Pro/E在《机械制图》立体化教学中的应用

段家现，黄燕钧

（1.2.梧州学院，广西 梧州 543002）

Pro/E在《机械制图》立体化教学中的应用

段家现1，黄燕钧2

（1.2.梧州学院，广西 梧州 543002）

一方面从三维投影体系的构建、组合体的视图分析、零件工程视图的生成等方面入手，探讨如何用Pro/E在机械制图教学中强化三维设计思想。另一方面从基于网络环境下的虚拟三维模型库入手，探讨Pro/E在虚拟模型库的建立步骤和结构体系中的应用。应用结果表明Pro/E在机械制图立体化教学中具有良好效果。

Pro/E；立体化；三维建模；零件工程图；虚拟模型库

1 引言

计算机信息技术的发展，促使产品的设计、制造进入了一个全新的时期。这不仅仅是设计工具的更新，更重要的是一场设计思想的革命。贯穿于现代工程设计、制造一体化全过程的是产品的计算机三维模型，二维投影图不再是这一过程中所必需的文件。[1]在这种大背景下，教学时间的有限性与知识增长的无限性之间的矛盾日益突出。[2]

工程设计已进入到 “三维设计”时代，这对机械制图教学提出了更新的任务和更高的要求。不能只停留在二维表达阶段，必须在教学思想中引入三维建模的工程设计思想，在教学环境上构建网络及虚拟现实模型的立体教学环境。机械制图课程的立体化教学改革一方面是围绕如何将传统的二维设计向基于几何造型系统的三维设计的转移展开的，将二维设计与三维设计有机结合；另一方面是基于网络环境下构建虚拟三维模型库，并能进行交互操作、跨平台开放式的立体化教学系统。在立体化环境中进行二维和三维有机结合的教学，提高现代工程设计和表达能力，为后续课程及三维设计能力的培养奠定基础。

Pro/E是一套具有CAD/CAM/CAE的机械自动化软件，具备参数化设计、特征建构实体及单一数据库等功能，完全可以实现概念设计→三维建模→二维工程图的产品设计流程。

本文探讨了Pro/E在机械制图教学中三维建模和二维表达有机结合的几点应用，研究了构建网络环境下的虚拟模型的立体化教学系统的步骤和结构体系。经过了尝试性的教学实践，效果良好。

2 Pro/E在三维建模与二维表达有机结合中的应用

以轴承座为例从三维投影体系的建立、零件的视图表达、零件视图分析、组件的虚拟装配等方面入手，研究了Pro/E在机械制图教学中引入三维工程设计思想的方法和途径，确定Pro/E在机械制图教学中将三维建模和二维表达有机结合的几点应用。首先，应利用Pro/E提供的拉伸、旋转、扫描、混合四个基本特征命令和孔、拔模、壳、筋、倒圆角、倒角六个工程特征命令快速有效地创建三维实体模型。

2.1 三维投影体系的构建

建立轴承座的三维实体模型，根据零件视图的放置要求，放置水平投影H面，正投影V面，侧投影W面。通过拉伸曲面建立互相垂直的H、V、W投影面，用实体平面虚拟投影平面，如图1所示。

图1 构建立体模型的投影面

图2 立体模型的三面投影

三维立体模型在正投影面 （V面）上的投影，用Pro/E绘图命令中的 “用边”命令，将三维实体模型的轮廓线复制下来，即完成了投影图的绘制，根据模型上轮廓线的可见性修改所绘投影图线条的属性，可见性轮廓线为粗实线，不可见轮廓线修改为虚线。图2为完成后的三维立体模型的三面投影，当修改三维实体模型的形状时，所对应的三视图也随着改变。

2.2 组合体的形体分析[3]

从形体的角度来看，都可认为零件是由一些基本几何体组合而成，即所谓的组合体。 “组合体”的教学既是前面所学点、线、面、基本几何体、交线 (截交线、相贯线、过渡线)等内容的综合应用，又是后面学习机件形状的表达方法、标准件和常用件的规定画法以及零件图等内容的基础，具有承上启下的作用，是培养学生画图读图能力的关键环节。组合体视图部分，开始由投影表达转为视图表达。保证“组合体的视图”的教学效果，对实现 《机械制图》课程的教学目的起着重要作用。

（1）使用Pro/E进行实体建模，建立零件三维实体模型，如图3。

（2）组合体视图组合方式分析。组合体视图组合方式的分析采用形体分析法，假想把组合体分解成若干个基本形体，分析各基本形体的形状、并确定各组成部分的组合方式和相对位置关系，从而产生对整个形体的完整概念，使复杂的问题简单化。组合体的组合方式往往是 “叠加”与 “切割”并存。

如图3所示的轴承座，可以分解为圆柱I、支承板II、肋板III和底板上IV四部分，支承板II为棱柱，其前、后棱面与圆柱面相切，右端面与底板端面平齐；肋板III基本上为梯形棱柱，上部支承在圆柱I的下部，并与其外圆柱面相交，右侧面靠在支承板的左端，下部立在底板IV的上表面；考虑切割后，I为空心圆柱体，在上方有一个小圆柱孔，与空心圆柱的内圆柱面相通；底板IV是左端带有两个圆角的四棱柱，其上有四个小圆柱孔；整个组合体前后对称。[3]分解后如图4所示。

（3）选择主视图，投影出三视图。国标规定，机件向投影面投影所得的图形称为视图。在三投影面体系中，正面投影称为主视图，水平投影称为俯视图，侧面投影称为左视图。如图5是该组合体在图2所示位置时直接生成的二维工程图。

图3 轴承座视角选择

图4 轴承座的分解图

2.3 零件工程视图的生成

运用Pro/E的drawing（绘图）模块可以将实体零件直接生成工程图。在生成工程图之前，用户需要将系统默认的工程图配置文件 “prodetail.dtl”中的选项按照我国的机械制图国家标准进行设置并保存，并在 “config.pro”配置文件中指定该工程图配置文件。

然后，Pro/E依据投影原理可生成工程图样，包括基本视图、向视图、斜视图、各种剖视图、局部放大图、断面图、轴测图等，对于常用的标题栏和表面粗糙度等符号可以通过format（格式）模块建立模板文件，以备调用。在drawing下，移动主视图时，其他两视图随之一起进行相应的移动，而移动俯视图时其只能相对于主视图上下移动，移动左视图时其只能相对于主视图左右移动，这更加深了学生对三视图的形成，以及 “主、俯视图长对正，主、左视图高平齐，俯、左视图宽相等”这一投影规律的理解，在教学中收到很好的教学效果。图5为轴承座的三视图，并将主视图全剖，辅有轴测图。

图5 轴承座的二维工程图

3 Pro/E在构建网络环境下虚拟模型立体教学系统中的应用

建立基于网络和虚拟现实的机械制图模型库，包括与现行教材配套模型。并可方便地适时扩充，模型库中的三维模型造型逼真，控制灵活。该模型库可在校园网上浏览，也可供学生单机使用。使用者可在浏览器中自由操纵模型从各个角度进行观察并可控制模型的显示效果。虚拟现实模型库的建立，有望从根本上解决学生对模型的需求。

利用Pro/E和VRML(Virtual Reality Modeling Language)构建机械制图模型库，VRML是一种基于WWW、具有交互性的虚拟现实建模语言。它提供对三维世界及其内部基本对象的描述。是面向对象的一种高级语言，也是一种基于文本的语合一，并可以运行在多种平台之上。[4]

3.1 利用Pro/E和VRML建立模型库的步骤

（1）根据零件的尺寸要求，利用Pro/E的基本特征、实体特征、曲面特征等进行三维建模，建立形象直观的虚拟模型。

（2）若是装配体，则利用Pro/E组件建模功能。建立虚拟装配模型。

（3）在Pro/E中，将实体模型保存副本为VRML文件，即扩展名为.wrl的文件。

（4）优化和编辑生成的VRML文件，提高模型在虚拟状态下的示范效果。

（5）对动态零件和装配体的VRML文件进行编辑，添加交互功能。对装配体的部分运动零部件进行动态控制，分析零部件的运动规律，模拟该零部件在实际工作时的运动过程。

3.2 建立机械制图模型库的结构体系

根据教学需要和后续课程的要求，建立基础模型库、典型零件模型库、部件模型库三个模型库。基础模型库主要配合工程制图课程的理论教学，强化学生对本课程中的各种基本几何体、组合体、截切体、相贯体、标准件和常用件的感性认识，提高课堂理论教学的效率和效果。图6为虚拟模型库的结构体系。

图6 虚拟模型库的结构体系

典型零件和部件模型库包含工程制图教材中涉及的机构和部件的功能、工作原理、工作过程及组成零件的装配关系及拆装过程。三维的效果和实时的动画交互功能弥补了课堂教学的不足，是传统教学的有益补充。

机械制图的虚拟模型库的建立，能极大地提高课堂教学效率。三维虚拟模型，色彩鲜艳，立体感强，可以动态演示、对剖视图进行演示，还可以制成三维动画，可以实现资源共享，多班学生可同时使用。使教学中的知识难点更加清晰、生动、形象。教师在课堂的动态教学中，可以针对不同的教学对象、教学要求调整现有的模型，按需求造型或按需求修改模型。这也有助于学生进行课后自主学习。

4 Pro/E在机械制图立体化教学中的实践效果

把从三维到二维的思维方法引入教学中，可使学生更好地理解投影、建模理论，并形成三维的而不是二维的思维方式；将现代绘图技术和设计思想融入教学中，使学生对机械制图的立体化教学产生耳目一新的感觉，逐步培养其现代工程设计意识。基于网络环境下，可以进行交互操作、跨平台开放式的虚拟三维模型库。为学生提供了大量模型素材，满足了学生在学习过程中对模型的需要，极大提高学生学习和积极性和学习效果。

教学实践证明，Pro/E软件在教学中的应用，既加大了课程的信息量，又可以提高学生对本课程内容的理解与掌握，锻炼学生解决实际问题的能力，同时也极大地调动了学生学习专业课的积极性和创造性，对学生形象思维和创新思维的培养、审美能力和心理素质的提高发挥特殊的作用。

把Pro/E软件应用在工程制图CAI中，是Pro/E软件的一个创新应用，这样可以形象逼真地反映组合体的投影和投影分析；相关的截交线、相贯线的形成，并可以迅速快捷的把机械制图中的相关知识表达出来，从而改变了机械制图教学中的呆板、枯燥乏味，能够很好地调动学生的学习兴趣，并且有利于学生迅速掌握机械制图相关知识和技能。同时，加深学生对Pro/E的了解，有助于他们的Pro/E三维建模设计制造能力的培养。

通过Pro/E造型技术的学习，学生的画图、读图能力得到明显提高，并为后续专业课程的学习打下坚实的基础。Pro/E简单方便的操作，灵活的装配、拆卸过程，大大加深了学生对装配体的理解，加强了单位空间的概念，更主要的是培养学生有工程设计的意识，以适应社会、科技和知识经济时代对高素质人才培养的需要。

Pro/E三维参数化造型软件提供了强大的参数化特征造型功能，尺寸驱动功能实现了相同类型不同系列模型的生成，基于其族表技术提出的建立参数化模型库的方法无需编程，工作量小。

借助Pro/E虚拟模型的帮助，可以将课程中一些重点问题如：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，使难点变得容易理解。从而增强了学生的感性认识，增加了所获得的信息量。同时，学生可以通过网上浏览，进行自主性的学习和复习，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。

[1]杨光.突出“设计”和“三维”观点改革工程图学教学[J].工程图学学报,2002（2）.

[2]龙芋宏.机械制图的教学改革思考[J].广西大学学报：自然科学版，2007（6）.

[3] 张萌克.机械制图[M].北京：机械工业出版社，2007（10）：72-74.

[4]张向华.机械制图网络模型库的研究与开发[J].江苏技术师范学院学报：自然科学版，2008（3）.

TP391

A

1673-8535(2010)03-0057-05

段家现（1980-），男，梧州学院助教，硕士，研究方向：CAD/CAM/CAE、先进制造技术。

黄燕钧（1965－），男，广东人，梧州学院副教授，高级工程师，研究方向：机械。

（责任编辑：钟世华）

2010-01-25

梧州学院教育教学改革项目（wyjg2008A007）