對(duì)虛擬模型尺寸測量方法的探索

王成剛， 趙奇平， 游險(xiǎn)峰

（武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430070）

模型測繪是在分析模型結(jié)構(gòu)、形狀的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用工程圖學(xué)的知識(shí)，繪制出模型圖樣（草圖），并標(biāo)注出尺寸等內(nèi)容的實(shí)踐過程，它是學(xué)習(xí)“工程圖學(xué)”課程的重要內(nèi)容，也是培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用工程圖學(xué)知識(shí)、提高動(dòng)手能力的重要手段。

通常，模型測繪包括兩大重要內(nèi)容，其一為繪制反映模型結(jié)構(gòu)、形狀的圖形；另一重要內(nèi)容便是尺寸測量及標(biāo)注。對(duì)于實(shí)物模型而言，尺寸的測量可通過測量工具，如直尺、游標(biāo)卡尺等進(jìn)行，對(duì)于虛擬模型如何實(shí)現(xiàn)尺寸測量呢？近年來，隨著三維建模軟件及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，三維虛擬模型在教學(xué)中的應(yīng)用已十分廣泛。然而，要實(shí)現(xiàn)采用虛擬模型替代實(shí)物模型進(jìn)行模型測繪實(shí)踐的訓(xùn)練，目前尚未見到較理想的途徑。如邱龍輝等[1-2]發(fā)表的“基于VRML的虛擬模型尺寸測量方法研究”一文，給出了基于VRML虛擬模型庫，使用EAI接口，并使用文本編輯添加節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行“虛擬模型尺寸測量”，該文對(duì)虛擬模型的尺寸測量進(jìn)行有益探索，并取得了一定的成果。但該方法需要對(duì)每個(gè)模型采用VRML編程來編輯添加節(jié)點(diǎn)[3-5]，這不僅是一份繁瑣編程工作，而且需要將模型各測量點(diǎn)都預(yù)設(shè)好。在進(jìn)行尺寸測量時(shí)，又必須按照事先預(yù)設(shè)的測量點(diǎn)進(jìn)行“測量”，且尺寸不能直觀地顯示出來，而是在圖形下方的參數(shù)中顯示，故難以達(dá)到自主測量的實(shí)踐體驗(yàn)。

經(jīng)過對(duì)SolidWorks軟件建模、標(biāo)注及eDrawings三維模型動(dòng)態(tài)瀏覽器的分析、研究[6]，在充分利用eDrawings瀏覽器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維模型交互式觀察的基礎(chǔ)上，充分利用SolidWorks軟件的標(biāo)注功能和eDrawings瀏覽器的注釋功能、測量功能等，初步解決了虛擬模型尺寸測量的問題。其測量模式、實(shí)現(xiàn)方法和教學(xué)實(shí)踐分述如下。

1 模型測繪中尺寸測量的三種模式

在傳統(tǒng)的實(shí)物模型測繪教學(xué)實(shí)踐中，首先需要準(zhǔn)備足夠的實(shí)物模型和量具，使得教學(xué)準(zhǔn)備工作繁重，且要有大量的測繪模型儲(chǔ)備，需購買大量模型、量具及測繪場所。加之“工程圖學(xué)”學(xué)時(shí)減少，導(dǎo)致模型測繪教學(xué)難以開展或很少開展。而極為有限的模型測繪實(shí)踐教學(xué)，又往往因?yàn)閷W(xué)生的層次不同、理解能力不同和測繪速度的不同，致使測繪指導(dǎo)任務(wù)繁重，收效不明顯。究其原因主要是因?yàn)槟Ｐ蜏y繪為實(shí)踐教學(xué)，其性質(zhì)為個(gè)性化教學(xué)范疇，故很難通過統(tǒng)一的講課達(dá)到目的。因此，必須要探尋個(gè)性化的教學(xué)方式和教學(xué)手段。顯然，計(jì)算機(jī)虛擬模型測繪是個(gè)性化教學(xué)的有效手段，它不需要實(shí)體模型、量具的準(zhǔn)備，也不需要進(jìn)度的統(tǒng)一，還可根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度的不同預(yù)設(shè)不同的測繪難度及相應(yīng)幫助，使學(xué)生能夠自主地、循序漸進(jìn)地掌握模型測繪相關(guān)知識(shí)和技能，獲得應(yīng)有的實(shí)踐訓(xùn)練[7-8]。

為此，將模型測繪分為3個(gè)階段加以安排。第一階段，將測繪的主要目標(biāo)定在認(rèn)知模型、分析模型的構(gòu)成方式及結(jié)構(gòu)、形狀上，其測繪內(nèi)容以畫投影圖為主，測量及尺寸標(biāo)注為輔；第二階段，將測繪的主要目標(biāo)定在分析模型的構(gòu)成方式、功能及結(jié)構(gòu)、形狀上，其測繪內(nèi)容以畫圖和尺寸測量及標(biāo)注并重；第三階段，將虛擬模型測繪向?qū)嵨锬Ｐ蜏y繪過渡，學(xué)生需要自主地進(jìn)行繪圖和尺寸測量，從而達(dá)到實(shí)物模型測繪的實(shí)踐體驗(yàn)。這就需要對(duì)虛擬模型及其尺寸測量也進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。根據(jù)模型測繪不同層次、不同內(nèi)容和不同要求，將虛擬模型的尺寸測量分為3種模式：分步式、直接式和自主式。

分步式：根據(jù)模型特征，預(yù)先將模型的尺寸分步驟地在模型上標(biāo)注出來，測量時(shí)引導(dǎo)學(xué)生逐一展開，進(jìn)行尺寸的分步標(biāo)注。該方式主要針對(duì)教學(xué)分析和測繪的初學(xué)者，使模型測繪的尺寸標(biāo)注方便、正確，從而培養(yǎng)學(xué)生掌握正確的尺寸標(biāo)注方法和步驟。

直接式：將模型的尺寸部分或全部標(biāo)注在虛擬三維模型上，所見即所得，減輕模型尺寸測量的難度，提高模型測繪效率。但需要學(xué)生自己去組織尺寸標(biāo)注的方法及步驟，從而加深對(duì)尺寸標(biāo)注的訓(xùn)練。

自主式：完全由測繪者自主地在虛擬模型上進(jìn)行測量，從而獲得模型的尺寸。該方法能達(dá)到自主測量的實(shí)踐體驗(yàn)，與實(shí)物模型的測繪過程類似，從而以虛擬模型替代實(shí)物模型實(shí)現(xiàn)模型測繪實(shí)踐訓(xùn)練。

2 虛擬模型尺寸測量的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 分步式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)

（1）通過SolidWorks軟件進(jìn)行準(zhǔn)確的三維建模，并設(shè)置好模型的材料和表面顏色，使虛擬模型與實(shí)物模型在外形及質(zhì)感上相吻合。

（2）將SolidWorks軟件創(chuàng)建的三維建模經(jīng)過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開該三維模型。

（3）運(yùn)用eDrawings瀏覽器中的“標(biāo)注”功能，進(jìn)行虛擬模型尺寸的分類標(biāo)注，可根據(jù)物體特征分別標(biāo)注出“長向”尺寸、“寬向”尺寸、“高向”尺寸和“圓及圓弧”尺寸等。將模型及標(biāo)注存盤后，即獲得擁有分類尺寸的虛擬模型，如圖1所示。

進(jìn)行虛擬模型的測繪時(shí)，只需要重新在eDrawings瀏覽器中將虛擬模型打開，運(yùn)用eDrawings瀏覽器的虛擬模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)瀏覽功能，便可分析、觀察虛擬模型的內(nèi)外結(jié)構(gòu)及形狀，從而繪制出模型的草圖，再逐一打開該模型“標(biāo)注”的各類尺寸，并逐一標(biāo)注，便可獲得該模型正確而完整的尺寸。

圖 1 分步式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)（顯示高度尺寸）

顯然，此種虛擬測繪模型非常適合于教學(xué)和初學(xué)者的測繪。由于尺寸已經(jīng)分類標(biāo)注在了虛擬模型上，在進(jìn)行模型尺寸標(biāo)注時(shí)，可直接根據(jù)標(biāo)注的尺寸進(jìn)行尺寸的分步標(biāo)注，這樣將使學(xué)生在潛移默化的測繪中，學(xué)習(xí)到正確的尺寸標(biāo)注方法和標(biāo)注順序，從而降低模型測繪的難度，提高學(xué)生進(jìn)行模型測繪的興趣，并可方便地安排學(xué)生大量的模型測繪。從而實(shí)現(xiàn)“在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中實(shí)踐”的“工程圖學(xué)”教學(xué)方式。

2.2 直接式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)

（1）通過SolidWorks軟件進(jìn)行準(zhǔn)確地三維建模，并設(shè)置好模型的材料和表面顏色，使虛擬模型與實(shí)物模型在外形及質(zhì)感上相吻合。

（2）在SolidWorks軟件中，運(yùn)用【DimXpert】功能直接在三維虛擬模型上標(biāo)注尺寸及技術(shù)要求，使三維模型與尺寸結(jié)合在一個(gè)文件中。

（3）將SolidWorks軟件創(chuàng)建的帶有尺寸的三維建模經(jīng)過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開同時(shí)擁有尺寸的三維模型。如圖2所示。

圖 2 直接式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行模型測繪時(shí)，只需將虛擬模型在eDrawings瀏覽器中打開，便可同時(shí)繪制模型草圖和進(jìn)行尺寸標(biāo)注。

顯然，此種虛擬測繪模型也適合于教學(xué)和初學(xué)者的測繪。由于尺寸已經(jīng)全部標(biāo)注在了虛擬模型上，在進(jìn)行模型尺寸標(biāo)注時(shí)，需要測繪者去組織尺寸標(biāo)注的先后順序和位置，因此，使尺寸標(biāo)注的難度有所增加，可使學(xué)生得到循序漸進(jìn)的模型測繪訓(xùn)練。

由于模型與尺寸已經(jīng)全部展現(xiàn)出來，測繪時(shí)不需要測繪工具，使學(xué)生在繪圖的同時(shí)便可標(biāo)注尺寸，甚至可以直接繪制儀器圖或進(jìn)行計(jì)算機(jī)繪圖、建模等，故提高了教學(xué)和測繪訓(xùn)練的效率。該種模型的尺寸標(biāo)注規(guī)范，還可進(jìn)行尺寸公差、形位公差的標(biāo)注，因而非常適合于機(jī)械零部件的測繪教學(xué)和測繪訓(xùn)練。

2.3 自主式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)

（1）仍然通過SolidWorks軟件進(jìn)行準(zhǔn)確地三維建模，并設(shè)置好模型的材料和表面顏色等。

（2）將SolidWorks軟件創(chuàng)建的三維建模經(jīng)過SolidWorks軟件的【文件】/【出版到eDrawings（B）】，則在eDrawings瀏覽器中打開該三維模型，保存為eDrawings文件，便可獲得擁有自主式尺寸測量的虛擬模型。

（3）在進(jìn)行虛擬模型的測繪時(shí)，只需要在eDrawings瀏覽器中將虛擬模型打開，直接運(yùn)用eDrawings瀏覽器中的“測量”功能，并配合選擇相應(yīng)的過濾器（包括：選擇面，選擇邊線，選擇頂點(diǎn)等），便可自主地進(jìn)行虛擬模型尺寸的測量，它與實(shí)物模型的測量過程幾乎完全一致，只是將實(shí)物的測量工具改成了在計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)操作。

如測量孔徑，只需要用光標(biāo)直接選擇圓孔即可，如圖3(a)所示；測量兩孔的中心距，則用光標(biāo)依次選擇兩圓孔，如圖3(b)所示；測量上表面與下表面的距離，可用光標(biāo)分別選擇上表面和下表面，則在測量結(jié)果顯示窗中顯示出上、下表面的距離；也可分別選擇上表面的孔和下表面的孔，則在圖中直接顯示出兩孔中心距、水平距離和垂直距離，如圖3(c)所示。

顯然，此種虛擬測繪模型的測繪需要對(duì)eDrawings瀏覽器有所熟悉，且要有一定的模型尺寸測量經(jīng)驗(yàn)才能很好地運(yùn)用。正如實(shí)體模型測繪一樣，如果學(xué)生沒有一定的基礎(chǔ)和技能，要達(dá)到正確、完整的模型測繪和尺寸標(biāo)注是有一定的困難的。這也正是若干年來，在工程圖學(xué)的教學(xué)中，未能全面而廣泛地開展模型測繪訓(xùn)練的原因之一。

圖 3 自主式尺寸測量方法的實(shí)現(xiàn)

3 虛擬模型測繪在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 分步式尺寸測量方法的應(yīng)用

在進(jìn)行基本立體及組合體投影的教學(xué)中，運(yùn)用分步式尺寸測量方法的虛擬模型，讓學(xué)生充分了解立體的結(jié)構(gòu)、形狀后，分步標(biāo)注出模型的尺寸，從而使學(xué)生在快速掌握基本立體投影圖的繪制方法的同時(shí)，也掌握了基本立體尺寸標(biāo)注的方法。測繪實(shí)例如圖4所示。

圖4 分步式尺寸測量方法的應(yīng)用實(shí)例

3.2 直接式尺寸測量方法的應(yīng)用

在進(jìn)行組合體的教學(xué)中，運(yùn)用直接式尺寸測量方法的虛擬模型，讓學(xué)生了解組合體的結(jié)構(gòu)及形狀后，繪制出組合體的草圖，并標(biāo)注出模型的尺寸，再根據(jù)草圖，在計(jì)算機(jī)上繪制組合體投影圖，并標(biāo)注尺寸。該測繪的重點(diǎn)在于分析組合體的結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)正確的尺寸基準(zhǔn)選擇方法和正確的尺寸標(biāo)注方法。由于尺寸已經(jīng)在虛擬模型上顯示出來，可大大節(jié)省測繪時(shí)間，使測繪的教學(xué)安排更方便，效率更高。

測繪實(shí)例如圖5所示。

圖 5 直接式尺寸測量方法的應(yīng)用實(shí)例

圖 6 自主式尺寸測量方法的應(yīng)用

3.3 自主式尺寸測量方法的應(yīng)用

在進(jìn)行了多次模型測繪之后，學(xué)生已基本掌握了模型測繪及尺寸標(biāo)注的基本方法，這時(shí)，便可安排自主式尺寸測量方法的虛擬模型測繪了。學(xué)生必須首先用目測比例繪制出模型草圖，并標(biāo)注出尺寸界線和尺寸線，再在eDrawings瀏覽器上選用相應(yīng)的尺寸測量過濾器，按標(biāo)注尺寸的位置進(jìn)行測量，并記錄相應(yīng)的尺寸數(shù)值。

測繪實(shí)例如圖6所示。

3.4 在教學(xué)中應(yīng)用效果的分析

上述虛擬模型測繪的方法，在所教的2012級(jí)兩個(gè)教學(xué)班中進(jìn)行了對(duì)比研究。第一次測繪兩個(gè)班均采用實(shí)物模型（與圖4相同的實(shí)物模型）；第二次為組合體模型測繪，甲班采用圖5所示虛擬模型，而乙班采用相同實(shí)物模型；第三次為零件模型測繪，甲班采用圖6所示虛擬模型，而乙班采用相同實(shí)物模型。要求均為在A3圖紙上畫出草圖，并標(biāo)注尺寸。結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 組合體模型測繪

從表1可見，第一次實(shí)物模型測繪，兩個(gè)班進(jìn)度及得優(yōu)人數(shù)大致相同；而第二次差別已非常明顯，特別是在測繪的進(jìn)度上；第三次差距繼續(xù)增大，測繪進(jìn)度及得優(yōu)人數(shù)均出現(xiàn)非常明顯的差距。因?yàn)椴捎锰摂M模型，學(xué)生可以更多地得到訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。

4 結(jié) 論

經(jīng)過多次的虛擬模型測繪實(shí)踐和實(shí)物模型測繪實(shí)踐的對(duì)比，可以認(rèn)為，虛擬模型測繪是方便而高效的，在很大程度上，可實(shí)現(xiàn)替代實(shí)物模型進(jìn)行測繪的實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。該方法對(duì)加強(qiáng)培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生的模型測繪實(shí)踐能力、動(dòng)手能力提供了切實(shí)可行的方法和途徑，可為后續(xù)的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。值得一提的是，無論虛擬模型多么方便，仿真度多么高超，要達(dá)到培養(yǎng)、訓(xùn)練學(xué)生工程實(shí)踐能力的目的，實(shí)物模型的測繪仍然是不可完全被替代的。正如虛擬駕駛訓(xùn)練不能替代駕駛員上路駕駛訓(xùn)練一樣，工程能力的訓(xùn)練，也必須通過工程實(shí)踐才能達(dá)到！

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