移动虚拟工程图学模型库的开发与应用

陈功 孙海波 李艾民 赵啦啦

摘要：基于OBE的人才培养理念，在工程图学课程中充分融入三维数字化、移动互联、虚拟交互等综合信息处理技术，运用Creo Parametric、图纸通等软件技术平台，系统完成了模型库规划、模型构建、模型管理、成员组织、学生管理、学习交流等设计研发工作，实现了移动虚拟工程图学模型库的开发。初步应用实践表明，模型库可有效激发学生的学习兴趣，帮助学生合理利用学习时间和空间，提高学生的学习效率，提升学生的三维空间想象能力和综合创新能力。论文阐述了该项研究中的实践应用部分。

关键词：移动互联;虚拟交互;工程图学;模型库

中图分类号：TP391     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）51-0120-03

本论文的工作是基于“移动虚拟工程图学模型库的开发与应用”教学改革成果的前一篇论文基础上展开的，必要时读者可参阅本刊前面的论文，移动虚拟工程图学模型库的开发与应用——理论方法篇。

一、三维建模与模型处理

（一）三维建模的软件工具

Creo Parametric的前身是号称“震撼业界的机械设计软件和世纪最强大的模局设计软件”Pro/Engineer，由美国PTC（Parametric Technology Corporation，参数技术公司）推出的集成CAD/CAM/CAE于一体的全方位3D产品开发软件，也是目前世界上最为流行的三维软件之一，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车制造、航空航天、家电等各个行业[1]。因Creo Parametric软件平台具有先进的参数化设计、基于特征的实体造型等特点，足以满足工程图学虚拟模型库中三维模型的开发需要，同时Creo Parametric软件所开发的零件及装配模型无须转换，便可直接在“图纸通”移动App中查看与处理，与本文移动模型库的应用无缝对接，因而本文主要使用Creo Parametric软件进行移动虚拟工程图学模型库中三维模型的建立和处理。

（二）三维建模的典型方法

根据模型库中各类模型的规划和特点，模型库中主要模型的建模方法如下。

1.点线面及简单形体。点可以通过基准点、线面求交等方式创建，用小球实体化显示;线可以通过草绘、各类曲线、面面求交等方式创建，通过圆形截面拉伸或扫描实体化显示;面可以通过点、线、拉伸曲面、填充曲面等方式创建，并对面着色显示。简单形体主要通过添加和去除材料的拉伸特征创建。

2.平面立体及截切体。主要通过添加及去除材料的拉伸、混合特征完成。平面立体表面取点线主要通过基准点、基准线、草绘、线在面上的投影、面面求交等方式完成。

3.回转体及截切体、相贯体。主要通过旋转特征完成。回转体表面取点线主要通过基准点、基准曲线、曲线在曲面上的投影、曲面求交等方式完成。

4.组合体、常用机件。综合点线面、平面立体、回转体的创建方法，同时通过孔、筋板等构造特征及特征复制、镜像、阵列等操作，完成组合体、常用机件的创建。通过各類剖截面的创建，可以查看到模型的内部特征，在工程图中可进一步生成各种视图、剖视图、尺寸标注等。

5.典型零件。综合组合体、常用机件的创建方法，还可通过螺旋扫描、变截面扫描、扫描混合、环形折弯等创建弹簧、齿轮及含有复杂曲面的零件。同时通过族表、自定义特征、参数与关系、Pro/Program等实现零件模型的快速派生[1，2]。

6.典型装配体。主要通过Creo Parametric的装配模块、机构运动仿真模块、产品爆炸图编辑生成模块等完成。重点表达装配体或产品内部零部件组成、装配连接关系、工作原理等。

（三）三维模型的后期处理

为了突出截切平面的形状及位置，后期模型处理中将不同截平面赋予不同的颜色;为了突出装配模型中不同零部件之间的装配连接关系，后期模型处理中将不同零件赋予不同材质。颜色、材质的适当处理，一方面可以使学生重点关注到各个点线面、结构特征、典型零件等，另一方面可以提升模型的视觉效果，激发大家的学习热情，提高学习效率。工程图学模型库中典型零部件的创建结果如图1所示。

模型创建处理完成后，系统管理员可以在“图纸通”PC端创建图纸项目、上传图纸模型，并通过微信群、QQ群或发布分享网址等方式分享发布模型共享信息，以便下一环节教师和学生通过“图纸通”PC端或移动端查看这些模型。根据需要，系统管理员也可以很方便地在“图纸通”PC端或移动端删除已经上传的模型，实现对模型库的有效管理。

二、成员组织与学习管理

（一）模型库的成员组织

模型库创建完成并由系统管理员网上发布后，需要使用模型库的师生在Android和IOS系统移动端，通过手机或平板电脑等下载、安装并注册“图纸通”移动App。注册时只需要通过输入手机号、获取验证码，然后填写姓名、院系、班级等基本信息，设置系统登录密码即可完成App注册。移动端App安装注册后，师生需要通过系统管理员发布的项目模型分享信息，申请加入移动虚拟工程图学模型库。系统管理员可以通过手机短信、图纸通App中“我的消息”等渠道及时收到师生们的申请信息，核对信息无误后，审核通过师生的加入申请。系统管理员根据需要，也可以在“项目成员”列表中删除部分或全部项目成员（参与项目的师生），被删除的师生将失去浏览模型库的机会。系统管理员对项目加入申请审核通过后，师生便可以在“图纸通”移动端“我参与的项目”列表中看到模型库中的各类模型，并可查看、分享、批注这些模型。

（二）模型库的学习管理

移动端App的主要交互方式是手势交互，目前手机、平板电脑移动终端几乎都支持多点触摸屏技术，触控屏技术使得用户对于移动产品体验更加丰富。通过分析研究“图纸通”App的移动端的交互方式和交互行为，本文移动模型库中模型查看、模型处理、批注交流等主要功能的交互方式是一种典型的自然交互，Android和IOS端的交互界面、交互方式一致性很高，师生使用时上手快、学习成本低、技术复杂度低、用户体验好，他们几乎不需要或者只需要做很少量的学习培训，便可以将重点集中到模型的查看、学习和处理本身。对于内部结构复杂的零件或装配模型，可以通过模型剖切功能，使原本抽象难懂的模型结构、装配连接关系变得简单、形象、易理解。通过模型的图文批注功能，可以实现师生之间的互动交流，获取模型中值得关注的图文信息，答疑解惑、分享模型使用经验和学习心得。同时系统管理员可以及时收到师生对于模型库使用过程中的问题、建议等，持续对模型库进行改进与优化，以更好地服务于工程图学的教学工作。

使用移动虚拟工程图学模型库时的典型界面及场景如图2所示。

水可载舟，亦可覆舟。利用好移动虚拟工程图学模型库可以使学生直观、灵活地看到模型结构形状，辅助空间思维能力的培养，如果学生在学习和练习过程中过度依赖三维模型，反而会失去空间想象能力的锻炼，则结果有时会适得其反。为了充分发挥移动虚拟工程图学模型库的积极意义、克服消极影响，我们对模型发布时间进行了规划：教材类模型，课前发布，方便同学们预习;课件类模型，老师上课时根据需要进行展示、处理，课后发布，方便同学们复习;习题类模型，学生作业完成并批阅后，进行发布，便于同学们订正与复习。

三、积极实践，效果初显

本文所开发的移动虚拟工程图学模型库已经在我校机械工程专业2017级5、6班、电气工程专业2018级10、11班、电子信息专业2018级9、10班等班级的同学们中广泛使用，大家普遍反映模型全、效果好、功能强，大家学习变得轻松、成绩提升明显。逼真的虚拟三维模型，突破时空限制的使用，使学生对这门课程产生了浓厚的兴趣，变被动接受为主动学习，锻炼了学生的空间想象力和空间思维能力，提高了学生的学习效率。移动虚拟工程图学模型库的开发与应用，结合了信息技术发展的最新成果，丰富了现代教学方法，彰显了教学改革成果。

本文开发实现的移动虚拟工程图学模型库具有科学性、系统性、全面性、新颖性、便携性、易学习性、易获得性、数据安全性、跨平台一致性等优良特性，后期我们将在三维模型显示与二维工程图纸关联上开展进一步的工作。希望本文的研究能够给现代工程图学及其他相关课程的教学改革带来一定的理论参考和实践经验。

参考文献：

[1]陈功，孙海波.Creo Parametric 2.0三维造型及应用[M].南京：东南大学出版社，2014.

[2]孙海波，陈功.Creo Parametric 2.0三维造型及应用实验指导[M].南京：东南大学出版社，2014.