基于Solid3000的機(jī)械制圖三維模型庫的開發(fā)及應(yīng)用

基于Solid3000的機(jī)械制圖三維模型庫的開發(fā)及應(yīng)用

一、引言

多媒體CAI--計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)作為教育現(xiàn)代化的突破口，以其集成性、交互性、可控性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)越來越受到廣大教育工作者的歡迎和重視。近幾年來，隨著網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的普及，計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的逐年提高，以及各類輔助教學(xué)的應(yīng)用型軟件不斷地出現(xiàn)，都為課程教學(xué)改革提供了技術(shù)手段。

教學(xué)模型作為教學(xué)手段的重要組成部分，在幫助學(xué)生形象地理解教學(xué)內(nèi)容的過程中，發(fā)揮著積極的輔助教學(xué)的作用。機(jī)械制圖作為機(jī)電專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，無論是在課堂教學(xué)還是在課后作業(yè)，都需要大量使用教學(xué)模型，以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，最終達(dá)到空間思維能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模型因其價(jià)高、易損、不便攜帶、不能修改等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合多媒體技術(shù)建立基于三維CAD技術(shù)的虛擬模型庫，不僅可以完全克服傳統(tǒng)教具的缺點(diǎn)，也是實(shí)施課程教學(xué)改革中的重要組成部分。近年來，高校逐步建立了多個(gè)多媒體教室，配備了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，寬帶也接入了校園網(wǎng)，師生可以在學(xué)校的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)入校園網(wǎng)和INTERNET，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行備課和學(xué)習(xí)，這些有利的因素為開發(fā)機(jī)械制圖虛擬模型庫創(chuàng)造了條件。

二、機(jī)械制圖虛擬模型庫的教學(xué)優(yōu)勢

1.取代傳統(tǒng)的實(shí)物模型

應(yīng)用三維CAD技術(shù)創(chuàng)建的機(jī)械制圖虛擬模型庫，可以利用光盤存儲(chǔ)數(shù)量眾多的模型，在使用中可以完全取代實(shí)物模型，從而消除了實(shí)物模型因體積和重量造成的攜帶不便的缺點(diǎn)。另一方面，傳統(tǒng)的實(shí)物教學(xué)模型更新?lián)Q代的速度慢并且不能夠修改，而幾十年不變的教學(xué)模型已不能滿足教學(xué)和科技時(shí)代不斷進(jìn)步的需要。機(jī)械制圖虛擬模型庫在教學(xué)中的應(yīng)用完全可以避免傳統(tǒng)教具的缺點(diǎn)，利用先進(jìn)的三維CAD技術(shù)創(chuàng)建地計(jì)算機(jī)模型不僅精度高、質(zhì)感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復(fù)雜形體的外型與內(nèi)腔、相貫體中相貫線的變化趨勢、裝配體中零件之間的連接關(guān)系充分地展示出來，加上動(dòng)畫效果，使教學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)、形象。利用計(jì)算機(jī)軟件還可以方便地進(jìn)行教學(xué)模型修改與新建，這樣不僅能夠及時(shí)補(bǔ)充符合新教學(xué)內(nèi)容的模型，還可以針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象、教學(xué)要求調(diào)整現(xiàn)有的模型，充分滿足了教學(xué)中對(duì)模型種類及數(shù)量的需要，達(dá)到降低教學(xué)成本，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

2.學(xué)生課下學(xué)習(xí)的助學(xué)型課件

近幾年來，由于同一班級(jí)生源質(zhì)量的差異增加以及機(jī)械制圖的授課時(shí)數(shù)不斷減少，使得教師的課后輔導(dǎo)的難度增強(qiáng)。對(duì)于程度低一些的學(xué)生，如果輔導(dǎo)不夠及時(shí)，他們一旦無法戰(zhàn)勝學(xué)習(xí)中的困難，便退縮或放棄學(xué)習(xí)，并失去了對(duì)機(jī)械制圖學(xué)習(xí)的興趣。另一方面，在機(jī)械制圖的學(xué)習(xí)過程中，閱讀、分析、比較典型機(jī)械圖樣，對(duì)學(xué)生提高讀圖能力、開闊視野、積累經(jīng)驗(yàn)、提高對(duì)機(jī)械零件的表達(dá)能力都有一定的幫助。機(jī)械制圖虛擬模型庫可以幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)、重點(diǎn)，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)觀念，學(xué)生還可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)能力，進(jìn)行自主性學(xué)習(xí)。

機(jī)械制圖虛擬模型庫可以載入網(wǎng)絡(luò)，不受時(shí)空限制在網(wǎng)上進(jìn)行傳輸。當(dāng)學(xué)生在課后練習(xí)中遇到困難，可以通過校園網(wǎng)進(jìn)入模型庫主頁，在庫中找到所需要的模型，進(jìn)行仔細(xì)觀察，增強(qiáng)對(duì)實(shí)物的感官認(rèn)識(shí)，輔助完成課后練習(xí)。另外，計(jì)算機(jī)模型庫中收集了大量典型零、部件的三維模型與二維工程視圖，采用了不同的表達(dá)方法，學(xué)生可以通過與自己所繪圖形對(duì)比，來檢驗(yàn)自己的讀圖能力和對(duì)機(jī)件的表達(dá)能力。計(jì)算機(jī)模型庫可以改變傳統(tǒng)教學(xué)的單調(diào)模式，有助于學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效率。

3.作為實(shí)踐性教學(xué)的素材庫

為了使機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生，畢業(yè)后在生產(chǎn)第一線能勝任實(shí)際工作，必須在學(xué)校學(xué)習(xí)過程中加強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐性教學(xué)的目的就是使學(xué)生能夠綜合地應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問題。

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已經(jīng)成為機(jī)械制圖課程中的一個(gè)重要組成部分，目前我校的六個(gè)多媒體教室的計(jì)算機(jī)中除了安裝了二維繪圖軟件（AutoCAD、CAXA電子圖板）外，還有三維繪圖軟件（Solid3000、3DMAX），并且每臺(tái)計(jì)算機(jī)都可以方便地進(jìn)入校園網(wǎng)和INTERNET，這就為機(jī)械制圖實(shí)踐性教學(xué)提供了必要的物質(zhì)條件。過去的機(jī)械制圖實(shí)踐性教學(xué)，通常采用測量和拼裝模型的方法進(jìn)行，這樣具有一定的局限性，一是要準(zhǔn)備很多模型，因而占用較大的空間和較多的資金投入。二是模型的種類較少，因而限制了實(shí)踐性教學(xué)的內(nèi)容，影響了教學(xué)效果。利用三維CAD軟件建立的參數(shù)化機(jī)械制圖三維虛擬模型庫，可以解決上述問題，成為機(jī)械制圖實(shí)踐性教學(xué)的素材庫。在教學(xué)過程中，教師可以根據(jù)教學(xué)需要分組設(shè)計(jì)不同的教學(xué)任務(wù)，每組學(xué)生根據(jù)自己的教學(xué)任務(wù)要求，從素材庫中調(diào)用零件模型，借助三維CAD軟件提供的測量與裝配功能進(jìn)行零件測繪以及裝配體的拼裝，然后利用二維繪圖軟件進(jìn)行零件圖的繪制以及裝配圖的拼畫。這種以虛擬制造環(huán)境為背景的教學(xué)模式，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的觀察力、發(fā)現(xiàn)力、想象力、邏輯聯(lián)想力，有利于認(rèn)知思維深化與發(fā)展，增強(qiáng)了培養(yǎng)分析與工程能力的力度，開闊了學(xué)生的視野，極大提高了學(xué)習(xí)的趣味性與教學(xué)效率。

三、機(jī)械制圖虛擬模型庫的建立

機(jī)械制圖虛擬模型庫實(shí)際上是對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛化處理，利用計(jì)算機(jī)軟件及多媒體技術(shù)制作形象逼真的虛擬實(shí)體模型，取代傳統(tǒng)實(shí)物模型的制作、管理和使用。機(jī)械制圖虛擬模型庫主要包括以下三個(gè)部分：（1）三維模型庫；（2）二維視圖表達(dá)庫；（3）動(dòng)畫模擬仿真庫（如圖1所示）。三個(gè)部分相互關(guān)聯(lián)、一一對(duì)應(yīng)。

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機(jī)械制圖虛擬模型庫中主要選用Solid3000軟件作為三維模型庫、動(dòng)畫庫和二維視圖表達(dá)庫的制作平臺(tái)，選用MicrosoftFrontPage2000作為網(wǎng)頁制作軟件。下面主要將Solid2000軟件及基于該軟件所建立的機(jī)械制圖虛擬模型庫的制作要點(diǎn)進(jìn)行簡要介紹。

1.Solid3000簡介

Solid2000具有基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型、NURBS復(fù)雜曲面造型、實(shí)體與曲面融合、基于約束的裝配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG數(shù)據(jù)交換及世界獨(dú)有的特征識(shí)別器（Feature works）等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)功能及工具，將2D繪圖與3D造型技術(shù)融為一體，為PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成提供了條件。

2.基于參數(shù)化特征造型的建模特點(diǎn)

Solid3000主要包括以下幾個(gè)重要性能特征：

1)基于特征的參數(shù)化實(shí)體造型

利用Solid3000的拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒角、抽殼和倒圓等基于特征的三維實(shí)體造型工具，能夠方便、快捷地創(chuàng)建任何復(fù)雜形狀的實(shí)體。通過草圖的幾何約束及尺寸約束功能，能構(gòu)造尺寸十分精確模型。（如圖2所示）

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2)裝配體設(shè)計(jì)

Solid3000的裝配設(shè)計(jì)工具能夠采用“自頂而下”或是“自底而上”的方法創(chuàng)建和管理包含成百上千個(gè)零部件的裝配和子裝配，能自動(dòng)地創(chuàng)建爆炸的裝配視圖（如圖3所示）。

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3) 三維模型和二維視圖的相關(guān)性

Solid3000的三維模型可以自動(dòng)生成精確的二維工程圖紙，包括基本視圖、斜視圖、剖視圖及軸測圖等，并可以在二維視圖中顯示尺寸和技術(shù)要求注釋（如圖4所示）。Solid3000的二維視圖和三維模型之間的雙向關(guān)聯(lián)功能使模型形狀和尺寸的編輯更加容易，在設(shè)計(jì)過程中更改三維模型或任一二維視圖的尺寸，會(huì)導(dǎo)致三維實(shí)體和所有的二維視圖自動(dòng)更新。

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4）動(dòng)畫模擬仿真功能

動(dòng)畫是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的一種強(qiáng)有力的工具，利用3DMAX軟件能夠方便將由Solid3000制作的零件和裝配體,制成引人入勝的AVI動(dòng)畫文件，直觀地展示裝配體的工作方式以及裝配體中零部件的裝配關(guān)系，使學(xué)生仔細(xì)觀察到裝配體中零件之間的裝配關(guān)系。Solid3000具備高品質(zhì)的渲染功能，并自帶的材質(zhì)庫，提供定義好的金屬、木材、石材、塑料和其他類型的材料紋理，可以為整個(gè)零件、單個(gè)特征、單個(gè)表面添加材質(zhì)，為制作出高質(zhì)量的動(dòng)畫仿真效果提供了保證。

3.機(jī)械制圖虛擬模型庫網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)施

利用MicrosoftFrontPage2000可以創(chuàng)建以網(wǎng)絡(luò)形式顯示的機(jī)械制圖虛擬模型庫。在制作過程中，教師需要精心籌劃網(wǎng)站結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)簡潔明快的網(wǎng)頁，同時(shí)還要考慮網(wǎng)上傳輸速度。

機(jī)械制圖虛擬模型庫擁有大量的圖片和動(dòng)畫資料。網(wǎng)絡(luò)支持的圖形文件格式主要是GIF和JPGE兩種。這兩種都是經(jīng)過壓縮的圖形文件，圖形較小，適合在網(wǎng)絡(luò)上傳送。一般圖像較大，顏色豐富的圖形文件用JPGE格式，圖像較小，顏色單調(diào)，而且需要特殊處理的圖形，用GIF格式。為了便于網(wǎng)上傳輸，使學(xué)生能夠方便地瀏覽和下載，網(wǎng)頁上地單張圖片最好不要超過30K,每頁圖片總量不要超過60K，動(dòng)畫應(yīng)控制在15K以內(nèi)，較大的圖片可以分割成小圖片。另外，合理采用JPGE格式和GIF格式也至關(guān)重要，高分辨率的圖像用JPGE格式，低分辨率的圖像用GIF格式。

機(jī)械制圖虛擬模型庫與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的優(yōu)越性，學(xué)生可以通過網(wǎng)上瀏覽，進(jìn)行自主性地學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，在提高自學(xué)能力的同時(shí)開闊了解題思路，同時(shí)培養(yǎng)和發(fā)展了他們的觀察力和想象力，使得他們能夠更快、更好地掌握這門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。

四、機(jī)械制圖虛擬模型庫的應(yīng)用及體會(huì)

實(shí)踐證明，機(jī)械制圖虛擬模型庫地設(shè)計(jì)是成功的，借助計(jì)算機(jī)虛擬模型的幫助，在授課中的一些重點(diǎn)問題如：截交體、相貫體、組合體、剖視圖等內(nèi)容清晰、生動(dòng)、形象地展示在學(xué)生面前，難點(diǎn)變得容易理解，學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)增強(qiáng)了，所獲得的信息量也增大了。另一方面，機(jī)械制圖虛擬模型庫減輕了教師的輔導(dǎo)工作量，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要，在網(wǎng)上重復(fù)多次地進(jìn)行有關(guān)內(nèi)容地學(xué)習(xí)。

雖然現(xiàn)有機(jī)械制圖虛擬模型庫還不夠完善，仍存在一些問題需要解決，如素材不夠理想、模型數(shù)量有限等，但是機(jī)械制圖虛擬模型庫地應(yīng)用前景是非常廣闊的，它的建立將有利地推動(dòng)教學(xué)方法地改革。我們期待著將來能與更多學(xué)校的機(jī)械制圖虛擬模型庫共享資源、校際間互通信息，集中多方面豐富多彩的虛擬模型庫，為現(xiàn)代化教學(xué)提供更多的方便。

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