CN104991783A - 工程图学虚拟测绘系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程图学虚拟测绘系统的建立方法，包括展拼界面、虚拟模型库建立、虚拟拆装实验室的建立、成绩评判系统的建立等步骤，本发明利用SolidWorks、3DSMAX与Virtools软件制作了虚拟实验室，可用于机械制图测绘的装拆实验，为培养学生的空间想象能力和自主性学习能力提供了极大的便利。首次提出测绘虚拟实验室，进一步培养提高了学生的空间思维能力、创造性构思能力，同时节省了购买教学需要的大量模型的费用，为教师授课提供大量、丰富的素材，提高了教学资源的质量，教师可利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验。

Description

工程图学虚拟测绘系统

技术领域

本发明涉及教学领域，具体涉及一种工程图学虚拟测绘系统。

背景技术

随着计算机技术、网络技术特别是数字多媒体与虚拟现实技术的发展进步，虚拟现实技术已被广泛应运在远程教育和高校实验教学中。近年随着虚拟仪器、仿真技术和网络的飞速发展，建立虚拟实验室将是一种高效、经济的首选方案。

目前在虚拟软件的设计与应用方面，已经开发出了不同种类的产品如LabView和LabWindows、Virtools等，但是不同专业对其实验有各自独特的要求，且在虚拟实验的搭建和应用方面不存在国际化的规范与标准，所以还没有一个通用的虚拟实验平台供不同专业实验教学使用。

工程制图是高等工科院校许多专业特别是机械类专业的重要基础课，它主要是训练学生的读图、识图、绘图能力，并进一步培养提高其空间思维能力、创造性构思能力。大量模型构成了《工程制图》课程的核心，传统的教学方式主要采用黑板手工绘图、挂图及实物模型演示的方式教学，由于模型演示覆盖面有限为保证教学效果，随时间的推移必需对模型库实时更新导致设备投资与维护开销大，而且在教学中主要采用“问答式教学”费时费力缺乏灵活性，学生难以主动操作模型与观察各截交线的动态形成过程，致使该教学方式交互性差，限制学生的思维不利于其想象力的发挥。为解决这一问题，随着虚拟现实VR技术的出现，可利用该技术研究开发工程制图虚拟实验系统，将教学中涉及的各种实验融入实验系统，为学生提供具有沉浸感、交互性的实验平台，使其不仅可以通过计算机主动地完成实验而且可以主动进行一些创新性的实验，以使学生的空间思维能力得到充分训练提高其工程素质。

虚拟现实VR(virtual reality)技术是以沉浸感、交互性、想象性三“I”特性为代表，集成综合了计算机图形学技术、人工智能、显示技术、传感器技术、网络并行处理与多媒体技术等最新研究成果的第三代模拟仿真系统。该系统主要由高性能虚拟环境处理计算机、输入设备、应用处理软件系统、演示设备等组成。利用该技术可以方便地创建各种虚拟的三维场景及三维实物模型，且可根据要求为其增加动画、声音等，使人在虚拟环境中漫游(walk through)达到“身临其境”的效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了工程图学虚拟测绘系统的建立方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

工程图学虚拟测绘系统的建立方法，包括如下步骤：

S1、展拼界面

将资源库中的Textures中的界面以及按钮图片拖入三维编辑区，设定界面及按钮的的位置、大小，以及图片的层次关系，通过加载界面及交互菜单，可以充分体现系统交互功能，界面一目了然，学生通过鼠标点击相应的按钮，就可进入相应的模块界面学习。比如点击操作说明按钮，就可以进入操作说明模块，其主要介绍齿轮泵的工作原理、零件组成，可以帮助学生对齿轮泵有个初步的了解。

S2、虚拟模型库建立

S21、利用SolidWorks实体建模功能，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；

S22、将模型导入到3DSMax环境中对模型做编辑与修改；把所有零部件导入后，使用3DSMax中组-成组命令，赋予模型基本材质属性与贴图、模型优化；最后再以.nmo格式输出；

S23、将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过Virtools提供的行为交互模块进行设计；

S31、虚拟拆装实验室的建立，在3DS MAX建立虚拟场景，绘制场景中所包含的所有物体，最后再组合在一起，成为一个完整的场景图；

S32、建立测绘系统，包括测绘工具的建立、对测绘工具进行文字性的解释说明建立和用于展示常用工具的使用方法以及注意事项的视频信息的建立；

S4、建立成绩评判系统，用于校正绘图图线、标注是否正确、是否符合技术要求。

其中，界面视窗大小为800*600。

其中，3DS MAX建立场景需要以下几个步骤，首先建立实验室外形，同时要收集一些图片素材，比如地板贴图、桌子贴图等等，然后将贴图渲染之后的各个部分利用文件合并命令组装起来，当然在建模时要考虑组合时各个部分的位置，否则由于位置不合适会导致后期很大的麻烦，最后要对场景添加灯光摄像机。

其中，成绩评判系统通过以下步骤进行考核：根据拆卸、装配和测量的结果绘制草图，首先要完成装配示意图，在拆卸和装配的过程中，仔细观察零部件的装配关系，并对零件进行编号，泵体作为主要零件，首先从泵体入手，然后按照装配顺序依次画出；分析所绘制零件的结构以及适合的表达方案，然后对所绘制的图形进行考核，考核内容主要包括图线、标注、技术要求。

其中，所述的测绘工具分为拆卸工具和测量工具。拆卸工具有扳手、锤子等，根据欲测零件的尺寸精度要求选用相对应的测量工具。视频学习实现的方法包括如下步骤：单击“测绘工具”按键，2D Picking选中工具，通过Test进行判断所选中物体是否与指定的对象相符，如果相符，就通过Video Player加载相应的视频进行测绘工具的演示，如果观看完毕可以通过按相应的字母提示退出观看视频界面。

本发明具有以下有益效果：

(1)利用SolidWorks、3DSMAX与Virtools软件制作了虚拟实验室，可用于机械制图测绘的装拆实验，为培养学生的空间想象能力和自主性学习能力提供了极大的便利。

(2)首次提出测绘虚拟实验室，进一步培养提高了学生的空间思维能力、创造性构思能力，同时节省了购买教学需要的大量模型的费用

(3)从教学层面上，为教师授课提供大量、丰富的素材，从而满足备课、授课、习题指导、答疑、测试、考核、实验教学和辅助教学的需要，实现了资源的积累和共享，提高了教学资源的利用率。

(4)从技术层面上，将Web3d技术、计算机图形学、多媒体技术、计算机编程技术、数据库技术等应用于教学资源建设，提高了教学资源的质量，教师可利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种工程图学虚拟测绘系统的建立方法，包括如下步骤：

S1、展拼界面

将资源库中的Textures中的界面以及按钮图片拖入三维编辑区，设定界面及按钮的的位置、大小，以及图片的层次关系，通过加载界面及交互菜单，可以充分体现系统交互功能，界面一目了然，学生通过鼠标点击相应的按钮，就可进入相应的模块界面学习。比如点击操作说明按钮，就可以进入操作说明模块，其主要介绍齿轮泵的工作原理、零件组成，可以帮助学生对齿轮泵有个初步的了解。

S2、虚拟模型库建立

S21、利用SolidWorks实体建模功能，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成减速器各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；

S22、将模型导入到3DSMax环境中对模型做编辑与修改；把所有零部件导入后，使用3DSMax中组-成组命令，赋予减速器模型基本材质属性与贴图、模型优化；最后再以.nmo格式输出；

S23、将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过Virtools提供的行为交互模块进行设计；

S31、虚拟拆装实验室的建立，在3DS MAX建立虚拟场景，绘制场景中所包含的所有物体，最后再组合在一起，成为一个完整的场景图；

S32、建立测绘系统，包括测绘工具的建立、对测绘工具进行文字性的解释说明建立和用于展示常用工具的使用方法以及注意事项的视频信息的建立；

S4、建立成绩评判系统，用于校正绘图图线、标注是否正确、是否符合技术要求。

界面视窗大小为800*600。

3DS MAX建立场景需要以下几个步骤，首先建立实验室外形，同时要收集一些图片素材，比如地板贴图、桌子贴图等等，然后将贴图渲染之后的各个部分利用文件合并命令组装起来，当然在建模时要考虑组合时各个部分的位置，否则由于位置不合适会导致后期很大的麻烦，最后要对场景添加灯光摄像机。

成绩评判系统通过以下步骤进行考核：根据拆卸、装配和测量的结果绘制草图，首先要完成装配示意图，在拆卸和装配的过程中，仔细观察零部件的装配关系，并对零件进行编号，泵体作为主要零件，首先从泵体入手，然后按照装配顺序依次画出；分析所绘制零件的结构以及适合的表达方案，然后对所绘制的图形进行考核，考核内容主要包括图线、标注、技术要求。

所述的测绘工具分为拆卸工具和测量工具。拆卸工具有扳手、锤子等，根据欲测零件的尺寸精度要求选用相对应的测量工具。视频学习实现的方法包括如下步骤：单击“测绘工具”按键，2D Picking选中工具，通过Test进行判断所选中物体是否与指定的对象相符，如果相符，就通过Video Player加载相应的视频进行测绘工具的演示，如果观看完毕可以通过按相应的字母提示退出观看视频界面。

本具体实施系统主要的操作方式就是通过鼠标操作，在脚本中MouseWaiter模块分别有Left Button Down Received、Left Button Up Received两个输出端，当鼠标左键点击齿轮油泵零件时就可以实现对齿轮油泵零件的移动；当点击进入虚拟装配时，需要对所有零件进行初始化，通过Iterator(阵列迭代器Building Block/Logics/Array)模块将“泵”阵列搜索一遍，再次通过Set Position(设定位置Building Block/3D Transformations/Basic)将所有零件放置在拆卸之后的位置，并且全部不可选。

零件装配与拆卸的顺序相反，设置零件只有按倒序才可依次被选，为了避免安装顺序混乱，分组确定要装配的部件对象是否可选，建立一个每组部件对象坐标的阵列，就要先确定临时坐标，此处的临时坐标就是与拆卸后的坐标相同，把每组所显示的部件对象按此坐标排放到演示空间。齿轮油泵虚拟装配实例中分组装配设定鼠标每组可选四个部件对象，待这四个部件对象按要求和处于初始坐标位置的辅助参考对象相融合时，下一组装配对象才能被选取。

分组装配作业时，当第一组装配完成，就要进行下一组的装配，这就需要一个计数器，当符合一定的逻辑条件时，按计数器设定的数值，依次提取最初创建的“泵”阵列中的部件对象，分组装配作业中，点选了其中的一个零件对象后，按照辅助参考对象的提示，把此部件对象拖放到辅助参考对象的空间位置，当被选取的部件对象与辅助参考对象之间的距离在一定范围内，就可以自动复合。

实施例

鼠标点击按钮，就可进入相应的模块界面。比如点击操作说明按钮，就可以进入操作说明模块，其主要介绍齿轮泵的工作原理、零件组成，可以帮助学生对齿轮泵有个初步的了解。

测绘工具分为拆卸工具和测量工具。拆卸工具有扳手、游标卡尺、内外卡规等，测量工具应根据欲测零件的尺寸精度要求选用。此模块主要通过文字及视频介绍常用工具的使用方法和注意事项。

泵体零件在拆卸模块按照顺序进行分解，然后放在设定的位置。在装配模块，泵体是不能被选取的，它相当于装配的参照物，按照零件序号从大到小进行装配。对零件装配进行了编号从大到小分组，比如第一组右轴承、主动轴、键、主动轮等4个零件是可以被鼠标选取并移动的，其他零件则不能被选取，只有按顺序装配好这4个零件，才可以继续装配下一组。这样的设计，使学生既可以自主装配，又提供了装配的大致顺序，学习效果较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.工程图学虚拟测绘系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、展拼界面

将资源库中的Textures中的界面以及按钮图片拖入三维编辑区，设定界面及按钮的的位置、大小，以及图片的层次关系，通过加载界面及交互菜单；

S2、虚拟模型库建立

S21、利用SolidWorks实体建模功能，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；

S22、将模型导入到3DSMax环境中对模型做编辑与修改；把所有零部件导入后，使用3DSMax中组-成组命令，赋予模型基本材质属性与贴图、模型优化；最后再以.nmo格式输出；

S23、将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过Virtools提供的行为交互模块进行设计；

S3、虚拟拆装实验室的建立

S31、在3DS MAX建立虚拟场景，绘制场景中所包含的所有物体，最后再组合在一起，成为一个完整的场景图；

S32、建立测绘系统，包括测绘工具的建立、对测绘工具进行文字性的解释说明建立和用于展示常用工具的使用方法以及注意事项的视频信息的建立；

S4、建立成绩评判系统，用于校正绘图图线、标注是否正确、是否符合技术要求。

2.根据权利要求1所述的工程图学虚拟测绘系统的建立方法，其特征在于，界面视窗大小为800*600。

3.根据权利要求1所述的工程图学虚拟测绘系统的建立方法，其特征在于，3DS MAX建立场景需要以下几个步骤，首先建立实验室外形，同时要收集一些图片素材，然后将贴图渲染之后的各个部分利用文件合并命令组装起来，最后要对场景添加灯光摄像机。

4.根据权利要求1所述的工程图学虚拟测绘系统的建立方法，其特征在于，成绩评判系统通过以下步骤进行考核：根据拆卸、装配和测量的结果绘制草图，首先要完成装配示意图，在拆卸和装配的过程中，仔细观察零部件的装配关系，并对零件进行编号，泵体作为主要零件，首先从泵体入手，然后按照装配顺序依次画出；分析所绘制零件的结构以及适合的表达方案，然后对所绘制的图形进行考核，考核内容主要包括图线、标注、技术要求。

5.根据权利要求1所述的工程图学虚拟测绘系统的建立方法，其特征在于，所述的测绘工具分为拆卸工具和测量工具。