特征造型軟件環境下圖樣表達方法研究

姜立軍

（華南理工大學，廣東 廣州 510640）

目前所有流行的商業特征造型軟件，都具有二維圖樣和三維模型的雙向關聯功能，能自動由三維模型生成符合國家標準的各種視圖表達方法，并且，由二維投影視圖中的模型尺寸的修改，也可以反過來按照新的尺寸重建三維模型。在基于特征造型的軟件環境下，由于引進了更多方便直觀的表達方法，三維工程制圖課程中有關視圖表達方法的教學，應結合特征造型軟件的表達優勢，加強三維圖樣表達方法的訓練。在這樣的大前提下，本文就已有的圖樣表達方法進行分析比較，提出了對圖樣表達方法的改進方案。

1 二維產品圖樣表達的基本形式

機械圖樣表達方法的教學中，主要內容包括視圖表達、剖視圖表達、斷面圖表達、規定畫法和簡化畫法，以及零件圖與裝配圖中的標注規定等內容。目前的教學模式，都是基于現有國家標準中的基本規定展開教學。這在手工繪圖還普遍存在的大環境下，對于減輕繪圖工作量，以及簡潔表達形體特征而言是有幫助的，在基于二維手工繪圖的條件下，以現有國家標準為基礎的圖樣表達訓練，作為培養二維平面圖形與三維幾何空間的投影對應關系的形象思維能力及空間分析能力甚至是必不可少的[1]。

圖1主視圖采用了單一剖切平面實現全剖視。該剖視圖完全由三維特征造型軟件自動實現，此時的肋板表示方法實際上是不符合現階段國家標準關于剖視圖表達要求的。如果要達到此要求，則需要在軟件中采用很多類似于二維或圖軟件中的輔助命令來實現，且其修改結果只能作為注釋或者草圖保存在獨立的圖層，當該三維模型變化時（比如修改肋板的形狀草圖），這些修改的結果無法做到自動更新。因此而失去了特征造型軟件的優勢。筆者認為，這部分的相關規定應該在教學中適當弱化。

圖1 視圖、全剖視圖、局部剖視圖、斷面圖與軸測圖

斷面圖表達方法和剖視圖類似，其主要是用來表達局部結構特征。目前，三維特征造型軟件一般和剖視圖采用相同的工具實現，只是和剖視圖命令相比，在個別參數選擇上有所不同。因此，在視圖表達教學中，應該不再刻意分開教學。如圖 1所示的連接部分的移出斷面，在Solidworks2008中，實際是采用旋轉剖視圖和斷裂視圖兩個工具實現的。筆者認為，剖視圖和斷面圖的教學不需要在進行表達方法的明顯區分，而應該統一到特征造型軟件的表達方式上來開展教學。

軸測圖或透視圖具有立體感，不需要豐富的空間想象力和太多的看圖時間，就可以了解產品的幾何特征。手工繪制軸測圖費時費力，一般人不易繪制，這類圖形一般只作為幫助理解的輔助圖樣。然而，由于特征造型軟件的出現，基于全數字化的產品數據定義模型，生成滿足不同國家標準的投影視圖，就只是一個簡單投影變換的問題。由于草圖是即時思想表達的最佳形式，尤其在概念設計階段，具有立體感的草圖構型是幫助設計人員記錄創新靈感的重要方式。現階段的圖學教學實踐中，手繪草圖能力越來越得到重視，軸測圖或透視圖的教學內容應該逐步加強。

一直以來，人們在繪制齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、花鍵、彈簧、軸承、螺紋緊固件等有規律重復特征零件時，都是用規定簡畫法而沒有詳細地把所有特征繪制出來。最新國家標準“數字化產品數據定義通則”對這部分模型的簡化表達形式有明確的要求，符合該標準的特征造型軟件可以自動實現這些模型的簡化畫法。因此，這些標準間及常用鍵的規定畫法內容應該弱化。對稱零件或結構如圖1中的肋板等類型的簡化畫法，重復特征的處理，計算機實現是輕而易舉的。而如果按照規定簡畫法或簡化畫法，反而難以處理了。因此，這部分內容應該徹底放棄。

圖樣中的標注，包括尺寸、公差、粗糙度、零部件序號、技術要求等內容，是圖樣表達的重要部分。對于初學者而言，在圖樣上實現合理的標注，都是非常棘手的事情。除去不熟悉機械產品設計與制造的基本流程和方法等原因外，也與對零件結構特征理解不透徹，尺寸標準純粹只考慮視圖中的幾何圖元關系，對空間特征幾何約束條件的理解欠缺有關。同時，國家標準關于標注的規定較為復雜，也是造成圖樣標注錯誤不斷的重要原因。但是，在特征造型環境下，幾何特征及非幾何特征在建模時就必須確定，這樣，在生成工程圖時可以自動從模型參數中引入，實現比較合理的標注。因此，在教學過程中，適當增加圖形的幾何約束及尺寸約束的內容，可以減少尺寸標注的錯誤。

2 數字化產品中新的圖樣表達方式

圖樣作為信息傳遞的載體，如果基于特征造型環境，全數字化定義的三維特征模型不僅包含了產品完整的幾何特征，也包含了像精度和材料特征等信息在內的非幾何特征，傳遞的信息更加豐富、全面而精確。利用投影變換的原理，結合數據庫技術，與模型相關的幾何及非幾何特征信息就可以自動在二維工程圖中進行合理的表達；同時，由于數字化定義的引入，也產生了更多更新穎的表達方式，這對于現有的二維圖樣，是一個很好的補充。隨著軟件技術的進步，并有可能完全取代純粹的二維圖樣，實現圖樣的三維表達。另一方面，與歐美國家更加重視設計思想、創新思維的啟迪及實踐能力的培養模式相反，我國大多數工程制圖教學實踐中，太多拘泥于圖形上這些表達細節的處理及國家標準的宣講，這在手工繪圖環境下或者可能是需要的，但特征造型軟件的引入，把教學重點由對規定的宣講，轉移到設計自身應有的內涵，以及創建合理的特征模型本身，開展基于數字化模型的三維表達的教學，正是改變現有教學方法的最好契機。

2.1 表達視圖

表達視圖也稱分解視圖，有的特征造型軟件稱爆炸圖。其實這不是一種新的表達方法，日常生活中購買的各種各樣的日常生活用品的使用說明書中都有的示意圖，就是這種表達視圖，只是由于在手工繪圖環境下，只有經過長時間專門訓練的人才能熟練掌握和使用，而在數字化定義條件下，這種表達視圖可以有計算機輕易生成。國家標準也作了相應規定，要求工業產品的使用說明書中的產品結構優先采用立體圖示，即立體裝配圖。

如圖2和圖3所示的噴嘴及汽車后橋表示的表達視圖，表達了明顯的裝配路徑和裝配順序。因此，比看二維工程圖去理解裝配關系容易得多，在三維特征造型軟件使用越來越普遍的情況下，這種表達方法應該有所加強。

圖2 噴嘴表達視圖

圖3 后橋表達視圖

2.2 云圖

云圖通常用來表示零件特征在工作環境下，受載荷影響而導致的表面應力及變形狀態。目前，多數特征造型軟件都有運動仿真及有限元分析模塊，工程制圖教學應該從純粹的培養讀圖或繪圖能力轉移到創新設計的層面來開展，充分利用軟件提供的分析計算功能，對所設計的零件進行簡單的強度計算或壽命計算，培養學生的工程意識。因此，圖樣表達的部分應該在特征造型軟件中適當添加關于裝配環境下的載荷設置、材料性能等內容的簡單介紹，并利用軟件提供的分析功能進行簡單的計算，對云圖進行解釋和說明。圖4是在Inventor軟件中進行有限元計算后的云圖，表明了該零件的應力分布及變形情況。

圖4 云圖

2.3 裝配仿真

裝配是產品生命周期的一個重要環節。利用計算機進行虛擬裝配仿真與規劃，可以預見設計結果，提供設計驗證，對于進一步提高產品質量、降低產品成本、縮短產品生命周期具有重要意義。能夠實時、方便地修改裝配順序和裝配路徑，準確地描述零部件在裝配或拆卸過程中的位置姿態信息，跟傳統的裝配圖相比較，不僅從空間維描述了部件的裝配關系，同時，增加了時間維的描述，可以實現部件之間的相對運動關系仿真。圖5表示裝配環境下3個不同位置的軸測圖，結合設計視圖表達方法，可以生成不同位置的工程裝配圖。在特征造型環境下的工程制圖課程，應該將這部分內容加強。

圖5 裝配仿真

3 三維特征造型軟件環境下的三維表達規范

隨著數字化設計與制造技術的廣泛應用，二維圖紙不再是設計制造過程所必需的文件，三維模型替代二維圖紙將作為技術交流和信息傳遞的主要方式，國際標準化組織于 2006年底制定出ISO16792標準[2-6]。

參照ISO16792，《技術產品文件 數字化產品定義數據通則》（GB/T 24734）系列于2010年9月成為正式的國家標準[3]。在新標準中，二維圖紙中標注的信息都可以直接在三維模型中標注，并且支持圖紙與三維模型中的標注雙向互動。相對于二維CAD環境中的標注，三維標注清晰直觀，無須嚴苛的訓練，工程師、車間工人、管理人員，都容易理解。可以說三維標注的國際標準出臺以后，為機械制造業徹底擺脫圖紙，提供了可能性。

GB/T24734從數據集的識別與控制、數據集要求、設計模型要求、產品定義數據通用要求、幾何建模特征規范、注釋和特殊符號要求、模型的數值與尺寸要求、幾何公差的應用、基準的應用、模型簡化表示法等作出了規定，為使用特征造型軟件的用戶在幾何建模、特征屬性及標準等方面進行了統一規范。

3.1 標注面、指引線與基準要素基本要求

標注面或稱為注釋面，應與三維幾何模型保持相關關系，如模型旋轉時，相關文字應隨之旋轉。指引線元素的指引線，其終端用箭頭形式，指向面元素的指引線，指引線終端用位于該面內的圓點表示，如圖6中的形位公差表示；基準要素標識應該標注到代表基準要素的表面上，標注基準要素符時不應使用模型輪廓的單延長線，平面基準要素標識放置在垂直于該面的注釋面上，該注釋面上標注一個尾端帶三角的引導線，回轉面末端以圓點帶引導線引出。兩相對平行面基準標識，將基準要素標識符與要素尺寸標注及延長線放在垂直于中心面的注釋面上，有限區域的標識符的引導線應該標注在有限區域內。

圖6 標注面、基準標識及指引線

3.2 公 差

一般把公差分為尺寸公差和形位公差，在三維環境下標注時，尺寸公差仍舊參照現有國家標準規定，對于形位公差，該標準從幾何公差、定向公差、位置公差、輪廓公差、跳動公差等幾個方面的表示方法進行了規范。公差標注框格所在的注釋面與應用表明平行、垂直或共面，公差應該獨立標出或位于尺寸數字下方，指引線末端圓點指向標注表面。

3.3 軸測圖形表達

在三維表達環境下，軸測圖是一個很重要的表達方式。以二維工程圖為主要表達方式的情況下，為了詳細描述一個產品零件或者部件，通常要制作截面圖、向視圖、局部放大圖。繪制這樣的圖紙，將耗費技術人員大量的有效工作時間，并且，打印輸出的硬拷貝與原來的電子設計文檔脫離了聯系，設計變更、管理成本很高，容易產生差錯。而基于特征造型的三維表達方式就可以有效的避免這種數據孤島的問題。在新標準中，每個軸測圖都應包含模型坐標系，以表明視圖方向，剖視圖可以從軸測圖中派生，剖視圖可以是正投影圖，也可以是軸測圖，剖切面用于指示剖面區域的位置和方向，剖切面的邊界可以是細實線，也可以是虛線，剖視圖需要用箭頭指示投射方向，其標注符合GB/T4458.6的有關規定，剖視圖可以用移去一部分后的剩余部分表示，或者用剖切面與材料實體相交處的剖面區域表示，視圖旋轉時，剖視圖一同旋轉，并保持一致的對應關系。在這種表達形式下，剖視圖和斷面圖就完全統一了。

4 結 論

三維特征造型軟件環境下，可以實現幾何特征及非幾何特征的高度集成，基于《技術產品文件 數字化產品定義數據通則》（GB/T 24734）系列國家標準，可以進行產品的三維圖樣表達，除了可以很簡單地滿足手工繪圖條件下的各種二維圖形表達方式的要求，實現了對產品實現空間維度的表達和不同時間過程的表達。目前，國外最新教材已經將三維標注的相關內容列入[7]，隨著我國圖學教育改革的發展，現有圖樣表達內容的教學，應該隨著造型技術的進展，進行相應的修正。

[1]韓麗艷, 張孟玫, 孫軼紅. 利用三維 CAD成型法進行組合體讀圖的研究[J]. 北京石油化工學院學報,2009, 17(4): 48-50.

[2]INTERNATIONAL STANDARD Iso 16792 First edition[OL/EB]. http://www.standardsmalaysia.gov.my/lib/TPS/STAND/D031065E.PDF.

[3]丁紅宇. 數字化產品定義數據通則系列國家標準研制動態[C]//2006 e-works產品創新數字化國際峰會論文集, 北京: 2006產品創新數字化國際峰會, 2006:272-276.

[4]Dantan J Y, Ballu A, Mathieu L. Geometrical product specifications —— model for product life cycle [J].Computer- Aided Design, 2008, 40: 493-501.

[5]Humienny Z. State of art in standardization in GPS area [J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2009, (2): 1-7.

[6]Quintana V, Louis R, Robert P, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout theproduct lifecycle? a global perspective from aerospace industry [OL/EB]. Computers in Industry,2010. http://linkinghub. elsevier.com/retrieve/pii/S0166361510000060.

[7]Colin H, simmons, Dennis E, et al. 3D annotation,manual of engineering drawing [M]. Third Edition,Newns Imprint, 2009: 199.