淺析機(jī)械制圖虛擬模型庫的建立

林 希

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

機(jī)械制圖是機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)課。為了培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，并掌握一定的畫圖和讀圖技能，在課堂教學(xué)中使用大量的模型是必需的。教學(xué)模型的使用可以幫助學(xué)生完成二維平面與三維立體的相互轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)模型的某些弊端造成其使用的極大不便，如攜帶不便、需要專人管理、模型數(shù)量有限、造型固定不易改變等。為了克服傳統(tǒng)教學(xué)模型的缺點，可以利用三維建模設(shè)計軟件創(chuàng)建虛擬動態(tài)模型庫。虛擬動態(tài)模型庫的建立為多媒體教學(xué)創(chuàng)造了條件并提供了支持。

一、基于三維建模軟件的虛擬動態(tài)模型庫開發(fā)

(一)模型庫總體制作

進(jìn)行虛擬動態(tài)模型庫的開發(fā)首先根據(jù)機(jī)械制圖課程的教學(xué)要求對其內(nèi)容進(jìn)行歸納、總結(jié)和綜合，然后根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行教學(xué)模型和動畫的制作，最后進(jìn)行整理并制作成網(wǎng)頁。在開發(fā)過程中可將教學(xué)模型分為五大類，基本體、組合體、剖視、典型零件及裝配體，如圖1 所示。

(二)三維模型建模

為了更快捷、更方便地創(chuàng)建各種復(fù)雜形狀的實體，可以利用三維建模軟件進(jìn)行三維實體造型。首先通過建模工具的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等進(jìn)行實體建模，然后利用實體編輯工具抽殼、筋、孔、分割等進(jìn)行實體編輯，最后用修改工具鏡像、陣列等進(jìn)行修改。三維建模主要包括基本體的建模、組合體的建模、切割實體和零件的建模。建模完成后還可以根據(jù)設(shè)計者的意圖給模型賦予所需的材質(zhì)和顏色。

圖1 模型庫分類

(三)二維視圖表達(dá)庫的建立

在三維建模軟件系統(tǒng)中，三維模型和二維視圖具有相關(guān)性。根據(jù)三維實體模型可以自動生成基本視圖、斜視圖及各種剖視圖等圖樣的工程圖紙，并可以在二維視圖中標(biāo)注尺寸及技術(shù)要求。因為二維視圖和三維模型之間存在這種關(guān)聯(lián)性，所以模型的形狀和尺寸更容易被編輯，如果在設(shè)計過程中更改三維模型的尺寸，二維視圖將會自動更新。所以，創(chuàng)建了大量的虛擬模型后，可以輕松、快速地生成相對應(yīng)的工程圖庫。

二、三維建模軟件技術(shù)探討

隨著CAD/CAPP/CAM/PDM 技術(shù)的日益普及，制造業(yè)發(fā)展方向?qū)⑹怯嬎銠C(jī)三維設(shè)計的天下。常用的機(jī)械三維設(shè)計軟件有Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA、Inventor 等。這些常用的三維造型軟件雖然在桌面元素的安排上略有差異、操作方法及某些功能上稍有不同，但在總的設(shè)計思路上基本相同，實現(xiàn)造型的方法也是大同小異。采用哪種CAD 三維軟件對于一般的產(chǎn)品模型設(shè)計而言并不重要，重要的是掌握正確的建模思路、技巧和方法。

計算機(jī)三維建模是利用計算機(jī)實現(xiàn)個人的設(shè)計意圖，通過操作界面元素的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)三維模型的建立。目前三維軟件的學(xué)習(xí)只是對計算機(jī)界面操作的認(rèn)識和實例的模仿，而忽略了識讀圖和空間思維的能力?？臻g建模思維能力是指導(dǎo)3D 建模的關(guān)鍵，因此在教學(xué)中我們應(yīng)加強(qiáng)空間建模思維能力的系統(tǒng)訓(xùn)練，才能從容應(yīng)對不同軟件的學(xué)習(xí)。

(一)三維構(gòu)型理論

三維建模主要采用的是構(gòu)造實體幾何(ConstructiveSolidGeometry—CSG)及形體幾何特征等圖學(xué)理論。CSG 可以把復(fù)雜的型體看成是由簡單的基本體組合而成，在工程制圖中我們把他稱為形體分析法，把物體分解成若干基本體然后采用疊加、切割或綜合等方式來實現(xiàn)組合。這種形體分析法的思維模式是全三維的。

(二)基本體建模

計算機(jī)實體建模是幾何特征的集合，處理方式是對基本體進(jìn)行模塊化分解。分解原則為:從反映形體主要特征的明顯程度和占總體積的大小及其主要功能等方面進(jìn)行劃分。一般可分為兩種類型模塊:疊加型基本體模塊、切割型基本體模塊，若有必要可在每個模塊內(nèi)再進(jìn)行細(xì)分。

(三)建模順序

建模順序應(yīng)遵循先大后小，先下后上，先外后內(nèi)，先實后虛，先“并”、“交”后“差”等構(gòu)形原則。一個零件是由多個基本體組成，建模時應(yīng)從最大的、最外層或最下面的基本體入手，因為這個基本體上往往具有零件的基準(zhǔn)面，是構(gòu)成零件的基準(zhǔn)體。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)如開槽或打孔等切割特征，應(yīng)在所有的基本體疊加建立完成后通過差集運(yùn)算依此減去組合體模塊內(nèi)的各個基本體。在創(chuàng)建基本特征時可對其進(jìn)行陣列或鏡像等特征的操作。

三、基于SolidWorks 的閥體零件三維設(shè)計實踐

(一)形體分析

分解出各基本體(底板帶四個孔、圓筒、凸臺、立板)，如圖 2。

圖2 閥體

(二)建模步驟

(1)首先繪制如圖3 所示的圖形。選擇【拉伸】按鈕，參數(shù)設(shè)置10，這樣就可以得到底板。

圖3 閥體的草圖1

(2)選擇零件的上表面，單擊【草圖繪制】按鈕，在控制區(qū)單擊上視，然后單擊【正視于】按鈕，選擇【圓】命令，繪制圓，選擇【智能尺寸】命令標(biāo)注尺寸￠30。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置45，如圖4 所示。

(3)選擇右視基準(zhǔn)面，先單擊【正視于】，再單擊【草圖繪制】，繪制草圖3，如圖5 所示。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置20，注意確定拉伸的方向。

(4)選擇剛才拉伸的圓柱左上表面，單擊【草圖繪制】，選擇右視基準(zhǔn)面，單擊【正視于】，繪制草圖。單擊控制區(qū)的拉伸前面的加號，出現(xiàn)草圖3，擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中選擇【顯示】選項，過圓心做垂直的中心線，然后做圓和圓弧，可以利用鏡向來做，標(biāo)注尺寸，做直線，然后利用添加幾何關(guān)系按鈕，將直線和圓弧相切;【剪裁】將多余的線段刪除，即可得到圖6 所示的草圖4。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置8。

(5)選擇豎立圓柱上表面，單擊【草圖繪制】，選擇上視基準(zhǔn)面，單擊【正視于】，繪制一個直徑為12mm 的圓，圓心和原點重合，即可得到圖7 所示的草圖5。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置5。

(6)選擇底板的下表面，單擊【草圖繪制】，選擇上視基準(zhǔn)面，單擊【正視于】，繪制一個直徑為20mm的圓，圓心和原點重合，草圖6 如圖8 所示。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置50。

(7)選擇閥體左邊拉伸4 的左表面，單擊【草圖繪制】，選擇右視基準(zhǔn)面，單擊【正視于】，繪制一個直徑為10mm 的圓，圓心和草圖3 圓心重合。選擇【拉伸】命令，參數(shù)設(shè)置如圖9 所示，【終止條件】選擇:成形到一面，【面/平面】選擇:拉伸切除2 的曲面，然后單擊按鈕，即可得到圖2 所示的圖形。

圖4 閥體拉伸特征2

圖5 閥體草圖3

圖6 閥體草圖4

圖7 閥體草圖5

圖8 閥體草圖6

圖9 閥體拉伸切除特征3

四、結(jié)束語

在教學(xué)過程中可以利用模型庫中多樣易變的模型激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可以借助計算機(jī)虛擬模型，幫助學(xué)生理解截交線、相貫線、組合體、剖視圖、零件及裝配體的表達(dá)方法，向?qū)W生清晰、生動、形象地展示重點、難點教學(xué)內(nèi)容。為了能更好地服務(wù)于教學(xué)，還應(yīng)對虛擬模型庫進(jìn)行不斷完善，將實際的零部件的模型補(bǔ)充到虛擬模型庫當(dāng)中。模型庫的建立可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力、空間想象能力、空間思維能力以及自主性學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和工程意識。