(guò)程，初步接受技術(shù)技能的職業(yè)素養(yǎng)要求。機(jī)械制圖虛擬模型室系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 機(jī)械制圖虛擬模型室系統(tǒng)

機(jī)械制圖虛擬模型室系統(tǒng)主要由拆裝模型模塊、工程圖模型模塊、加工模型模塊組成，通過(guò)對(duì)臺(tái)虎鉗、千斤頂?shù)葯C(jī)械部件進(jìn)行虛擬拆裝，認(rèn)知其組成結(jié)構(gòu)，連接、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，多種形式表達(dá)各機(jī)械部件的零件與裝配體，構(gòu)成一個(gè)完整的“圖學(xué)”虛擬體系。

1 模型虛擬拆裝模塊

模型虛擬拆裝模塊進(jìn)行機(jī)械部件虛擬拆裝過(guò)程，并演示工作原理，是機(jī)械制造類專業(yè)學(xué)生必須認(rèn)知的過(guò)程。學(xué)生的思維剛從應(yīng)試教育轉(zhuǎn)入專業(yè)技能學(xué)習(xí)方向，對(duì)機(jī)械部件是懵懂的、茫然的，又充滿了探知欲。要將學(xué)生帶入機(jī)械行業(yè)的海洋里遨游，掌握機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)與工作原理由為重要，要抓住初學(xué)者探知機(jī)械運(yùn)動(dòng)奧妙的好時(shí)機(jī)，激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，通過(guò)拆裝機(jī)械部件的操作與演示原理，創(chuàng)造直觀又逼真的環(huán)境，給予視覺沖激與感觀交互，激起學(xué)習(xí)者的熱愛。為機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)且為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下思想基礎(chǔ)。

模型虛擬拆裝模塊主要包括臺(tái)虎鉗、千斤頂、閥門、拆卸器、油泵、軸承座等機(jī)械部件。利用UG等三維進(jìn)行建模，導(dǎo)入3DMAX三維仿真軟件進(jìn)行工作原理仿真，用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行虛擬拆裝。如千斤頂?shù)奶摂M拆裝如圖2所示，可以形象、生動(dòng)地讓學(xué)習(xí)者和教學(xué)者反復(fù)分解、裝配，千斤頂部件中零件之間的連接關(guān)系充分地展示出來(lái)，學(xué)生可以在虛擬拆裝過(guò)程中，深刻了解每個(gè)零件之間的裝配關(guān)系。

模型虛擬拆裝模塊的建立，學(xué)生可以在互聯(lián)網(wǎng)上隨時(shí)隨地觀察，且進(jìn)行與人機(jī)交互功能，帶領(lǐng)學(xué)習(xí)者去探尋每個(gè)零件的表達(dá)準(zhǔn)則與要求，開始零件圖、裝配圖的學(xué)習(xí)與討論。

圖2 千斤頂?shù)奶摂M拆裝

2 模型工程圖模塊

模型工程圖模塊是對(duì)基礎(chǔ)模型如平面體、曲面體、組合體及視圖、剖視圖、斷面圖等，進(jìn)行投影，生成工程圖的基本視圖，并進(jìn)行尺寸標(biāo)注、表面質(zhì)量的標(biāo)注、公差的標(biāo)注和技術(shù)要求的填寫。幫助學(xué)習(xí)“制圖”的基本規(guī)則，而看圖、畫圖的過(guò)程，學(xué)生最難的是在零件圖、裝配圖方面不會(huì)靈活運(yùn)用，出現(xiàn)的狀況，很多學(xué)習(xí)者會(huì)在這個(gè)環(huán)節(jié)，難而止步。模型工程圖模塊的開發(fā)針對(duì)每個(gè)機(jī)械部件的零件圖、裝配圖，展示其各種表達(dá)方式，利用鼠標(biāo)與鍵盤對(duì)“機(jī)械體”進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切等，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式繪圖看圖，每個(gè)機(jī)械部件及其零件圖表達(dá)二維、三維的狀態(tài)，如圖3所示，臺(tái)虎鉗裝配體工程圖與立體圖，針對(duì)學(xué)生主視圖及左視圖的裝配關(guān)系理解不透，配以主視圖的三維剖視圖及 A-A的三維剖視圖。二維、三維的交互形式幫助學(xué)生突破瓶頸上的問(wèn)題，再舉一反三，準(zhǔn)確合理地把握工程圖樣的表達(dá)方法。

圖3 臺(tái)虎鉗的裝配圖

3 模型虛擬加工模塊

數(shù)控仿真加工或微視頻零件加工模型室，把圖變成產(chǎn)品，激起學(xué)習(xí)者成就感，真實(shí)體會(huì)加工制造、檢驗(yàn)、裝配的重要技術(shù)文件要求與指標(biāo)，感受圖上的標(biāo)注及其參數(shù)數(shù)值對(duì)制造的影響與要求，創(chuàng)造一種虛擬體驗(yàn)式加工情境。使學(xué)生逐漸具備工程技術(shù)人員所需的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度與素養(yǎng)。千斤頂螺桿的仿真加工，在互聯(lián)網(wǎng)上隨時(shí)播放，如圖4所示。

圖4 千斤頂螺桿的仿真加工圖

加工模型室以機(jī)械部件為單元，把它們的零件圖制作成系列的產(chǎn)品。把零件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系、尺寸標(biāo)注、表面質(zhì)量要素及其技術(shù)要求通過(guò)真實(shí)的產(chǎn)品展現(xiàn)，把抽象的二維圖及其各要素的變得具體而形象，真實(shí)體會(huì)技術(shù)的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，杜絕工程技術(shù)易范的隨意性思維。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械制圖虛擬模型室是基于行業(yè)認(rèn)知過(guò)程開發(fā)的，與其它的機(jī)械制圖虛擬模型不同，一般的機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)的開發(fā)主要針對(duì)基礎(chǔ)投影與組合體，以代替、擴(kuò)充實(shí)物模型。本虛擬模型室以常見的機(jī)械零部件機(jī)構(gòu)，利用信息化技術(shù)系統(tǒng)性、交互式地展開圖學(xué)的內(nèi)涵，融入機(jī)械拆裝與加工生產(chǎn)知識(shí)，把技術(shù)技能的要素與素養(yǎng)滲入在學(xué)圖的過(guò)程中，為初學(xué)者的識(shí)圖、繪圖創(chuàng)建一個(gè)虛擬體會(huì)式的情境與環(huán)境。

［1］徐學(xué)平．機(jī)械制圖三維模型庫(kù)的開發(fā)及應(yīng)用［J］．考試周刊，2013，（15）：121-122．

［2］劉穎．基于SolidWorks的機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)的建立[J]，裝備制造技術(shù)，2014，（12）：189-191．

［3］姚念近．機(jī)械制圖課程的虛擬三維教學(xué)模型庫(kù)制作［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013，（4）：297-298．

［4］王洪亮．機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)模型庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，（11）：172-172．