基于MBD技術(shù)機(jī)械類(lèi)三維教學(xué)資源制作及應(yīng)用*

陳　榮，張　玄

(1.陜西廣播電視大學(xué) 學(xué)分銀行建設(shè)組，陜西　西安　710119；2.陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，陜西　西安　710119.)

【理工園地】

基于MBD技術(shù)機(jī)械類(lèi)三維教學(xué)資源制作及應(yīng)用*

陳榮1，張玄2

(1.陜西廣播電視大學(xué) 學(xué)分銀行建設(shè)組，陜西西安710119；2.陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，陜西西安710119.)

[摘要]通過(guò)分析MBD技術(shù)的特點(diǎn)，探討了MBD技術(shù)在教學(xué)資源制作中的應(yīng)用，給出了基于MBD技術(shù)機(jī)械類(lèi)三維教學(xué)資源制作方法。通過(guò)這種方法制作的資源彌補(bǔ)了傳統(tǒng)資源表現(xiàn)力不足、互動(dòng)性差，使用不方便等問(wèn)題，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率及質(zhì)量。[關(guān)鍵詞] MBD；機(jī)械；教學(xué)資源;

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域深入應(yīng)用，在現(xiàn)代制造企業(yè)中為了縮短生產(chǎn)周期、提高質(zhì)量、降低成本，提高企業(yè)的市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，正在關(guān)注并大力推進(jìn)第三代工程語(yǔ)言—MBD技術(shù)的發(fā)展。用三維MBD模型代替二維工程圖已經(jīng)成為機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。在教育領(lǐng)域自覺(jué)適應(yīng)這一趨勢(shì)，在工程信息傳遞手段上向企業(yè)靠攏，不但能提高教學(xué)效果、增加學(xué)生就業(yè)適應(yīng)性，而且對(duì)于學(xué)校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)質(zhì)量的提升都具有重要意義。筆者結(jié)合機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)談?wù)凪BD技術(shù)在教學(xué)資源制作中的應(yīng)用。

1.何謂MBD

圖1　MBD模型組成

MBD(Model Based Definition)，即基于模型的定義，有時(shí)也被稱(chēng)為數(shù)字產(chǎn)品定義，是一種面向計(jì)算機(jī)應(yīng)用的產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)，也是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程數(shù)字化、無(wú)紙化的基礎(chǔ)技術(shù)。MBD零件模型一般由設(shè)計(jì)模型、三維注釋以及屬性構(gòu)成，如圖1所示。產(chǎn)品幾何形狀信息用三維圖形的方式來(lái)描述(設(shè)計(jì)模型)。三維注釋和屬性等包含在非幾何信息中。產(chǎn)品的尺寸與公差、幾何公差、表面粗糙度要求等約束信息用三維注釋來(lái)表達(dá)，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明、零件說(shuō)明、標(biāo)注說(shuō)明、原材料規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求等產(chǎn)品內(nèi)置信息則通過(guò)屬性表達(dá)。MBD裝配模型則是由一系列MBD零件模型組成的裝配零件加上以文字表達(dá)的非幾何信息(包括配合公差、BOM表、裝配要求等)組成。

由上可見(jiàn)MBD是一種三維 “所見(jiàn)即所得”的數(shù)字化定義技術(shù)，MBD模型不但包含幾何設(shè)計(jì)信息而且包含工藝、制造、管理信息，是一個(gè)3D數(shù)字化全信息模型。在工程信息傳遞中使用人員直接從三維模型中直觀地讀取設(shè)計(jì)信息，這種三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方式大大減少了設(shè)計(jì)、工藝、制造人員理解偏差導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性。

2.MBD技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)資源中的特點(diǎn)

目前高校中機(jī)械專(zhuān)業(yè)的數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)已取得一定成效，但這類(lèi)資源本質(zhì)上還是二維方式(工程圖、圖片、視頻)，在知識(shí)傳遞上存在不直觀、不系統(tǒng)、使用不方便等缺點(diǎn)。而MBD技術(shù)則通過(guò)三維信息實(shí)現(xiàn)全面工程信息的傳遞，將其應(yīng)用于教學(xué)資源制作不但有利于消除信息孤島現(xiàn)象而且會(huì)推進(jìn)數(shù)字化資源更加深入應(yīng)用，其具體特點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：

1.快速全面的結(jié)構(gòu)展示。MBD技術(shù)是基于三維模型的，在教學(xué)中可以通過(guò)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、測(cè)量、動(dòng)態(tài)剖面及其他 3D工具在 3D 中研究模型，表現(xiàn)效果更為直觀、逼真，具有很強(qiáng)的交互性。

2. 全面、專(zhuān)業(yè)信息傳遞。使用MBD技術(shù)不但可以簡(jiǎn)單快捷地全方位三維展示零部件結(jié)構(gòu)，而且可以在三維模型上設(shè)定PMI(產(chǎn)品和制造信息)數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品模型、尺寸、形位公差、表面粗糙度、焊接符號(hào)、材料明細(xì)表 (BOM)、標(biāo)注、表格、注釋、屬性以及其他注解。這樣學(xué)生面對(duì)的不光是一個(gè)三維幾何模型，設(shè)計(jì)制造信息的加入使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)象的理解更加全面，知識(shí)系統(tǒng)性更強(qiáng)，有利于提高專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和接受。

3.增強(qiáng)吸引力。MBD模型可以附加材質(zhì)提供實(shí)物般感覺(jué)，加上良好的互動(dòng)性，使得整個(gè)教學(xué)和展示過(guò)程中的交流變得直觀、形象，將大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性，有效地提高學(xué)生參與的程度和深度。

4.實(shí)例豐富，制作成本低。由于三維建模技術(shù)的逐漸成熟，現(xiàn)在三維實(shí)體造型、裝配非常方便，在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中教師也積累有大量的實(shí)例素材，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上一些專(zhuān)業(yè)網(wǎng)站和企業(yè)網(wǎng)站也提供有大量的免費(fèi)產(chǎn)品三維模型可供下載。選擇合適的模型，采用MBD技術(shù)，教師就可以直接在三維環(huán)境下制作資源，縮短教學(xué)資源制作周期、提高現(xiàn)有資源利用率。相信隨著這種數(shù)字化資源的深入使用在教學(xué)中我們就可以逐步脫離實(shí)物模型，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化教學(xué)。

5.有利于資源整合，便于使用?；贛BD模型可以發(fā)布為3D PDF文件，這種文件使用、編輯方便，相關(guān)的多媒體素材(圖片、音、視頻文件)也可以整合在一個(gè)文件中，表達(dá)方式豐富。在使用上，可以脫離了龐大的3D設(shè)計(jì)軟件環(huán)境，在電腦或移動(dòng)設(shè)備上通過(guò)多種免費(fèi)工具(如 Adobe? Reader)就可以查看、學(xué)習(xí)。還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將課件和模型發(fā)布到校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，供學(xué)生隨時(shí)在線(xiàn)學(xué)習(xí)和下載，從而解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一系列時(shí)間和地域上的限制。

3.基于MBD技術(shù)在機(jī)械教學(xué)資源的制作

目前主流的三維CAD系統(tǒng)都支持MBD部分功能，如NX、CATIA、solidworks、PTC，國(guó)產(chǎn)的CAXA等。上述三維CAD軟件在行業(yè)和高校具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，下面以Solidworks軟件為例，介紹MBD技術(shù)在教學(xué)資源制作中的應(yīng)用。

制作流程如圖2所示。

1.三維建模；根據(jù)教學(xué)需要利用三維軟件完成產(chǎn)品或零部件造型和建模，或者利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源下載零部件三維模型。建模完成后進(jìn)行材料等屬性定義、外觀定義。

2.標(biāo)注信息；標(biāo)注信息是指在三維模型上進(jìn)行3D數(shù)據(jù)的定義。利用SOLIDWORKS的DimXpert和智能尺寸在設(shè)計(jì)完成的3D模型中進(jìn)行標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)3D信息的標(biāo)注和定義?？梢詷?biāo)注尺寸、形位公差，基準(zhǔn)、注釋、粗糙度等。使用智能尺寸作3D標(biāo)注時(shí)，其標(biāo)注方式和2D圖紙的應(yīng)用方式相同，故在學(xué)習(xí)和應(yīng)用上易學(xué)易用。

圖2　制作流程　　　　　　　　　　圖3　SOLIDWORKS 3D標(biāo)注結(jié)果

3. 組織排版；使用SOLIDWORKS標(biāo)注的出來(lái)的3D標(biāo)注信息在不同的平面上，不方便查看。為了使3D信息清楚、明確，我們需要?jiǎng)?chuàng)建不同的注解視圖，在相應(yīng)的視圖上放上適合表達(dá)的3D信息。也就是在某一具體的注解視圖上進(jìn)行3D標(biāo)注信息的排版和組織。在SOLIDWORKS MBD進(jìn)行組織和排版步驟如下：

(1)首先創(chuàng)建、定義各個(gè)注解視圖，比如注解視圖1、注解視圖2、注解視圖3(可自定義命名)等。右鍵點(diǎn)擊注解文件-插入注解視圖-選擇所需要的視圖方向可進(jìn)行注解視圖創(chuàng)建和定義。

(2)雙擊創(chuàng)建后的注解視圖中或右鍵進(jìn)行激活和重新定向。

(3)定義尺寸或形位公差等的注解視圖方向。選擇要在某注解視圖顯示的尺寸和形位公差等，可按Ctrl進(jìn)行多選。確認(rèn)后完成尺寸和形位公差等視圖方向定義。同樣以此方法完成其它視圖尺寸的組織和排版。

圖4　SOLIDWORKS 3D標(biāo)注結(jié)果　　　　　　圖5　注解視圖方向定義

(4)視圖捕捉記錄

使用SOLIDWORKS MBD的3D視圖將排版和組織好的尺寸和形位公差等信息進(jìn)行捕捉記錄。將注解視圖定向后點(diǎn)擊捕獲3D視圖，將創(chuàng)建一個(gè)視圖信息。

對(duì)于教學(xué)資源在這一步應(yīng)該根據(jù)教學(xué)過(guò)程考慮安排合適的視圖和表達(dá)內(nèi)容，使信息讀取明確，易于理解。

4.模板定制；SOLIDWORKS MBD 提供了一套包括零件、裝配體等全面的預(yù)定義模板可以直接使用。同時(shí)我們還可以利用SOLIDWORKS MBD的PDF模版編輯器方便地自定義輸出3D PDF模版。在PDF模板編輯器中可以調(diào)整、構(gòu)建頁(yè)面布局，放置 3D 視口和縮略圖，插入學(xué)校LOGO，編輯文字說(shuō)明，內(nèi)嵌元屬性鏈接和添加表格等。其中可通過(guò)背景插入工程圖紙的背景圖像，支持圖像格式(JPEG、PNG、TIFF、BMP等)，材料明細(xì)表可鏈接SOLIDWORKS的BOM表，文字支持文字段、自定義屬性、PDF文字段等。

5.輸出至3D PDF；點(diǎn)擊出版到3D PDF圖標(biāo)，選擇已定義好的模板，選擇輸出的視圖，然后編輯自定義屬性文本就可以生成3D PDF文件。圖7為生成的PDF文件。

圖6　3D視圖捕捉　　　　　　　　　　　　　圖7　3D PDF文件

6.文件整合；我們可以利用Adobe?Acrobat?對(duì)同一課程或者章節(jié)的3D PDF文件進(jìn)行合并，加入其它教師講解的多媒體素材或者背景音樂(lè)(音、視頻文件)，這樣表達(dá)方式更豐富，更具表現(xiàn)力和吸引力。

4.結(jié)語(yǔ)

MBD技術(shù)將抽象分散的知識(shí)更加形象和集中，使三維模型完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令，被譽(yù)為第三代工程語(yǔ)言。在專(zhuān)業(yè)教學(xué)領(lǐng)域積極探索、制作、應(yīng)用這種技術(shù)必將大大改善了輔助教學(xué)環(huán)境，減少教學(xué)資源的投入，提高教師的工作效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 潘康華，陸江峰，邵蘭英. MBD技術(shù)的發(fā)展歷程與展望[J]. 機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2013(2) :77-79.

[2] 寧俊義，楊曉飛. MBD模式下工程信息的表達(dá)與傳遞[J]. 航空制造技術(shù)，2012(6):77-79.

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[4] 劉佳. 三維虛擬仿真技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013(21)：1.

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[責(zé)任編輯張宇龍]

Making and Application of 3D Teaching Resources in Mechanical Class Based on MBD Technology

Chen Rong，Zhang Xuan

(Shaanxi Radio &TV University Credit Bank Construction Group， Shaanxi， Xi'an 710119)

Abstract：Through the analysis of the characteristics of MBD technology， discusses the MBD technology in the application of Teaching resource making， given the method of making mechanical 3D teaching resources based on MBD technology. By the method of resources to make up for the traditional resource capacity， poor interaction， the problem is not convenient to use， help to improve the students' learning interest， learning efficiency and quality.

Key words：MBD; Mechanical; Teaching resources;

[收稿日期]2016-03-18

[作者簡(jiǎn)介]陳榮(1973—)，陜西戶(hù)縣人，研究生學(xué)歷，工學(xué)碩士，陜西廣播電視大學(xué) 學(xué)分銀行建設(shè)組 副教授。張玄(1976—)，河南省西平縣人，文學(xué)碩士，陜西廣播電視大學(xué)資源建設(shè)與現(xiàn)代教育技術(shù)中心副教授。

*基金項(xiàng)目：陜西廣播電視大學(xué)2014-2015年教學(xué)改革研究課題——“基于Web3D技術(shù)遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)研究”(編號(hào)15DJ-B01)；

[中圖分類(lèi)號(hào)]TH126

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1008-4649(2016)02-0093-04