浅析机械制图虚拟模型库的建立

林 希

(陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000)

机械制图是机类、近机类专业的基础课。为了培养学生的空间想象能力，并掌握一定的画图和读图技能，在课堂教学中使用大量的模型是必需的。教学模型的使用可以帮助学生完成二维平面与三维立体的相互转换。传统模型的某些弊端造成其使用的极大不便，如携带不便、需要专人管理、模型数量有限、造型固定不易改变等。为了克服传统教学模型的缺点，可以利用三维建模设计软件创建虚拟动态模型库。虚拟动态模型库的建立为多媒体教学创造了条件并提供了支持。

一、基于三维建模软件的虚拟动态模型库开发

(一)模型库总体制作

进行虚拟动态模型库的开发首先根据机械制图课程的教学要求对其内容进行归纳、总结和综合，然后根据教学需要进行教学模型和动画的制作，最后进行整理并制作成网页。在开发过程中可将教学模型分为五大类，基本体、组合体、剖视、典型零件及装配体，如图1 所示。

(二)三维模型建模

为了更快捷、更方便地创建各种复杂形状的实体，可以利用三维建模软件进行三维实体造型。首先通过建模工具的拉伸、旋转、扫描、放样等进行实体建模，然后利用实体编辑工具抽壳、筋、孔、分割等进行实体编辑，最后用修改工具镜像、阵列等进行修改。三维建模主要包括基本体的建模、组合体的建模、切割实体和零件的建模。建模完成后还可以根据设计者的意图给模型赋予所需的材质和颜色。

图1 模型库分类

(三)二维视图表达库的建立

在三维建模软件系统中，三维模型和二维视图具有相关性。根据三维实体模型可以自动生成基本视图、斜视图及各种剖视图等图样的工程图纸，并可以在二维视图中标注尺寸及技术要求。因为二维视图和三维模型之间存在这种关联性，所以模型的形状和尺寸更容易被编辑，如果在设计过程中更改三维模型的尺寸，二维视图将会自动更新。所以，创建了大量的虚拟模型后，可以轻松、快速地生成相对应的工程图库。

二、三维建模软件技术探讨

随着CAD/CAPP/CAM/PDM 技术的日益普及，制造业发展方向将是计算机三维设计的天下。常用的机械三维设计软件有Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA、Inventor 等。这些常用的三维造型软件虽然在桌面元素的安排上略有差异、操作方法及某些功能上稍有不同，但在总的设计思路上基本相同，实现造型的方法也是大同小异。采用哪种CAD 三维软件对于一般的产品模型设计而言并不重要，重要的是掌握正确的建模思路、技巧和方法。

计算机三维建模是利用计算机实现个人的设计意图，通过操作界面元素的转化实现三维模型的建立。目前三维软件的学习只是对计算机界面操作的认识和实例的模仿，而忽略了识读图和空间思维的能力。空间建模思维能力是指导3D 建模的关键，因此在教学中我们应加强空间建模思维能力的系统训练，才能从容应对不同软件的学习。

(一)三维构型理论

三维建模主要采用的是构造实体几何(ConstructiveSolidGeometry—CSG)及形体几何特征等图学理论。CSG 可以把复杂的型体看成是由简单的基本体组合而成，在工程制图中我们把他称为形体分析法，把物体分解成若干基本体然后采用叠加、切割或综合等方式来实现组合。这种形体分析法的思维模式是全三维的。

(二)基本体建模

计算机实体建模是几何特征的集合，处理方式是对基本体进行模块化分解。分解原则为:从反映形体主要特征的明显程度和占总体积的大小及其主要功能等方面进行划分。一般可分为两种类型模块:叠加型基本体模块、切割型基本体模块，若有必要可在每个模块内再进行细分。

(三)建模顺序

建模顺序应遵循先大后小，先下后上，先外后内，先实后虚，先“并”、“交”后“差”等构形原则。一个零件是由多个基本体组成，建模时应从最大的、最外层或最下面的基本体入手，因为这个基本体上往往具有零件的基准面，是构成零件的基准体。对于内部结构如开槽或打孔等切割特征，应在所有的基本体叠加建立完成后通过差集运算依此减去组合体模块内的各个基本体。在创建基本特征时可对其进行阵列或镜像等特征的操作。

三、基于SolidWorks 的阀体零件三维设计实践

(一)形体分析

分解出各基本体(底板带四个孔、圆筒、凸台、立板)，如图 2。

图2 阀体

(二)建模步骤

(1)首先绘制如图3 所示的图形。选择【拉伸】按钮，参数设置10，这样就可以得到底板。

图3 阀体的草图1

(2)选择零件的上表面，单击【草图绘制】按钮，在控制区单击上视，然后单击【正视于】按钮，选择【圆】命令，绘制圆，选择【智能尺寸】命令标注尺寸￠30。选择【拉伸】命令，参数设置45，如图4 所示。

(3)选择右视基准面，先单击【正视于】，再单击【草图绘制】，绘制草图3，如图5 所示。选择【拉伸】命令，参数设置20，注意确定拉伸的方向。

(4)选择刚才拉伸的圆柱左上表面，单击【草图绘制】，选择右视基准面，单击【正视于】，绘制草图。单击控制区的拉伸前面的加号，出现草图3，击鼠标右键，在快捷菜单中选择【显示】选项，过圆心做垂直的中心线，然后做圆和圆弧，可以利用镜向来做，标注尺寸，做直线，然后利用添加几何关系按钮，将直线和圆弧相切;【剪裁】将多余的线段删除，即可得到图6 所示的草图4。选择【拉伸】命令，参数设置8。

(5)选择竖立圆柱上表面，单击【草图绘制】，选择上视基准面，单击【正视于】，绘制一个直径为12mm 的圆，圆心和原点重合，即可得到图7 所示的草图5。选择【拉伸】命令，参数设置5。

(6)选择底板的下表面，单击【草图绘制】，选择上视基准面，单击【正视于】，绘制一个直径为20mm的圆，圆心和原点重合，草图6 如图8 所示。选择【拉伸】命令，参数设置50。

(7)选择阀体左边拉伸4 的左表面，单击【草图绘制】，选择右视基准面，单击【正视于】，绘制一个直径为10mm 的圆，圆心和草图3 圆心重合。选择【拉伸】命令，参数设置如图9 所示，【终止条件】选择:成形到一面，【面/平面】选择:拉伸切除2 的曲面，然后单击按钮，即可得到图2 所示的图形。

图4 阀体拉伸特征2

图5 阀体草图3

图6 阀体草图4

图7 阀体草图5

图8 阀体草图6

图9 阀体拉伸切除特征3

四、结束语

在教学过程中可以利用模型库中多样易变的模型激发学生的学习兴趣，可以借助计算机虚拟模型，帮助学生理解截交线、相贯线、组合体、剖视图、零件及装配体的表达方法，向学生清晰、生动、形象地展示重点、难点教学内容。为了能更好地服务于教学，还应对虚拟模型库进行不断完善，将实际的零部件的模型补充到虚拟模型库当中。模型库的建立可以更好地培养学生的观察能力、动手能力、空间想象能力、空间思维能力以及自主性学习能力、创新能力和工程意识。