基于數字化制造技術的機械圖樣讀繪能力研究

高恒星

（江蘇省淮安技師學院，江蘇淮安223001）

基于數字化制造技術的機械圖樣讀繪能力研究

高恒星

（江蘇省淮安技師學院，江蘇淮安223001）

分析了數字化制造技術背景下，機械設計制造方式相對于傳統方式的變化，以及對機械圖樣繪制和識讀方式的影響，探討了以二維和三維CAD軟件應用能力培養為方法和途徑，來提升工程技術人員閱讀和繪制機械圖樣的能力，可有效提高讀繪機械圖樣的準確性和效率。

數字化制造；機械圖樣；讀圖能力；繪圖能力

引言

數字化制造技術是數字化技術和制造技術的融合，它是制造技術、計算機技術、網絡技術與管理科學的交叉、融和、發展與應用的結果。中國制造業在取得巨大成績的同時，也面臨著諸多亟待解決的問題，迫切需要實現由制造業大國向制造業強國轉變，實現制造業產業升級。隨著工業4.0時代的到來，國家出臺“中國制造2025”規劃，大力推進信息化與工業化深度融合，數字化制造技術成為推動企業產業升級的有力推手。當前，各類企業都在不同程度上應用數字化制造技術來實現生產和管理過程的信息化，提高生產效率和進行質量控制，數字化制造技術不斷影響和改變著制造企業傳統的生產以及管理方式［1］。

在企業生產過程中，作為工程技術人員核心職業技能，工程圖樣的讀繪能力是工程技術人員履職的必備能力。自工業化以來，工程圖的發展即機械產品定義方式，隨著計算機技術的發展和CAD軟件技術的不斷成熟，經歷了從二維工程圖到三維實體模型的三個發展階段，即“二維設計，二維出圖”階段、“三維設計，二維出圖”階段、MBD全三維數字化設計制造階段。工程技術人員圖樣讀繪能力既要與當前數字化制造技術相適應，也要跟上數字化制造技術發展的步伐。

1　基于數字化制造技術的機械設計和制造

在數字化時代，三維設計和制造方式已經迅速地取代傳統的二維設計和制造方式，成為產品設計和加工制造的更新換代技術，機械設計的方式也隨之發生深刻變化，從圖板設計到二維CAD軟件設計，從二維、三維CAD軟件相結合的設計模式，再到基于模型的定義（ModelBasedDefinition，MBD）技術，建立基于MBD的產品設計、工藝、制造、維護和交付的一體化工作模式。為滿足“快速設計、快速生產”的市場要求，在產品的整個生命周期中，基于模型定義（MBD）技術是數字化制造技術的發展趨勢。2005年，波音787首次應用基于模型定義（MBD）技術，在國內，ARJ21、C919等飛機研制也已普遍采用MBD技術，提升了航空業快速設計、精益制造及設計制造協同研制的整體能力和水平［2］。

當前，在國內大部分中、小型制造企業中，普通機床加工和數控機床加工并存，手工編程、計算機輔助編程手段并存，生產過程還處在二維、三維CAD軟件相結合的設計與制造模式階段，即以三維CAD軟件為設計平臺，二維CAD軟件為制造信息表達平臺，作為零部件生產和裝配的技術文件，以包含軸測圖的二維工程圖為主，三維實體模型為輔。在面向三維模型的數字化設計條件下，對于產品結構信息的表達能力要求，即二維工程圖繪圖能力要求隨之降低，產品信息的表達可借助數字化制造軟件功能來快速實現，設計人員只需要專注于產品結構、功能、造型、工藝、性能等方面的設計，借助數字化制造軟件可實現產品快速設計、快速修改、快速驗證等功能。要推動企業數字化制造技術的應用，工程技術人員就要掌握基于數字化制造技術的機械設計和制造手段，從二維設計向三維設計轉變，從三維實體和二維工程圖獨立設計向關聯設計轉變，從設計、工藝、制造、檢驗、維修的獨立信息載體向基于模型定義（MBD）技術的集成化信息載體轉變。

2　基于數字化制造技術的機械圖樣表達

隨著信息技術、網絡技術植入到制造業中，數字化制造技術不斷發展，應用范圍逐步擴大，推動制造企業技術升級、產業升級，傳統制造業的技術手段、生產方式發生轉變，作為產品信息載體的機械圖樣的表達方式也隨之改變。

在產品的整個生命周期中采用MBD技術是制造業的發展趨勢，MBD技術的優勢在于表達和傳遞信息的集成和直觀。在三維實體模型上附加了產品的尺寸、公差、注釋等設計、工藝、制造和檢驗相關信息，形成單一數據源，MBD模型為數字化制造提供完整的產品定義所需的全部幾何、屬性和標注信息，基于MBD技術，機械圖樣的識讀過程就是對MBD模型所集成的設計、工藝、制造和檢驗相關信息的識讀過程，相對于傳統機械圖樣的讀圖方式，發生了根本性的轉變，模型的直觀性、產品信息的集成性，大大降低了讀圖的難度，提高了信息獲得的效率［3］。

目前，大部分制造企業使用的技術文件以三維CAD模型和二維工程圖共存的形式存在于設計、工藝、制造、檢驗、維修過程中，三維CAD模型以表達產品幾何特征等設計信息為主要任務，二維工程圖以表達產品尺寸、公差、粗糙度、工藝等制造信息為主要任務，產品的設計和制造關聯性不強，雖然，當前主流數字化制造軟件，如UG、PRO/E、CAXA等國內外具有CAD、CAM、CAE、CAPP功能的軟件，在參數化設計前提下，二維工程圖和三維模型之間可建立數據接口，實現單項或雙向的信息轉換，但各自的主要功能還不能相互取代。因此，當前需要將三維模型和二維工程圖相互結合起來表達產品設計、工藝、制造、檢驗、維修等相關信息，其不同于傳統機械圖樣的表達方式。

3　機械圖樣傳統讀繪技術存在的弊端

受傳統技術慣性影響，面向二維機械圖樣的設計方法和讀圖方法，在一定范圍內還在應用，“甩圖板”的目標基本實現，而“甩圖紙”的目標還沒有完全達到。以二維圖樣為平臺的產品信息表達方法，對技術人員二維圖樣繪制能力和讀圖能力要求高，熟練掌握二維圖樣繪圖和讀圖方法難度大、成長周期長；對技術人員而言勞動強度大，生產過程費心、費力，對企業而言，生產過程周期長，效率低，不能適應現代制造快速化、個性化需要。隨著數字化制造技術的日臻完善，以及在企業的廣泛應用，面向二維圖樣的傳統設計方法和讀圖方法不能適應數字化制造技術要求，將逐步被與數字化制造技術相適應的設計方法和讀圖方法所取代［4］。

4　機械圖樣基于數字化制造技術的讀繪優勢

設計人員以數字化制造軟件為平臺，面向三維樣機的直觀設計，所見即所得，可專注于產品設計對象，簡化了設計過程，大大提高了設計的效率；依靠信息化、網絡化技術，以數字化制造軟件為載體，降低了技術人員機械設計和工程圖讀圖的學習難度，也減輕了工作強度，提高了工作協同性，提升了工作效率；企業在數字化制造技術條件下，其產品設計制造的快速響應、柔性特征，滿足當前產品快速設計、快速制造、以及需求個性化的需要［5］。

5　基于數字化制造技術的機械圖樣繪制方法

用三維模型來描述幾何信息，而用二維工程圖來定義產品尺寸、公差、工藝信息的數字化制造技術，是當前大多數企業數字化制造發展階段。應用CAD軟件面向三維的零件設計和三維樣機設計，形成產品設計幾何信息數據源，再根據三維模型生成二維工程圖的單向數據轉換技術已經基本成熟，可以十分便捷地應用產品三維模型，通過三維轉二維數據接口，形成視圖、剖視圖等機件結構表達視圖。有時由于軟件功能的“機械”性特點，對生成的視圖，還要根據國家標準有關機械圖樣表達方法的要求，再進行完善，以符合圖樣表達要求簡潔、夠用、規范的標準，在結構表達清楚的前提下，采用二維CAD繪圖方法，對視圖進行標注尺寸、公差、粗糙度、以及技術要求等相關信息。三維設計、二維出圖數字化制造流程如下頁圖1所示。

圖1　三維設計、二維出圖數字化制造流程圖

基于模型定義（MBD）的數字化制造技術，其核心是用一個集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息，實現面向制造的設計，MBD模型成為生產制造過程中唯一的信息來源，改變了當前用三維模型來描述產品幾何信息，而用二維工程圖來定義產品尺寸、公差、工藝信息的數字化制造模式，是未來企業數字化制造發展方向。采用MBD技術定義三維模型又稱為MBD數據集，分為裝配模型和零件模型兩種，基于MBD技術模型數據集組織結構如圖2所示。

圖2　基于MBD技術模型數據集組織結構

在這兩種數字化制造模式下，無論在設計階段還是制造階段，表達產品信息的機械圖樣都需要依賴數字化制造軟件平臺來形成，借助軟件平臺可有效提高產品設計效率、縮短生產周期。由于CAD技術的不斷完善和廣發應用，技術人員的正投影繪圖能力不再是圖樣繪制的關鍵技術，圖樣繪制的標準化、機件表達方法及表達方案的合理選擇，仍然是工程圖繪制能力的重點。借助于CAD軟件技術，圖樣二維和三維信息的表達，在產品設計周期中所占時間比例大幅度減少，設計者可集中精力和時間于產品結構、性能、工藝、造型等設計元素是產品設計的重點。

6　基于數字化制造技術的機械圖樣識讀方法

在三維實體模型作為產品幾何結構的輔助表達方法和加工信息載體，二維機械圖樣作為產品主要結構和制造信息載體的數字化制造階段，二維工程圖樣的識讀能力，仍然是技術技能型人才的職業能力基本功。形體分析法和線面分析法作為讀圖的基本方法，以及正確的讀圖步驟，是讀懂機件幾何特征信息，掌握二維工程圖樣中技術標注等信息的工程含義。二維工程圖對機件內外結構表達更完整，而三維模型對機件內外結構表達則更直觀，在識讀二維工程圖時，借助于三維CAD模型或者以其形成的軸測圖來輔助識讀二維工程圖表達的幾何結構，可降低二維圖樣識讀難度，兩者相輔相成，提高圖樣識讀效率和準確性，如在富士康集團下屬的精密模具制造企業中，制造精密塑膠模具零件時，技術人員在讀結構復雜的零部件二維工程圖時，通常借助三維CAD模型來降低讀圖難度，避免誤讀［6］。

在識讀二維工程圖時，對具有復雜幾何結構的表達對象進行三維建模，更有利于對二維工程圖視圖表達目的和技術標注含義的理解。隨著MBD技術的逐步成熟和推廣應用，以“面向制造的設計”和“信息集成載體”的MBD模型，對圖樣設計和讀圖方式必將產生更深刻的變化。

在當前制造業轉型升級背景下，提高工程技術人員基于數字化制造技術的機械圖樣繪制與識讀能力，是推進企業快速實現制造平臺數字化的重要保障。

［1］楊維峰.發動機數字化設計三維標注的幾個關鍵技術［J］.CAD/CAM與制造業信息化，2014（12）:6-12.

［2］孫健.《機械產品的數字化設計》課程項目化教學設計［J］.產業與科技論壇，2015（11）:24-25.

［3］胡興偉，夏廣嵐，于風，等.基于SolidWorks的冷沖模模架庫設計［J］.現代機械，2015（3）:11-14.

［4］王婷，郭鵬勃.基于MBD的三維CAD模型與工程圖信息提取［J］.機械與電子，2012（1）：78-80.

［5］張建，謝群.數字化模具制造技術［J］.數字技術與應用，2015（6）: 9-23.

［6］蔣華峰.基于MBD技術的零件參數化工藝設計及應用［J］.智能制造，2015（7）:6-12.

（編輯：王慧芳）

Research on Drawing and Interpreting Ability of Mechanical Drawings Based on Digital Manufacturing Technology

Gao Hengxing
（Jiangsu Huaian Technician College，Huai'an Jiangsu 223001）

Under the condition of digital manufacturing technology，the mechanical design and manufacturing methods are constantly changing relative to the traditional way，they influence the drawing and reading methods of mechanical drawing.In this paper，we explore how to draw and read the mechanical drawing by using 2D and 3D CAD software，these methods can improve the accuracy and efficiency of drawing and reading mechanical drawings.

digital manufacturing；mechanical drawing；ability of interpreting drawings；ability of drawing mechanical drawings.

TP391.72

A

2095-0748（2015）21-0056-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.25

2015-10-16

高恒星（1969—），男，江蘇淮安人，技師學院高級講師，主要從事《機械制圖》、《計算機繪圖》等課程教學和技能競賽集訓工作。