張瑞琳　趙來國　馮杰　劉愛玲

[摘 要] 在現(xiàn)代企業(yè)中，隨著CAD/CAM/CAE一體化進程的不斷推進，現(xiàn)代設計方法和先進加工制造技術得到普及，產(chǎn)品從設計到制造都是基于三維建模的，因此工科院校的圖學教育應面向市場需求，基于三維計算機輔助設計理念的圖學教育是未來的發(fā)展趨勢。

[關鍵詞] 圖學；三維CAD；二維工程圖

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.137

目前，在現(xiàn)代工程實際中，普遍采用的三維CAD技術完成產(chǎn)品的開發(fā)，三維CAD技術涵蓋了產(chǎn)品的零件創(chuàng)建、產(chǎn)品裝配和工程圖制作的全過程，因此，越來越多的現(xiàn)代企業(yè)工程設計人員利用計算機進行產(chǎn)品的設計與開發(fā)，以面對日益激烈的市場競爭，解決企業(yè)的TQCS難題，即最快的速度（T-Time to Market）、最好的質(zhì)量（Q-Quality）、最低的成本（C-Cost）和最好的服務（S-Service），只有這樣企業(yè)才能適應迅速變化的市場需求。

工科類的高等學校是培養(yǎng)未來從事研究、開發(fā)、設計和管理的專門高級技術人才，面向新的計算機技術和先進的CAD/CAM/CAE一體化技術，將高校圖學教育與市場實際緊密結(jié)合，強調(diào)基于三維設計的理念，開展圖學教育的改革是勢在必行的。

1 國內(nèi)高校圖學教育的現(xiàn)狀

目前工科院校的多數(shù)專業(yè)，圖學教育首先通過工程制圖課程開展的，傳統(tǒng)的工程圖學體系大多依然是延續(xù)前蘇聯(lián)的做法，這一點從各高校的工程制圖教學大綱以及工程制圖的教材就略見一斑，研究方法是站在“二維工程圖樣先入為主”的角度，自始至終強化的是用二維工程圖樣表達三維實體零件和裝配體部件的問題，把立體問題平面化，即強調(diào)二維到三維。這在尚未出現(xiàn)計算機技術的年代是無可厚非的，但是隨著計算機技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代設計方法和加工方法日新月異，在現(xiàn)代工程實際中，三維建模貫穿產(chǎn)品設計和制造的始終，傳統(tǒng)的工程圖學體系已經(jīng)嚴重滯后。

此外，目前大多數(shù)工科院校開設了二維CAD課程，如AutoCAD，二維CAD也僅僅是單純的圖形繪制工具，此時的圖學教育也是緊緊圍繞如何利用計算機繪制一張合格的二維工程圖樣，至此，都是將重點放在二維工程圖表達三維實體方面，這樣的圖學教育體系，不能滿足現(xiàn)代工程實際對技術人才的要求。

2 依托三維CAD技術，是圖學教育的根本

隨著現(xiàn)代設計方法和先進的加工制造技術的不斷普及，許多企業(yè)的產(chǎn)品從設計到制造都是基于三維建模的。計算機輔助設計的過程一般是從概念設計、零部件三維建模到二維工程圖，在零部件三維建模時或者三維建模的完成后，根據(jù)產(chǎn)品的特點和要求進行包括應力分析、結(jié)構強度分析、疲勞分析、熱分析、公差分析與優(yōu)化、NC仿真及優(yōu)化，虛擬裝配、動態(tài)仿真等過程以滿足產(chǎn)品結(jié)構強度、運動和生產(chǎn)制造與裝配等方面的要求。此外，三維設計的模型可以自動地將三維的設計模型的特征數(shù)據(jù)傳遞給CAPP、CAM軟件接收，由計算機模擬加工過程，最終由數(shù)控機床加工制造，可見，三維建模支持設計和制造的全過程。

目前，常見的知名CAD軟件如下表所示，其中依托高端的三維CAD軟件都能全面完成產(chǎn)品設計到制造的全過程。

2.1 基于三維設計理念開展圖學教育

基于現(xiàn)代工程實際，高校的圖學教育應注重基于三維建模方法為主導，強調(diào)三維模型到二維工程圖，如在圖學的最初教學過程中，注重三維造方法講解如拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、放樣、布爾運算等三維造型方法的演示，從開始就灌輸三維建模的理念，為三維設計做好準備。如下圖所示，通過一個組合體三維建模的過程演示，了解三維造型建模的基本方法與步驟，然后引導學生分析其二維視圖的表達，達到事半功倍的效果。

機器零部件的表達方法的講解也要圍繞零件三維模型展開，研究如何合理應用各種表達方法表達零件的結(jié)構，在三維CAD軟件上進行實時的剖切，體現(xiàn)各種表達方法特點及使用條件。在講授清楚各種表達方法的特點和應用條件后，利用三維軟件自動生成機件的各種視圖和剖視圖等二維工程圖的功能，向?qū)W生展示三維模型直接生成的二維工程圖，不失時機地向?qū)W生灌輸以三維設計為先導的理念。

2.2 二維CAD是二維逐步向三維過渡的階段性產(chǎn)物

我國已經(jīng)完成由傳統(tǒng)的手工圖板制圖向計算機繪圖的轉(zhuǎn)化，即“甩圖板”的過程，利用計算機如AutoCAD軟件完成二維工程圖樣變得非常普及，二維工程圖的主要優(yōu)勢在于描述產(chǎn)品的工程屬性、包括公差與配合、表面粗糙度以及形狀與位置公差以及技術要求說明等。

隨著三維CAD的不斷發(fā)展和完善，二維工程圖的地位有逐步降低的傾向，二維CAD軟件繪制工程圖會逐步被取代，因此，二維CAD繪圖是二維逐步向三維轉(zhuǎn)化的過渡階段。

目前的三維CAD軟件都有利用三維模型直接生成二維工程圖的功能，這些自動生成的工程圖只需稍加修改就能獲得符合國家標準的工程圖樣，從而真正實現(xiàn)二維工程圖服務于三維設計的目的。隨著三維CAD的發(fā)展，基于三維模型的工程屬性標注功能的不斷完善，未來的發(fā)展趨勢是在三維模型上也可以直接標注相關工程屬性，這樣就可以完全擺脫對二維工程圖的依靠，真正實現(xiàn)基于產(chǎn)品三維模型完成所有的產(chǎn)品研制與開發(fā)。

2.3 三維CAD支持產(chǎn)品開發(fā)的全過程

三維CAD對現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程的支持重點體現(xiàn)在以下幾個方面：

三維造型的設計方法：直接對三維實體進行產(chǎn)品的設計工作，工作效率高，而且對自頂向下的設計、修改、裝配提供方便。

參數(shù)化： 三維CAD軟件可以提供參數(shù)化支持，可以用尺寸驅(qū)動模型的變化，同時還可以通過方程式描述產(chǎn)品模型尺寸之間的關聯(lián)性，同時也為產(chǎn)品系列化提供基礎。

一致性：三維CAD可以提供從零件模型到裝配圖模型，再到二維工程圖的數(shù)據(jù)共享，用戶一旦在某一環(huán)境下更改產(chǎn)品模型后，另外的產(chǎn)品模型將發(fā)生自動同步更新，保持產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的一致性，這一點在企業(yè)應用中十分重要。

自頂向下設計：允許設計者從產(chǎn)品的全局和零部件協(xié)調(diào)關系的角度出發(fā)設計開發(fā)產(chǎn)品設計，統(tǒng)籌規(guī)劃產(chǎn)品的布局和設計任務，規(guī)避傳統(tǒng)的零件、部件到產(chǎn)品的設計線路造成的設計沖突。

豐富的系統(tǒng)支持：包括結(jié)構強度分析、疲勞分析、流動與熱分析功能模塊；提供關于模具、鈑金、焊接的功能環(huán)境，標準件庫及豐富的第三方插件等。

豐富的檢測手段：提供干涉檢查和運動仿真，可以檢測出產(chǎn)品靜態(tài)裝配沖突和動態(tài)干涉檢查，降低設計失誤，為設計調(diào)整提供信息。

產(chǎn)品展示與網(wǎng)絡互動協(xié)作：現(xiàn)代產(chǎn)品需要將產(chǎn)品設計的結(jié)果直觀地展示給用戶，同時利用互聯(lián)網(wǎng)進行協(xié)同設計與交流也是現(xiàn)代設計與制造的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)企業(yè)信息化。

設計與加工的集成性：提供數(shù)控編程模塊以及數(shù)控仿真及優(yōu)化功能等模塊，將產(chǎn)品從設計到制造生產(chǎn)的過程集成在一起，實現(xiàn)并行工程。

3 圖學師資隊伍的建設

在高校從事傳統(tǒng)的圖學教育的教師，長期只從事單一工程制圖課程、或者工程制圖與計算機繪圖的教學任務，而不具備運用高端三維參數(shù)化CAD軟件的能力，無法深入了解和掌握現(xiàn)代設計方法以及先進的制造技術等與現(xiàn)代工程緊密結(jié)合的先進技術的應用?；谏鲜鲈?，參照美國和日本等發(fā)達國家的做法，加強圖學教育教師自身圖學能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)與提高，變得日益迫在眉睫，如何組建新型的圖學教育的教師教學團隊，是改革實施的重要保障。

首先圖學教師不能只是將研究問題的方法局限在“二維到三維”的框架下，而應該主動解放思想、吸收學習新知識，深入了解基于三維設計的現(xiàn)代設計和先進制造與加工的市場實際，勇于探索與實踐，構建面向市場實際的新的圖學課程體系，掌握新型的三維CAD軟件工具輔助教學，年輕的教師要用于承擔三維CAD的教學任務，從根本上實現(xiàn)圖學教師個人能力的拓展與提高，這樣做，有利于改善目前高校普遍存在的，從事圖學教育的教師個人發(fā)展空間有限的局限性，使得教師也成為面向現(xiàn)代企業(yè)的高校圖學教育改革的受益者。

4 結(jié) 論

面向現(xiàn)代工程實際需求，加強圖學師資隊伍建設，開展基于“三維設計”的圖學教育的改革，圍繞實現(xiàn)產(chǎn)品“三維設計”目標，全面開展圖學教學體系、教學內(nèi)容與教學手段的全面改革，使得圖學教育擺脫二維到三維的束縛，以三維CAD為平臺，以三維建模為抓手，培養(yǎng)學生的三維造型的能力，以及從三維到二維的圖示能力，為學生日后走向現(xiàn)代生產(chǎn)實際奠定重要的基礎。

參考文獻：

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