基于Solid3000的機械制圖三維模型庫的開發(fā)及應用

一、引言

多媒體CAI--計算機輔助教學作為教育現(xiàn)代化的突破口，以其集成性、交互性、可控性、實時性等特點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)絡化教學的普及，計算機應用水平的逐年提高，以及各類輔助教學的應用型軟件不斷地出現(xiàn)，都為課程教學改革提供了技術手段。

教學模型作為教學手段的重要組成部分，在幫助學生形象地理解教學內(nèi)容的過程中，發(fā)揮著積極的輔助教學的作用。機械制圖作為機電專業(yè)的重要專業(yè)基礎課，無論是在課堂教學還是在課后作業(yè)，都需要大量使用教學模型，以增加學生的感性認識，最終達到空間思維能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學模型因其價高、易損、不便攜帶、不能修改等缺點，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學的需要。應用計算機軟件結合多媒體技術建立基于三維CAD技術的虛擬模型庫，不僅可以完全克服傳統(tǒng)教具的缺點，也是實施課程教學改革中的重要組成部分。近年來，高校逐步建立了多個多媒體教室，配備了先進的計算機，寬帶也接入了校園網(wǎng)，師生可以在學校的任何一臺計算機上進入校園網(wǎng)和INTERNET，利用網(wǎng)絡進行備課和學習，這些有利的因素為開發(fā)機械制圖虛擬模型庫創(chuàng)造了條件。

二、機械制圖虛擬模型庫的教學優(yōu)勢

1.取代傳統(tǒng)的實物模型

應用三維CAD技術創(chuàng)建的機械制圖虛擬模型庫，可以利用光盤存儲數(shù)量眾多的模型，在使用中可以完全取代實物模型，從而消除了實物模型因體積和重量造成的攜帶不便的缺點。另一方面，傳統(tǒng)的實物教學模型更新?lián)Q代的速度慢并且不能夠修改，而幾十年不變的教學模型已不能滿足教學和科技時代不斷進步的需要。機械制圖虛擬模型庫在教學中的應用完全可以避免傳統(tǒng)教具的缺點，利用先進的三維CAD技術創(chuàng)建地計算機模型不僅精度高、質感好、形象逼真、色彩豐富，還能將復雜形體的外型與內(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系充分地展示出來，加上動畫效果，使教學中的知識難點更加清晰、生動、形象。利用計算機軟件還可以方便地進行教學模型修改與新建，這樣不僅能夠及時補充符合新教學內(nèi)容的模型，還可以針對不同的教學對象、教學要求調(diào)整現(xiàn)有的模型，充分滿足了教學中對模型種類及數(shù)量的需要，達到降低教學成本，提高教學質量的目的。

2.學生課下學習的助學型課件

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

機械制圖虛擬模型庫可以載入網(wǎng)絡，不受時空限制在網(wǎng)上進行傳輸。當學生在課后練習中遇到困難，可以通過校園網(wǎng)進入模型庫主頁，在庫中找到所需要的模型，進行仔細觀察，增強對實物的感官認識，輔助完成課后練習。另外，計算機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，采用了不同的表達方法，學生可以通過與自己所繪圖形對比，來檢驗自己的讀圖能力和對機件的表達能力。計算機模型庫可以改變傳統(tǒng)教學的單調(diào)模式，有助于學生從被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，從而提高學習效率。

3.作為實踐性教學的素材庫

為了使機械類專業(yè)的學生，畢業(yè)后在生產(chǎn)第一線能勝任實際工作，必須在學校學習過程中加強實踐能力的培養(yǎng)，實踐性教學的目的就是使學生能夠綜合地應用所學的知識解決實際問題。

在科學技術迅猛發(fā)展的今天，計算機輔助教學已經(jīng)成為機械制圖課程中的一個重要組成部分，目前我校的六個多媒體教室的計算機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），并且每臺計算機都可以方便地進入校園網(wǎng)和INTERNET，這就為機械制圖實踐性教學提供了必要的物質條件。過去的機械制圖實踐性教學，通常采用測量和拼裝模型的方法進行，這樣具有一定的局限性，一是要準備很多模型，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，因而限制了實踐性教學的內(nèi)容，影響了教學效果。利用三維CAD軟件建立的參數(shù)化機械制圖三維虛擬模型庫，可以解決上述問題，成為機械制圖實踐性教學的素材庫。在教學過程中，教師可以根據(jù)教學需要分組設計不同的教學任務，每組學生根據(jù)自己的教學任務要求，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行零件測繪以及裝配體的拼裝，然后利用二維繪圖軟件進行零件圖的繪制以及裝配圖的拼畫。這種以虛擬制造環(huán)境為背景的教學模式，有利于激發(fā)學習者的觀察力、發(fā)現(xiàn)力、想象力、邏輯聯(lián)想力，有利于認知思維深化與發(fā)展，增強了培養(yǎng)分析與工程能力的力度，開闊了學生的視野，極大提高了學習的趣味性與教學效率。

三、機械制圖虛擬模型庫的建立

機械制圖虛擬模型庫實際上是對實物模型進行計算機虛化處理，利用計算機軟件及多媒體技術制作形象逼真的虛擬實體模型，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主要包括以下三個部分：（1）三維模型庫；（2）二維視圖表達庫；（3）動畫模擬仿真庫（如圖1所示）。三個部分相互關聯(lián)、一一對應。

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機械制圖虛擬模型庫中主要選用Solid3000軟件作為三維模型庫、動畫庫和二維視圖表達庫的制作平臺，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械制圖虛擬模型庫的制作要點進行簡要介紹。

1.Solid3000簡介

Solid2000具有基于特征的參數(shù)化實體造型、NURBS復雜曲面造型、實體與曲面融合、基于約束的裝配造型以及IGES、STEP、VDA-FS、DWG數(shù)據(jù)交換及世界獨有的特征識別器（Feature works）等一系列先進的三維設計功能及工具，將2D繪圖與3D造型技術融為一體，為PC機上實現(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

Solid3000主要包括以下幾個重要性能特征：

1)基于特征的參數(shù)化實體造型

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

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2)裝配體設計

Solid3000的裝配設計工具能夠采用“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零部件的裝配和子裝配，能自動地創(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性

Solid3000的三維模型可以自動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聯(lián)功能使模型形狀和尺寸的編輯更加容易，在設計過程中更改三維模型或任一二維視圖的尺寸，會導致三維實體和所有的二維視圖自動更新。

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4）動畫模擬仿真功能

動畫是計算機輔助教學的一種強有力的工具，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系，使學生仔細觀察到裝配體中零件之間的裝配關系。Solid3000具備高品質的渲染功能，并自帶的材質庫，提供定義好的金屬、木材、石材、塑料和其他類型的材料紋理，可以為整個零件、單個特征、單個表面添加材質，為制作出高質量的動畫仿真效果提供了保證。

3.機械制圖虛擬模型庫網(wǎng)絡化的實施

利用MicrosoftFrontPage2000可以創(chuàng)建以網(wǎng)絡形式顯示的機械制圖虛擬模型庫。在制作過程中，教師需要精心籌劃網(wǎng)站結構、設計簡潔明快的網(wǎng)頁，同時還要考慮網(wǎng)上傳輸速度。

機械制圖虛擬模型庫擁有大量的圖片和動畫資料。網(wǎng)絡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，動畫應控制在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。

機械制圖虛擬模型庫與現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的結合，充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡時代的優(yōu)越性，學生可以通過網(wǎng)上瀏覽，進行自主性地學習和復習，在提高自學能力的同時開闊了解題思路，同時培養(yǎng)和發(fā)展了他們的觀察力和想象力，使得他們能夠更快、更好地掌握這門實踐性很強的課程。

四、機械制圖虛擬模型庫的應用及體會

實踐證明，機械制圖虛擬模型庫地設計是成功的，借助計算機虛擬模型的幫助，在授課中的一些重點問題如：截交體、相貫體、組合體、剖視圖等內(nèi)容清晰、生動、形象地展示在學生面前，難點變得容易理解，學生的感性認識增強了，所獲得的信息量也增大了。另一方面，機械制圖虛擬模型庫減輕了教師的輔導工作量，學生可以根據(jù)自己的需要，在網(wǎng)上重復多次地進行有關內(nèi)容地學習。

雖然現(xiàn)有機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，但是機械制圖虛擬模型庫地應用前景是非常廣闊的，它的建立將有利地推動教學方法地改革。我們期待著將來能與更多學校的機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)代化教學提供更多的方便。

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