对虚拟模型尺寸测量方法的探索

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。

1 模型测绘中尺寸测量的三种模式

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。

2 虚拟模型尺寸测量的实现方法

2.1 分步式尺寸测量方法的实现

（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。

2.2 直接式尺寸测量方法的实现

（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。

2.3 自主式尺寸测量方法的实现

（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

3 虚拟模型测绘在实践教学中的应用

3.1 分步式尺寸测量方法的应用

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

3.2 直接式尺寸测量方法的应用

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

3.3 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。

3.4 在教学中应用效果的分析

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。

4 结 论

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.