段家現(xiàn)，黃燕鈞

（1.2.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002）

Pro/E在《機(jī)械制圖》立體化教學(xué)中的應(yīng)用

段家現(xiàn)1，黃燕鈞2

（1.2.梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002）

一方面從三維投影體系的構(gòu)建、組合體的視圖分析、零件工程視圖的生成等方面入手，探討如何用Pro/E在機(jī)械制圖教學(xué)中強(qiáng)化三維設(shè)計(jì)思想。另一方面從基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬三維模型庫入手，探討Pro/E在虛擬模型庫的建立步驟和結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明Pro/E在機(jī)械制圖立體化教學(xué)中具有良好效果。

Pro/E；立體化；三維建模；零件工程圖；虛擬模型庫

1 引言

計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，促使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。這不僅僅是設(shè)計(jì)工具的更新，更重要的是一場設(shè)計(jì)思想的革命。貫穿于現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)、制造一體化全過程的是產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)三維模型，二維投影圖不再是這一過程中所必需的文件。[1]在這種大背景下，教學(xué)時(shí)間的有限性與知識(shí)增長的無限性之間的矛盾日益突出。[2]

工程設(shè)計(jì)已進(jìn)入到 “三維設(shè)計(jì)”時(shí)代，這對機(jī)械制圖教學(xué)提出了更新的任務(wù)和更高的要求。不能只停留在二維表達(dá)階段，必須在教學(xué)思想中引入三維建模的工程設(shè)計(jì)思想，在教學(xué)環(huán)境上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)及虛擬現(xiàn)實(shí)模型的立體教學(xué)環(huán)境。機(jī)械制圖課程的立體化教學(xué)改革一方面是圍繞如何將傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)向基于幾何造型系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)移展開的，將二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合；另一方面是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下構(gòu)建虛擬三維模型庫，并能進(jìn)行交互操作、跨平臺(tái)開放式的立體化教學(xué)系統(tǒng)。在立體化環(huán)境中進(jìn)行二維和三維有機(jī)結(jié)合的教學(xué)，提高現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)和表達(dá)能力，為后續(xù)課程及三維設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

Pro/E是一套具有CAD/CAM/CAE的機(jī)械自動(dòng)化軟件，具備參數(shù)化設(shè)計(jì)、特征建構(gòu)實(shí)體及單一數(shù)據(jù)庫等功能，完全可以實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)→三維建模→二維工程圖的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。

本文探討了Pro/E在機(jī)械制圖教學(xué)中三維建模和二維表達(dá)有機(jī)結(jié)合的幾點(diǎn)應(yīng)用，研究了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的虛擬模型的立體化教學(xué)系統(tǒng)的步驟和結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)過了嘗試性的教學(xué)實(shí)踐，效果良好。

2 Pro/E在三維建模與二維表達(dá)有機(jī)結(jié)合中的應(yīng)用

以軸承座為例從三維投影體系的建立、零件的視圖表達(dá)、零件視圖分析、組件的虛擬裝配等方面入手，研究了Pro/E在機(jī)械制圖教學(xué)中引入三維工程設(shè)計(jì)思想的方法和途徑，確定Pro/E在機(jī)械制圖教學(xué)中將三維建模和二維表達(dá)有機(jī)結(jié)合的幾點(diǎn)應(yīng)用。首先，應(yīng)利用Pro/E提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合四個(gè)基本特征命令和孔、拔模、殼、筋、倒圓角、倒角六個(gè)工程特征命令快速有效地創(chuàng)建三維實(shí)體模型。

2.1 三維投影體系的構(gòu)建

建立軸承座的三維實(shí)體模型，根據(jù)零件視圖的放置要求，放置水平投影H面，正投影V面，側(cè)投影W面。通過拉伸曲面建立互相垂直的H、V、W投影面，用實(shí)體平面虛擬投影平面，如圖1所示。

圖1 構(gòu)建立體模型的投影面

圖2 立體模型的三面投影

三維立體模型在正投影面 （V面）上的投影，用Pro/E繪圖命令中的 “用邊”命令，將三維實(shí)體模型的輪廓線復(fù)制下來，即完成了投影圖的繪制，根據(jù)模型上輪廓線的可見性修改所繪投影圖線條的屬性，可見性輪廓線為粗實(shí)線，不可見輪廓線修改為虛線。圖2為完成后的三維立體模型的三面投影，當(dāng)修改三維實(shí)體模型的形狀時(shí)，所對應(yīng)的三視圖也隨著改變。

2.2 組合體的形體分析[3]

從形體的角度來看，都可認(rèn)為零件是由一些基本幾何體組合而成，即所謂的組合體。 “組合體”的教學(xué)既是前面所學(xué)點(diǎn)、線、面、基本幾何體、交線 (截交線、相貫線、過渡線)等內(nèi)容的綜合應(yīng)用，又是后面學(xué)習(xí)機(jī)件形狀的表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的規(guī)定畫法以及零件圖等內(nèi)容的基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用，是培養(yǎng)學(xué)生畫圖讀圖能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。組合體視圖部分，開始由投影表達(dá)轉(zhuǎn)為視圖表達(dá)。保證“組合體的視圖”的教學(xué)效果，對實(shí)現(xiàn) 《機(jī)械制圖》課程的教學(xué)目的起著重要作用。

（1）使用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，建立零件三維實(shí)體模型，如圖3。

（2）組合體視圖組合方式分析。組合體視圖組合方式的分析采用形體分析法，假想把組合體分解成若干個(gè)基本形體，分析各基本形體的形狀、并確定各組成部分的組合方式和相對位置關(guān)系，從而產(chǎn)生對整個(gè)形體的完整概念，使復(fù)雜的問題簡單化。組合體的組合方式往往是 “疊加”與 “切割”并存。

如圖3所示的軸承座，可以分解為圓柱I、支承板II、肋板III和底板上IV四部分，支承板II為棱柱，其前、后棱面與圓柱面相切，右端面與底板端面平齊；肋板III基本上為梯形棱柱，上部支承在圓柱I的下部，并與其外圓柱面相交，右側(cè)面靠在支承板的左端，下部立在底板IV的上表面；考慮切割后，I為空心圓柱體，在上方有一個(gè)小圓柱孔，與空心圓柱的內(nèi)圓柱面相通；底板IV是左端帶有兩個(gè)圓角的四棱柱，其上有四個(gè)小圓柱孔；整個(gè)組合體前后對稱。[3]分解后如圖4所示。

（3）選擇主視圖，投影出三視圖。國標(biāo)規(guī)定，機(jī)件向投影面投影所得的圖形稱為視圖。在三投影面體系中，正面投影稱為主視圖，水平投影稱為俯視圖，側(cè)面投影稱為左視圖。如圖5是該組合體在圖2所示位置時(shí)直接生成的二維工程圖。

圖3 軸承座視角選擇

圖4 軸承座的分解圖

2.3 零件工程視圖的生成

運(yùn)用Pro/E的drawing（繪圖）模塊可以將實(shí)體零件直接生成工程圖。在生成工程圖之前，用戶需要將系統(tǒng)默認(rèn)的工程圖配置文件 “prodetail.dtl”中的選項(xiàng)按照我國的機(jī)械制圖國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置并保存，并在 “config.pro”配置文件中指定該工程圖配置文件。

然后，Pro/E依據(jù)投影原理可生成工程圖樣，包括基本視圖、向視圖、斜視圖、各種剖視圖、局部放大圖、斷面圖、軸測圖等，對于常用的標(biāo)題欄和表面粗糙度等符號(hào)可以通過format（格式）模塊建立模板文件，以備調(diào)用。在drawing下，移動(dòng)主視圖時(shí)，其他兩視圖隨之一起進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，而移動(dòng)俯視圖時(shí)其只能相對于主視圖上下移動(dòng)，移動(dòng)左視圖時(shí)其只能相對于主視圖左右移動(dòng)，這更加深了學(xué)生對三視圖的形成，以及 “主、俯視圖長對正，主、左視圖高平齊，俯、左視圖寬相等”這一投影規(guī)律的理解，在教學(xué)中收到很好的教學(xué)效果。圖5為軸承座的三視圖，并將主視圖全剖，輔有軸測圖。

圖5 軸承座的二維工程圖

3 Pro/E在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下虛擬模型立體教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

建立基于網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)械制圖模型庫，包括與現(xiàn)行教材配套模型。并可方便地適時(shí)擴(kuò)充，模型庫中的三維模型造型逼真，控制靈活。該模型庫可在校園網(wǎng)上瀏覽，也可供學(xué)生單機(jī)使用。使用者可在瀏覽器中自由操縱模型從各個(gè)角度進(jìn)行觀察并可控制模型的顯示效果。虛擬現(xiàn)實(shí)模型庫的建立，有望從根本上解決學(xué)生對模型的需求。

利用Pro/E和VRML(Virtual Reality Modeling Language)構(gòu)建機(jī)械制圖模型庫，VRML是一種基于WWW、具有交互性的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言。它提供對三維世界及其內(nèi)部基本對象的描述。是面向?qū)ο蟮囊环N高級語言，也是一種基于文本的語合一，并可以運(yùn)行在多種平臺(tái)之上。[4]

3.1 利用Pro/E和VRML建立模型庫的步驟

（1）根據(jù)零件的尺寸要求，利用Pro/E的基本特征、實(shí)體特征、曲面特征等進(jìn)行三維建模，建立形象直觀的虛擬模型。

（2）若是裝配體，則利用Pro/E組件建模功能。建立虛擬裝配模型。

（3）在Pro/E中，將實(shí)體模型保存副本為VRML文件，即擴(kuò)展名為.wrl的文件。

（4）優(yōu)化和編輯生成的VRML文件，提高模型在虛擬狀態(tài)下的示范效果。

（5）對動(dòng)態(tài)零件和裝配體的VRML文件進(jìn)行編輯，添加交互功能。對裝配體的部分運(yùn)動(dòng)零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，分析零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬該零部件在實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。

3.2 建立機(jī)械制圖模型庫的結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)教學(xué)需要和后續(xù)課程的要求，建立基礎(chǔ)模型庫、典型零件模型庫、部件模型庫三個(gè)模型庫?；A(chǔ)模型庫主要配合工程制圖課程的理論教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生對本課程中的各種基本幾何體、組合體、截切體、相貫體、標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的感性認(rèn)識(shí)，提高課堂理論教學(xué)的效率和效果。圖6為虛擬模型庫的結(jié)構(gòu)體系。

圖6 虛擬模型庫的結(jié)構(gòu)體系

典型零件和部件模型庫包含工程制圖教材中涉及的機(jī)構(gòu)和部件的功能、工作原理、工作過程及組成零件的裝配關(guān)系及拆裝過程。三維的效果和實(shí)時(shí)的動(dòng)畫交互功能彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足，是傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。

機(jī)械制圖的虛擬模型庫的建立，能極大地提高課堂教學(xué)效率。三維虛擬模型，色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，可以動(dòng)態(tài)演示、對剖視圖進(jìn)行演示，還可以制成三維動(dòng)畫，可以實(shí)現(xiàn)資源共享，多班學(xué)生可同時(shí)使用。使教學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)、形象。教師在課堂的動(dòng)態(tài)教學(xué)中，可以針對不同的教學(xué)對象、教學(xué)要求調(diào)整現(xiàn)有的模型，按需求造型或按需求修改模型。這也有助于學(xué)生進(jìn)行課后自主學(xué)習(xí)。

4 Pro/E在機(jī)械制圖立體化教學(xué)中的實(shí)踐效果

把從三維到二維的思維方法引入教學(xué)中，可使學(xué)生更好地理解投影、建模理論，并形成三維的而不是二維的思維方式；將現(xiàn)代繪圖技術(shù)和設(shè)計(jì)思想融入教學(xué)中，使學(xué)生對機(jī)械制圖的立體化教學(xué)產(chǎn)生耳目一新的感覺，逐步培養(yǎng)其現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)意識(shí)?；诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可以進(jìn)行交互操作、跨平臺(tái)開放式的虛擬三維模型庫。為學(xué)生提供了大量模型素材，滿足了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對模型的需要，極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)和積極性和學(xué)習(xí)效果。

教學(xué)實(shí)踐證明，Pro/E軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，既加大了課程的信息量，又可以提高學(xué)生對本課程內(nèi)容的理解與掌握，鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的積極性和創(chuàng)造性，對學(xué)生形象思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、審美能力和心理素質(zhì)的提高發(fā)揮特殊的作用。

把Pro/E軟件應(yīng)用在工程制圖CAI中，是Pro/E軟件的一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用，這樣可以形象逼真地反映組合體的投影和投影分析；相關(guān)的截交線、相貫線的形成，并可以迅速快捷的把機(jī)械制圖中的相關(guān)知識(shí)表達(dá)出來，從而改變了機(jī)械制圖教學(xué)中的呆板、枯燥乏味，能夠很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且有利于學(xué)生迅速掌握機(jī)械制圖相關(guān)知識(shí)和技能。同時(shí)，加深學(xué)生對Pro/E的了解，有助于他們的Pro/E三維建模設(shè)計(jì)制造能力的培養(yǎng)。

通過Pro/E造型技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的畫圖、讀圖能力得到明顯提高，并為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Pro/E簡單方便的操作，靈活的裝配、拆卸過程，大大加深了學(xué)生對裝配體的理解，加強(qiáng)了單位空間的概念，更主要的是培養(yǎng)學(xué)生有工程設(shè)計(jì)的意識(shí)，以適應(yīng)社會(huì)、科技和知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代對高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需要。

Pro/E三維參數(shù)化造型軟件提供了強(qiáng)大的參數(shù)化特征造型功能，尺寸驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)了相同類型不同系列模型的生成，基于其族表技術(shù)提出的建立參數(shù)化模型庫的方法無需編程，工作量小。

借助Pro/E虛擬模型的幫助，可以將課程中一些重點(diǎn)問題如：截交體、相貫體、組合體、剖視圖等內(nèi)容清晰、生動(dòng)、形象地展示在學(xué)生面前，使難點(diǎn)變得容易理解。從而增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，增加了所獲得的信息量。同時(shí)，學(xué)生可以通過網(wǎng)上瀏覽，進(jìn)行自主性的學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，在提高自學(xué)能力的同時(shí)開闊了解題思路，同時(shí)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(shí)踐性很強(qiáng)的課程。

[1]楊光.突出“設(shè)計(jì)”和“三維”觀點(diǎn)改革工程圖學(xué)教學(xué)[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2002（2）.

[2]龍芋宏.機(jī)械制圖的教學(xué)改革思考[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（6）.

[3] 張萌克.機(jī)械制圖[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007（10）：72-74.

[4]張向華.機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)模型庫的研究與開發(fā)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（3）.

TP391

A

1673-8535(2010)03-0057-05

段家現(xiàn)（1980-），男，梧州學(xué)院助教，碩士，研究方向：CAD/CAM/CAE、先進(jìn)制造技術(shù)。

黃燕鈞（1965－），男，廣東人，梧州學(xué)院副教授，高級工程師，研究方向：機(jī)械。

（責(zé)任編輯：鐘世華）

2010-01-25

梧州學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目（wyjg2008A007）