基于Solid2000 地机械制图3D模型库地设计及运用

    摘 要 本文讨论了机械制图虚拟模型库的作用以及它对教学改革的影响，并对Solid2000软件及基于该软件所建立的机械制图虚拟模型库特点及制作要领进行介绍。

    关键词 机械制图 计算机虚拟模型 教学改革 Solid2000

一、引言

    多媒体CAI--计算机辅助教学作为教育现代化的突破口，以其集成性、交互性、可控性、实时性等特点越来越受到广大教育工作者的欢迎和重视。近几年来，随着网络化教学的普及，计算机应用水平的逐年提高，以及各类辅助教学的应用型软件不断地出现，都为课程教学改革提供了技术手段。

    教学模型作为教学手段的重要组成部分，在帮助学生形象地理解教学内容的过程中，发挥着积极的辅助教学的作用。机械制图作为机电专业的重要专业基础课，无论是在课堂教学还是在课后作业，都需要大量使用教学模型，以增加学生的感性认识，最终达到空间思维能力的培养。传统的教学模型因其价高、易损、不便携带、不能修改等缺点，已经不能满足现代教学的需要。应用计算机软件结合多媒体技术建立基于三维CAD 技术的虚拟模型库，不仅可以完全克服传统教具的缺点，也是实施课程教学改革中的重要组成部分。近年来，我校逐步建立了多个多媒体教室，配备了先进的计算机，宽带也接入了校园网，师生可以在学校的任何一台计算机上进入校园网和INTERNET，利用网络进行备课和学习，这些有利的因素为开发机械制图虚拟模型库创造了条件。

二、机械制图虚拟模型库的教学优势

    1. 取代传统的实物模型

    应用三维CAD 技术创建的机械制图虚拟模型库，可以利用光盘存储数量众多的模型，在使用中可以完全取代实物模型，从而消除了实物模型因体积和重量造成的携带不便的缺点。另一方面，传统的实物教学模型更新换代的速度慢并且不能够修改，而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要。机械制图虚拟模型库在教学中的应用完全可以避免传统教具的缺点，利用先进的三维CAD 技术创建地计算机模型不仅精度高、质感好、形象逼真、色彩丰富，还能将复杂形体的外型与内腔、相贯体中相贯线的变化趋势、装配体中零件之间的连接关系充分地展示出来，加上动画效果，使教学中的知识难点更加清晰、生动、形象。利用计算机软件还可以方便地进行教学模型修改与新建，这样不仅能够及时补充符合新教学内容的模型，还可以针对不同的教学对象、教学要求调整现有的模型，充分满足了教学中对模型种类及数量的需要，达到降低教学成本，提高教学质量的目的。

    2.学生课下学习的助学型课件

    近几年来，由于同一班级生源质量的差异增加以及机械制图的授课时数不断减少，使得教师的课后辅导的难度增强。对于程度低一些的学生，如果辅导不够及时，他们一旦无法战胜学习中的困难，便退缩或放弃学习，并失去了对机械制图学习的兴趣。另一方面，在机械制图的学习过程中，阅读、分析、比较典型机械图样，对学生提高读图能力、开阔视野、积累经验、提高对机械零件的表达能力都有一定的帮助。机械制图虚拟模型库可以帮助学生理解学习中的难点、重点，充分体现以学生为主体的教学观念，学生还可以根据自己的学习方式和学习能力，进行自主性学习。

    机械制图虚拟模型库可以载入网络，不受时空限制在网上进行传输。当学生在课后练习中遇到困难，可以通过校园网进入模型库主页，在库中找到所需要的模型，进行仔细观察，增强对实物的感官认识，辅助完成课后练习。另外，计算机模型库中收集了大量典型零、部件的三维模型与二维工程视图，采用了不同的表达方法，学生可以通过与自己所绘图形对比，来检验自己的读图能力和对机件的表达能力。计算机模型库可以改变传统教学的单调模式，有助于学生从被动学习变为主动学习，从而提高学习效率。

    3.作为实践性教学的素材库

    为了使机械类专业的学生，毕业后在生产第一线能胜任实际工作，必须在学校学习过程中加强实践能力的培养，实践性教学的目的就是使学生能够综合地应用所学的知识解决实际问题。

    在科学技术迅猛发展的今天，计算机辅助教学已经成为机械制图课程中的一个重要组成部分，目前我校的六个多媒体教室的计算机中除了安装了二维绘图软件（AutoCAD、CAXA 电子图板）外，还有三维绘图软件（Solid2000、3DMAX），并且每台计算机都可以方便地进入校园网和INTERNET，这就为机械制图实践性教学提供了必要的物质条件。过去的机械制图实践性教学，通常采用测量和拼装模型的方法进行，这样具有一定的局限性，一是要准备很多模型，因而占用较大的空间和较多的资金投入。二是模型的种类较少，因而限制了实践性教学的内容，影响了教学效果。利用三维CAD 软件建立的参数化机械制图三维虚拟模型库，可以解决上述问题，成为机械制图实践性教学的素材库。在教学过程中，教师可以根据教学需要分组设计不同的教学任务，每组学生根据自己的教学任务要求，从素材库中调用零件模型，借助三维CAD 软件提供的测量与装配功能进行零件测绘以及装配体的拼装，然后利用二维绘图软件进行零件图的绘制以及装配图的拼画。这种以虚拟制造环境为背景的教学模式，有利于激发学习者的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维深化与发展，增强了培养分析与工程能力的力度，开阔了学生的视野，极大提高了学习的趣味性与教学效率。

三、机械制图虚拟模型库的建立

    机械制图虚拟模型库实际上是对实物模型进行计算机虚化处理，利用计算机软件及多媒体技术制作形象逼真的虚拟实体模型，取代传统实物模型的制作、管理和使用。机械制图虚拟模型库主要包括以下三个部分：（1）三维模型库；（2）二维视图表达库；（3）动画模拟仿真库（如图1 所示）。三个部分相互关联、一一对应。

    机械制图虚拟模型库中主要选用Solid2000 软件作为三维模型库、动画库和二维视图表达库的制作平台，选用MicrosoftFrontPage2000 作为网页制作软件。

    下面主要将Solid2000 软件及基于该软件所建立的机械制图虚拟模型库的制作要点进行简要介绍。

    1. Solid2000 简介

    Solid2000 具有基于特征的参数化实体造型、NURBS 复杂曲面造型、实体与曲面融合、基于约束的装配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG 数据交换及世界独有的特征识别器（Feature works）等一系列先进的三维设计功能及工具，将2D 绘图与3D 造型技术融为一体，为PC 机上实现CAD/CAM 的集成提供了
条件。

    2. 基于参数化特征造型的建模特点

    Solid2000 主要包括以下几个重要性能特征：

    1)基于特征的参数化实体造型

    利用Solid2000 的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等基于特征的三维实体造型工具，能够方便、快捷地创建任何复杂形状的实体。通过草图的几何约束及尺寸约束功能，能构造尺寸十分精确模型。（如图2 所示）

    2)装配体设计

    Solid2000 的装配设计工具能够采用“自顶而下”或是“自底而上”的方法创建和管理包含成百上千个零部件的装配和子装配，能自动地创建爆炸的装配视图（如图3 所示）。

    3) 三维模型和二维视图的相关性

    Solid2000 的三维模型可以自动生成精确的二维工程图纸，包括基本视图、斜视图、剖视图及轴测图等，并可以在二维视图中显示尺寸和技术要求注释（如图4 所示）。Solid2000 的二维视图和三维模型之间的双向关联功能使模型形状和尺寸的编辑更加容易，在设计过程中更改三维模型或任一二维视图的尺寸，会导致三维实体和所有的二维视图自动更新。

    4）动画模拟仿真功能

    动画是计算机辅助教学的一种强有力的工具，利用3DMAX 软件能够方便将由Solid2000 制作的零件和装配体,制成引人入胜的AVI 动画文件，直观地展示装配体的工作方式以及装配体中零部件的装配关系，使学生仔细观察到装配体中零件之间的装配关系。Solid2000 具备高品质的渲染功能，并自带的材质库，提供定义好的金属、木材、石材、塑料和其他类型的材料纹理，可以为整个零件、单个特征、单个表面添加材质，为制作出高质量的动画仿真效果提供了保证。

    3. 机械制图虚拟模型库网络化的实施

    利用MicrosoftFrontPage2000 可以创建以网络形式显示的机械制图虚拟模型库。在制作过程中，教师需要精心筹划网站结构、设计简洁明快的网页，同时还高分辨率的图像用JPGE 格式，低分辨率的图像用GIF 格式。

    机械制图虚拟模型库与现代网络技术的结合，充分体现了网络时代的优越性，学生可以通过网上浏览，进行自主性地学习和复习，在提高自学能力的同时开阔了解题思路，同时培养和发展了他们的观察力和想象力，使得他们能够更快、更好地掌握这门实践性很强的课程。

四、机械制图虚拟模型库的应用及体会

    实践证明，机械制图虚拟模型库地设计是成功的，借助计算机虚拟模型的帮助，在授课中的一些重点问题如：截交体、相贯体、组合体、剖视图等内容清晰、生动、形象地展示在学生面前，难点变得容易理解，学生的感性认识增强了，所获得的信息量也增大了。另一方面，机械制图虚拟模型库减轻了教师的辅导工作量，学生可以根据自己的需要，在网上重复多次地进行有关内容地学习。

    虽然现有机械制图虚拟模型库还不够完善，仍存在一些问题需要解决，如素材不够理想、模型数量有限等，但是机械制图虚拟模型库地应用前景是非常广阔的，它的建立将有利地推动教学方法地改革。
    我们期待着将来能与更多学校的机械制图虚拟模型库共享资源、校际间互通信息，集中多方面丰富多彩的虚拟模型库，为现代化教学提供更多的方便。

参考文献:

1、 樊柄辉．李江云。《三维参数化特征造型机械CAD》．清华大学出版社，1999.
2、 李启炎.《三维CAD 设计及制图教程》，同济大学出版社,2000.
3、 郭南初．《对基于WEB 的机械制图教学软件的研究》．海南出版社，1999.