王成刚, 赵奇平, 游险峰
(武汉理工大学机电学院,湖北 武汉 430070)
模型测绘是在分析模型结构、形状的基础上,综合运用工程图学的知识,绘制出模型图样(草图),并标注出尺寸等内容的实践过程,它是学习“工程图学”课程的重要内容,也是培养、训练学生综合运用工程图学知识、提高动手能力的重要手段。
通常,模型测绘包括两大重要内容,其一为绘制反映模型结构、形状的图形;另一重要内容便是尺寸测量及标注。对于实物模型而言,尺寸的测量可通过测量工具,如直尺、游标卡尺等进行,对于虚拟模型如何实现尺寸测量呢?近年来,随着三维建模软件及虚拟现实技术的广泛应用,三维虚拟模型在教学中的应用已十分广泛。然而,要实现采用虚拟模型替代实物模型进行模型测绘实践的训练,目前尚未见到较理想的途径。如邱龙辉等[1-2]发表的“基于VRML的虚拟模型尺寸测量方法研究”一文,给出了基于VRML虚拟模型库,使用EAI接口,并使用文本编辑添加节点的方法进行“虚拟模型尺寸测量”,该文对虚拟模型的尺寸测量进行有益探索,并取得了一定的成果。但该方法需要对每个模型采用VRML编程来编辑添加节点[3-5],这不仅是一份繁琐编程工作,而且需要将模型各测量点都预设好。在进行尺寸测量时,又必须按照事先预设的测量点进行“测量”,且尺寸不能直观地显示出来,而是在图形下方的参数中显示,故难以达到自主测量的实践体验。
经过对SolidWorks软件建模、标注及eDrawings三维模型动态浏览器的分析、研究[6],在充分利用eDrawings浏览器实时动态三维模型交互式观察的基础上,充分利用SolidWorks软件的标注功能和eDrawings浏览器的注释功能、测量功能等,初步解决了虚拟模型尺寸测量的问题。其测量模式、实现方法和教学实践分述如下。
在传统的实物模型测绘教学实践中,首先需要准备足够的实物模型和量具,使得教学准备工作繁重,且要有大量的测绘模型储备,需购买大量模型、量具及测绘场所。加之“工程图学”学时减少,导致模型测绘教学难以开展或很少开展。而极为有限的模型测绘实践教学,又往往因为学生的层次不同、理解能力不同和测绘速度的不同,致使测绘指导任务繁重,收效不明显。究其原因主要是因为模型测绘为实践教学,其性质为个性化教学范畴,故很难通过统一的讲课达到目的。因此,必须要探寻个性化的教学方式和教学手段。显然,计算机虚拟模型测绘是个性化教学的有效手段,它不需要实体模型、量具的准备,也不需要进度的统一,还可根据学习进度的不同预设不同的测绘难度及相应帮助,使学生能够自主地、循序渐进地掌握模型测绘相关知识和技能,获得应有的实践训练[7-8]。
为此,将模型测绘分为3个阶段加以安排。第一阶段,将测绘的主要目标定在认知模型、分析模型的构成方式及结构、形状上,其测绘内容以画投影图为主,测量及尺寸标注为辅;第二阶段,将测绘的主要目标定在分析模型的构成方式、功能及结构、形状上,其测绘内容以画图和尺寸测量及标注并重;第三阶段,将虚拟模型测绘向实物模型测绘过渡,学生需要自主地进行绘图和尺寸测量,从而达到实物模型测绘的实践体验。这就需要对虚拟模型及其尺寸测量也进行相应的设置。根据模型测绘不同层次、不同内容和不同要求,将虚拟模型的尺寸测量分为3种模式:分步式、直接式和自主式。
分步式:根据模型特征,预先将模型的尺寸分步骤地在模型上标注出来,测量时引导学生逐一展开,进行尺寸的分步标注。该方式主要针对教学分析和测绘的初学者,使模型测绘的尺寸标注方便、正确,从而培养学生掌握正确的尺寸标注方法和步骤。
直接式:将模型的尺寸部分或全部标注在虚拟三维模型上,所见即所得,减轻模型尺寸测量的难度,提高模型测绘效率。但需要学生自己去组织尺寸标注的方法及步骤,从而加深对尺寸标注的训练。
自主式:完全由测绘者自主地在虚拟模型上进行测量,从而获得模型的尺寸。该方法能达到自主测量的实践体验,与实物模型的测绘过程类似,从而以虚拟模型替代实物模型实现模型测绘实践训练。
(1)通过SolidWorks软件进行准确的三维建模,并设置好模型的材料和表面颜色,使虚拟模型与实物模型在外形及质感上相吻合。
(2)将SolidWorks软件创建的三维建模经过SolidWorks软件的【文件】/【出版到eDrawings(B)】,则在eDrawings浏览器中打开该三维模型。
(3)运用eDrawings浏览器中的“标注”功能,进行虚拟模型尺寸的分类标注,可根据物体特征分别标注出“长向”尺寸、“宽向”尺寸、“高向”尺寸和“圆及圆弧”尺寸等。将模型及标注存盘后,即获得拥有分类尺寸的虚拟模型,如图1所示。
进行虚拟模型的测绘时,只需要重新在eDrawings浏览器中将虚拟模型打开,运用eDrawings浏览器的虚拟模型实时动态浏览功能,便可分析、观察虚拟模型的内外结构及形状,从而绘制出模型的草图,再逐一打开该模型“标注”的各类尺寸,并逐一标注,便可获得该模型正确而完整的尺寸。
图 1 分步式尺寸测量方法的实现(显示高度尺寸)
显然,此种虚拟测绘模型非常适合于教学和初学者的测绘。由于尺寸已经分类标注在了虚拟模型上,在进行模型尺寸标注时,可直接根据标注的尺寸进行尺寸的分步标注,这样将使学生在潜移默化的测绘中,学习到正确的尺寸标注方法和标注顺序,从而降低模型测绘的难度,提高学生进行模型测绘的兴趣,并可方便地安排学生大量的模型测绘。从而实现“在实践中学习,在学习中实践”的“工程图学”教学方式。
(1)通过SolidWorks软件进行准确地三维建模,并设置好模型的材料和表面颜色,使虚拟模型与实物模型在外形及质感上相吻合。
(2)在SolidWorks软件中,运用【DimXpert】功能直接在三维虚拟模型上标注尺寸及技术要求,使三维模型与尺寸结合在一个文件中。
(3)将SolidWorks软件创建的带有尺寸的三维建模经过SolidWorks软件的【文件】/【出版到eDrawings(B)】,则在eDrawings浏览器中打开同时拥有尺寸的三维模型。如图2所示。
图 2 直接式尺寸测量方法的实现
在进行模型测绘时,只需将虚拟模型在eDrawings浏览器中打开,便可同时绘制模型草图和进行尺寸标注。
显然,此种虚拟测绘模型也适合于教学和初学者的测绘。由于尺寸已经全部标注在了虚拟模型上,在进行模型尺寸标注时,需要测绘者去组织尺寸标注的先后顺序和位置,因此,使尺寸标注的难度有所增加,可使学生得到循序渐进的模型测绘训练。
由于模型与尺寸已经全部展现出来,测绘时不需要测绘工具,使学生在绘图的同时便可标注尺寸,甚至可以直接绘制仪器图或进行计算机绘图、建模等,故提高了教学和测绘训练的效率。该种模型的尺寸标注规范,还可进行尺寸公差、形位公差的标注,因而非常适合于机械零部件的测绘教学和测绘训练。
(1)仍然通过SolidWorks软件进行准确地三维建模,并设置好模型的材料和表面颜色等。
(2)将SolidWorks软件创建的三维建模经过SolidWorks软件的【文件】/【出版到eDrawings(B)】,则在eDrawings浏览器中打开该三维模型,保存为eDrawings文件,便可获得拥有自主式尺寸测量的虚拟模型。
(3)在进行虚拟模型的测绘时,只需要在eDrawings浏览器中将虚拟模型打开,直接运用eDrawings浏览器中的“测量”功能,并配合选择相应的过滤器(包括:选择面,选择边线,选择顶点等),便可自主地进行虚拟模型尺寸的测量,它与实物模型的测量过程几乎完全一致,只是将实物的测量工具改成了在计算机屏幕上的光标操作。
如测量孔径,只需要用光标直接选择圆孔即可,如图3(a)所示;测量两孔的中心距,则用光标依次选择两圆孔,如图3(b)所示;测量上表面与下表面的距离,可用光标分别选择上表面和下表面,则在测量结果显示窗中显示出上、下表面的距离;也可分别选择上表面的孔和下表面的孔,则在图中直接显示出两孔中心距、水平距离和垂直距离,如图3(c)所示。
显然,此种虚拟测绘模型的测绘需要对eDrawings浏览器有所熟悉,且要有一定的模型尺寸测量经验才能很好地运用。正如实体模型测绘一样,如果学生没有一定的基础和技能,要达到正确、完整的模型测绘和尺寸标注是有一定的困难的。这也正是若干年来,在工程图学的教学中,未能全面而广泛地开展模型测绘训练的原因之一。
图 3 自主式尺寸测量方法的实现
在进行基本立体及组合体投影的教学中,运用分步式尺寸测量方法的虚拟模型,让学生充分了解立体的结构、形状后,分步标注出模型的尺寸,从而使学生在快速掌握基本立体投影图的绘制方法的同时,也掌握了基本立体尺寸标注的方法。测绘实例如图4所示。
图4 分步式尺寸测量方法的应用实例
在进行组合体的教学中,运用直接式尺寸测量方法的虚拟模型,让学生了解组合体的结构及形状后,绘制出组合体的草图,并标注出模型的尺寸,再根据草图,在计算机上绘制组合体投影图,并标注尺寸。该测绘的重点在于分析组合体的结构,并学习正确的尺寸基准选择方法和正确的尺寸标注方法。由于尺寸已经在虚拟模型上显示出来,可大大节省测绘时间,使测绘的教学安排更方便,效率更高。
测绘实例如图5所示。
图 5 直接式尺寸测量方法的应用实例
图 6 自主式尺寸测量方法的应用
在进行了多次模型测绘之后,学生已基本掌握了模型测绘及尺寸标注的基本方法,这时,便可安排自主式尺寸测量方法的虚拟模型测绘了。学生必须首先用目测比例绘制出模型草图,并标注出尺寸界线和尺寸线,再在eDrawings浏览器上选用相应的尺寸测量过滤器,按标注尺寸的位置进行测量,并记录相应的尺寸数值。
测绘实例如图6所示。
上述虚拟模型测绘的方法,在所教的2012级两个教学班中进行了对比研究。第一次测绘两个班均采用实物模型(与图4相同的实物模型);第二次为组合体模型测绘,甲班采用图5所示虚拟模型,而乙班采用相同实物模型;第三次为零件模型测绘,甲班采用图6所示虚拟模型,而乙班采用相同实物模型。要求均为在A3图纸上画出草图,并标注尺寸。结果对比如表1所示。
表1 组合体模型测绘
从表1可见,第一次实物模型测绘,两个班进度及得优人数大致相同;而第二次差别已非常明显,特别是在测绘的进度上;第三次差距继续增大,测绘进度及得优人数均出现非常明显的差距。因为采用虚拟模型,学生可以更多地得到训练的机会。
经过多次的虚拟模型测绘实践和实物模型测绘实践的对比,可以认为,虚拟模型测绘是方便而高效的,在很大程度上,可实现替代实物模型进行测绘的实践教学,取得了良好的教学效果。该方法对加强培养、训练学生的模型测绘实践能力、动手能力提供了切实可行的方法和途径,可为后续的工程实践打下良好的基础。值得一提的是,无论虚拟模型多么方便,仿真度多么高超,要达到培养、训练学生工程实践能力的目的,实物模型的测绘仍然是不可完全被替代的。正如虚拟驾驶训练不能替代驾驶员上路驾驶训练一样,工程能力的训练,也必须通过工程实践才能达到!
[1]邱龙辉, 张惠英, 张 军, 叶 琳. 基于VRML的虚拟模型尺寸测量方法研究[J]. 青岛大学学报(工程技术版), 2008, 23(1): 46-49.
[2]邱龙辉, 叶 琳. 工程图学虚拟测绘模型系统的设计[J]. 工程图学学报, 2007, 28(6): 147-151.
[3]吴志军, 张建富, 冯平法, 郁鼎文. 面向网络实验教学的虚拟协同装配技术研究[J]. 工程图学学报,2010, 31(4): 172-178.
[4]刘 炀, 邵 伟, 王 静, 石鸽娅, 汤传玲. VRML虚拟现实网络互动仿真装配平台的研究[J]. 图学学报, 2012, 33(2): 87-90.
[5]何培英. 机械零部件虚拟测绘系统开发[J]. 工程图学学报, 2007, 28(6): 161-165.
[6]王成刚, 匡 珑, 郑 芳. 对PowerPoint课件中嵌入虚拟3D模型方法的探讨[J]. 工程图学学报, 2010,31(5): 118-122.
[7]杨 莉, 郝育新, 王剑华. 工程制图测绘教学模式的研究与实践[J]. 图学学报, 2013, 34(1): 116-119.
[8]汤精明. 现代制造技术与工程图学测绘课程教学改革的若干思考[J]. 机械管理开发, 2009, 24(5):156-158.