基于世界技能大賽和先進成圖大賽的機械制圖應用能力分析

蒲 娟

（成都航空職業技術學院，四川 成都 610100）

機械制圖及相關課程是高校機械類和近機類專業的一門非常重要的專業基礎課程， 其主要任務是培養學生閱讀和繪制機械圖樣的能力、 圖解簡單空間幾何問題的能力以及對三維形狀與相關位置的空間邏輯思維和形象思維能力[1]。 學科競賽是培養學生創新實踐能力的重要途徑， 也是學科知識未來發展趨勢和方向的最好指引。 目前， 與機械制圖課程相關的重要競賽主要有：世界技能大賽CAD 機械設計項目以及“高教杯” 全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽（簡稱高教杯制圖大賽）。 本文以以上賽事為基礎，通過詳細分析賽項內容， 得出對學生的能力要求，為機械制圖及相關綜合實訓課程的教學改革做準備。

1 世界技能大賽CAD 項目內容及能力分析

1.1 世界技能大賽CAD 項目內容分析

世界技能大賽是世界技能組織舉辦的世界頂級賽事[2]，每兩年舉辦一次，其宗旨是，通過成員之間的合作， 促進青年人和培訓師的職業技能和水平的提升，并積極推廣職業技能， 加強各國在職業技能領域的合作與交流，被稱為世界“技能界的奧林匹克”[3]。 我國從2011 年開始，連續參加了第41 屆至第44 屆的世界技能大賽CAD 機械設計項目。 以第45 屆世界技能大賽CAD 機械設計項目全國機械行業選拔賽為例，其內容及試題形式完全參照世界技能大賽。比賽時長10 個小時，分兩天進行，主要包含四個模塊——產品設計挑戰賽、裝配建模與工程圖、機械結構設計、手工測繪與逆向工程[4]。 具體內容如下：

模塊一：產品設計

根據給出的草圖、標準件、設計約束條件以及部分實體零件，（1） 設計零件結構， 建立零件三維模型，（2）合理選擇標準件、創建裝配模型和裝配圖，（3）為產品建立渲染照片， 設計表達圖形和產品演示或原理動畫。 要求提交的成果主要包含產品設計方案或說明、產品3D 打印件、渲染照片和動畫文件。

模塊二：裝配建模與工程圖

根據題目給出的零件或裝配模型以及產品BOM 表或其他數據，（1）建立零件三維模型，（2）創建裝配模型，生成并編輯裝配圖，（3）為產品建立渲染照片、設計表達圖形和產品動畫。 要求提交的成果主要是全部的電子數據、規定格式的渲染照片和動畫文件。

模塊三：機械結構設計

要求根據給出的工作原理圖、零件圖（或模型）、裝配圖（或模型）以及產品BOM 表和其他數據，（1）建立通用機械、鈑金、桁架結構件和裝配體三維模型，（2）創建若干個零件圖或裝配圖， 完成正確的GDT、 焊接工藝標準，（3）為產品建立渲染照片、產品演示動畫。要求提交的成果為全部電子數據、 規定格式的渲染照片和動畫文件。

模塊四：手工測繪逆向工程

該模塊是根據工件實物以及描述文件和所有逆向工程必要的附加信息， 使用測量工具， 自己決定視圖布局，要求最后提交工件的3D 模型額渲染照片。

整個項目， 主要考查選手根據零件圖完成零件建模、裝配體建模、爆炸圖、演示動畫、仿真動畫、模型投影零件圖和裝配圖； 渲染； 數據輸入及輸出； 鈑金建模；更改設計模型；零件測繪(測繪、草圖、零部件建模、模型投影工程圖)[5]。

1.2 世界技能大賽CAD 項目能力分析

通過以上內容分析可知， 主要要求選手具有以下幾方面跟機械制圖相關的能力：

（1） 能夠應用相關繪圖軟件正確繪制零件和裝配體二維工程圖，包括表達方案、尺寸標注、相關技術要求等內容， 熟悉機械制圖相關國家標準及ISO 國際標準規定。

（2） 能夠使用三維建模軟件建立零件和裝配體的三維模型，并制作爆炸圖、演示動畫等。

（3）具有對機械結構進行創新設計的能力。

（4）能設置并操作桌面級3D 打印機打印模型。

2 高教杯先進成圖大賽內容及能力分析

2.1 高教杯先進成圖大賽內容分析

“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽， 是由教育部高等學校工程圖學課程教學指導委員會、 中國圖學學會制圖技術專業委員會、中國圖學學會產品信息建模專業委員會聯合主辦的圖學類課程最高級別的國家級賽事[6]。 從2008 年至今每年舉辦一次，已連續舉辦十一屆，主要包括機械類、建筑類、 水利類和道橋類四個專業類別。 與機械制圖相關的主要是機械類。 以2018 年第十一屆高教杯制圖大賽機械類競賽為例， 其內容主要包括尺規繪圖、 計算機繪圖和3D 打印三個方面。

尺規繪圖：

該部分要求學生根據零件立體模型圖繪制一組視圖數量最少、表達最簡潔的零件圖，包括視圖表達、尺寸標注、技術要求等，且均需符合國家標準相關規定。這就要求學生需要掌握： 典型零件形狀與結構特征的分析，零件視圖的選擇與畫法，零件圖的尺寸標注，零件工藝結構與畫法，零件技術要求及其標注等[7]以及最新的國家標準。 尺規繪圖部分還包括智力投影與構型設計試題。 要求學生根據給出的視圖盡可能多的想象出各種模型的空間結構， 并正確繪制和選擇所缺少的第三視圖。 該部分題目旨在考查學生空間構型能力和立體思維能力。 學生需要掌握基本體的投影， 立體表面交線 （截交線與相貫線， 回轉體相貫線要求采用簡化畫法），組合體構型與看圖，軸測圖，圖樣畫法[7]。

計算機繪圖：

要求學生使用Solidworks 等三維軟件根據已知的零件圖、軸測圖建立三維模型并進行裝配，最后由三維模型生成二維工程圖（包括零件圖和裝配圖）。要完成該部分試題內容，學生需掌握三維軟件草圖繪制、平面和曲面建模、三維零件裝配、工程圖生成以及模型渲染等方面的知識。 同時需要熟悉零部件裝配過程以及裝配過程中所需用到的標準件和連接、約束等關系。

3D 打印產品設計：

從2015 年起， 高教杯先進成圖大賽增加了產品創新設計與3D 打印作為大賽的補充項目， 比賽方式為參賽現場給定設計主題， 選手圍繞主題， 在規定時間內， 按照任務書要求自己設計零件結構和外形， 使用建模軟件建立三維模型并將模型轉化為可用于3D 打印格式的文件， 最后利用參賽現場提供的3D 打印機打印出零件的實物模型并進行裝配。

2.2 高教杯先進成圖大賽能力分析

縱觀整個高教杯先進成圖大賽內容，可以看出，大賽主要考核參賽選手以下幾方面能力：

（1）徒手繪制復雜產品零件圖的能力，包括按照制圖國家標準規定， 正確標注產品尺寸和技術要求、工藝要求的能力。

（2）能夠利用Solidworks 等三維建模軟件快速建立復雜機械零件的三維模型并進行裝配以及演示動畫渲染等。

（3）利用三維軟件及3D 打印機進行機械創新設計的能力。 能夠對產品的外觀及簡單結構進行機械創新設計，具有一定的創新思維和創新意識。

3 總結

世界技能大賽CAD 項目和 “高教杯” 先進成圖大賽是機械制圖領域的兩大最權威賽事， 其競賽內容和能力要求緊扣行業發展需求， 也指引著機械制圖課程未來發展方向。 通過前面的分析發現， 兩大競賽都具有以下幾方面特點：

（1）對機械零件表達方式的要求更加多樣化。 要求參賽選手不僅能對繪制機械零件的二維圖紙，還必須能夠建立零件的三維模型、模型裝配以及動畫渲染等。

（2）對參賽選手創新設計能力的要求不斷提高。 兩大競賽都設有機械創新設計內容，要求選手必須具有創新意識和能力，要真正將學到的知識用于創新實踐。

（3）對新技術、新方法的重視程度不斷提高。 隨著信息技術的發展， 涌現出類似3D 打印等新的零件表達方式，真正做到對零件360°全方面展示。 這就要求選手了解和掌握新的零件表達方式并具有將設計的機械零件快速成型的能力。

通過以上分析， 可以看出機械制圖課程未來發展趨勢和方向， 從而為后續機械制圖及其相關課程的教學改革做準備。