面向現代企業的圖學教育的思考

張瑞琳　趙來國　馮杰　劉愛玲

[摘 要] 在現代企業中，隨著CAD/CAM/CAE一體化進程的不斷推進，現代設計方法和先進加工制造技術得到普及，產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，在現代工程實際中，普遍采用的三維CAD技術完成產品的開發，三維CAD技術涵蓋了產品的零件創建、產品裝配和工程圖制作的全過程，因此，越來越多的現代企業工程設計人員利用計算機進行產品的設計與開發，以面對日益激烈的市場競爭，解決企業的TQCS難題，即最快的速度（T-Time to Market）、最好的質量（Q-Quality）、最低的成本（C-Cost）和最好的服務（S-Service），只有這樣企業才能適應迅速變化的市場需求。

工科類的高等學校是培養未來從事研究、開發、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合，強調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 國內高校圖學教育的現狀

目前工科院校的多數專業，圖學教育首先通過工程制圖課程開展的，傳統的工程圖學體系大多依然是延續前蘇聯的做法，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，即強調二維到三維。這在尚未出現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展，現代設計方法和加工方法日新月異，在現代工程實際中，三維建模貫穿產品設計和制造的始終，傳統的工程圖學體系已經嚴重滯后。

此外，目前大多數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

隨著現代設計方法和先進的加工制造技術的不斷普及，許多企業的產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，根據產品的特點和要求進行包括應力分析、結構強度分析、疲勞分析、熱分析、公差分析與優化、NC仿真及優化，虛擬裝配、動態仿真等過程以滿足產品結構強度、運動和生產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據傳遞給CAPP、CAM軟件接收，由計算機模擬加工過程，最終由數控機床加工制造，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、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構，在三維CAD軟件上進行實時的剖切，體現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，向學生展示三維模型直接生成的二維工程圖，不失時機地向學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物

我國已經完成由傳統的手工圖板制圖向計算機繪圖的轉化，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勢在于描述產品的工程屬性、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，從而真正實現二維工程圖服務于三維設計的目的。隨著三維CAD的發展，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，真正實現基于產品三維模型完成所有的產品研制與開發。

2.3 三維CAD支持產品開發的全過程

三維CAD對現代產品開發過程的支持重點體現在以下幾個方面：

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。

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

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據共享，用戶一旦在某一環境下更改產品模型后，另外的產品模型將發生自動同步更新，保持產品設計數據的一致性，這一點在企業應用中十分重要。

自頂向下設計：允許設計者從產品的全局和零部件協調關系的角度出發設計開發產品設計，統籌規劃產品的布局和設計任務，規避傳統的零件、部件到產品的設計線路造成的設計沖突。

豐富的系統支持：包括結構強度分析、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，可以檢測出產品靜態裝配沖突和動態干涉檢查，降低設計失誤，為設計調整提供信息。

產品展示與網絡互動協作：現代產品需要將產品設計的結果直觀地展示給用戶，同時利用互聯網進行協同設計與交流也是現代設計與制造的發展趨勢，實現企業信息化。

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

3 圖學師資隊伍的建設

在高校從事傳統的圖學教育的教師，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化CAD軟件的能力，無法深入了解和掌握現代設計方法以及先進的制造技術等與現代工程緊密結合的先進技術的應用。基于上述原因，參照美國和日本等發達國家的做法，加強圖學教育教師自身圖學能力和素養的培養與提高，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展空間有限的局限性，使得教師也成為面向現代企業的高校圖學教育改革的受益者。

4 結 論

面向現代工程實際需求，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，圍繞實現產品“三維設計”目標，全面開展圖學教學體系、教學內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，為學生日后走向現代生產實際奠定重要的基礎。

參考文獻：

[1]張瑞琳，王文友，等.面向現代工程實際的制圖類課程改革與實踐[J].遼寧高職學報，2009（10）.

[2]梁圣復，李慧莉.設計圖學課程教學改革與實踐[C]//機械類課程報告論壇組委會.2009年機械類課程報告論壇論文集.北京：高等教育出版社，2009.

[3]張瑞琳，馮杰，等.基于先進制造技術的工程制圖課程的改革[J].遼寧高職學報，2010（10）.