基于MBD技術的工程制圖教學體系構建

曹清園　王珉　張宗波　趙軍友

[摘 要]工程制圖的教學對象——MBD模型，應包含MBD設計模型、工藝屬性和MBD工序模型三部分。為順應制造業數字化的必然趨勢，應以傳統制圖和現代制圖共同的基礎：空間形狀、投影法、制圖國家標準為學習內容，以傳統和現代工程制圖為共同教學目標，圍繞形體的構型與表達，全面整合三維CAD技術，重構工程制圖教學課程體系，并根據不同的課程內容設計一整套線上、線下混合式教學方法。

[關鍵詞]MBD技術；工程制圖；三維構形；教學體系

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0063-03

已在全球航空業發展成熟的基于模型定義（Model Based Definition，MBD）技術首先由波音公司提出，作為全過程數字化設計解決方案，其可以有效避免二維制圖帶來的裝配干涉、研制成本高、周期長等問題，有利于解決二維設計空間關系理解難的問題，更適用于現代新型產品更新換代快和低成本研制的需求[1]。

當前，國外制造企業的數字化技術發展迅速，MBD技術得到了深入推廣和應用，已制定了相關標準（ASME14.41、ISO-16792、ISO14306、BDS-600、31000A等），且在國外眾多行業得到了推廣，如波音公司的787新型客機的研制過程和灣流公司的數字化三維飛機模型定義系統。國內方面，數字化企業建設工作仍處于起步階段，隨著MBD技術在航空、航天、汽車等大型裝備制造業中的研究和試點應用[2]，該技術的應用標準規范也在陸續制定，如已發布的關于MBD建模方面的GB/T26099-2010、GB/T26100-2010、GB/T26101-2010和“技術產品文件數字化產品定義數據通則”GB/T24734—2009[3]。

在國內，由于MBD技術與企業文化、管理體制和生產方式等方面存在沖突，其推廣得并不順利[4]。作為與MBD關聯最緊密的工程制圖課程，應提前讓學生適應這一數字化趨勢，為企業的MBD推廣和學生就業提供有利條件。因MBD技術以三維實體模型為載體，在工程制圖教學過程中應適應這一趨勢，從教學內容和教學方法上改變以往以三視圖和二維工程圖為教學目標的傳統，從“構形”入手，全面整合三維形體，真正做到工程制圖為三維MBD建模提供理論基礎的目的。此外，MBD不僅僅是三維模型加三維標注，而是將產品壽命過程中的全部設計、制造、管理信息等用模型的形式進行表達[5]。教學過程中應增加關于MBD制圖標準、工藝規劃、加工制造等產品全過程知識的學習和工程應用。本文首先結合文獻資料分析MBD技術的主要技術框架，以便從中摘取適宜本科教學的最基本的內容模塊，然后以SolidWorks為工具，圍繞三維形體，重新設計工程制圖教學內容和與之相應的教學方法，進行MBD技術教學初探。

一、MBD技術的知識框架

如圖1所示，MBD技術服務于產品設計、工藝規劃、加工、裝配和檢驗整個生命周期。MBD模型需完整、準確地描述產品零部件的幾何特征屬性、制造屬性和質量檢測屬性等信息；同時，還應滿足工藝、制造過程中對數據的需求，保證產品設計、制造過程中的協調性。在產品設計階段，MBD技術實施應用的關鍵技術包括MBD模型的建模方式、三維注釋的表示方法和MBD模型數據集的管理等[6]。在工藝規劃階段，MBD技術實施應用的關鍵技術包含設計模型向工藝模型的轉換、基于加工現場實際情況的工序模塊建模以及各個并行模塊之間的技術狀態變更等。

綜上，工程制圖的教學對象——MBD模型，應包含MBD設計模型、工藝屬性和MBD工序模型三部分。其中MBD設計模型部分包含體現零件功能的幾何信息模型和基本工藝信息的表達。工藝屬性包括模型所包含的基本工藝屬性信息。MBD工序模型包含零件加工制造過程中各加工工序的工藝屬性信息（如零件的工藝設計和工藝規劃信息）以及加工工藝信息（各工序尺寸及公差、加工要求、切削參數信息等）。

因此，作為工程制圖教學目標，在教會學生如何設計模型的同時，對于產品的工藝屬性和加工過程相關知識要涉及，更主要的是要讓學生學會這些知識的MBD標準表達方式。

二、服務于MBD技術的工程制圖教學體系

（一）MBD技術工程制圖理論基礎

工程制圖課程作為高等院校工科重要的基礎課之一，是工科學生必須學習的基礎課程，是工程技術人員用來設計、表達和交流技術思想的工具，因此其又被稱為工程界的技術語言[7]，這一點是不會隨著技術的進步而有所改變的。如圖2所示，傳統工程制圖的方式是通過圖形、文字、數字和規定符號以二維圖樣的形式表達在圖紙上。近些年隨著計算機三維輔助設計技術的發展，工程制圖的現代方式，即計算機三維實體模型+MBD在數據文件內表達得以迅速發展和廣泛應用。雖然傳統的尺規繪圖和現代的計算機三維繪圖對應不同的技術基礎，但是它們有著共同的理論基礎：物體空間形狀、投影法和制圖國家標準。這三個要素獨立于繪圖技術，是繪制工程制圖所必須掌握的知識，同時為傳統和現代兩種方式提供基礎。

為順應制造業數字化的必然趨勢，應以傳統制圖和現代制圖共同的基礎：空間形狀、投影法、制圖國家標準為學習內容，以傳統和現代工程制圖為共同教學目標，圍繞形體的構型與表達，全面整合三維CAD技術，重構工程制圖教學的課程體系，并根據不同的課程內容設計一整套線上、線下混合式教學方法。

（二）全面整合MBD技術的工程制圖教學內容

根據圖1緊密結合MBD技術需求設計教學內容如圖3所示，教學的服務對象主要為產品的設計階段，分別針對MBD模型建模、三維注釋和MBD模型數據集管理設計相應的教學內容，每一部分教學內容又分為紙上繪圖和SolidWorks繪圖兩部分，兩部分互為依托，緊密聯系。此處以機械類64學時課程為例編制教學大綱如表1所示。結合國情需要，三視圖部分依然較為重要，放在每一部分的構形與表達的“表達”部分講解。

因為MBD技術全面基于三維模型基礎之上，畫法幾何部分已較少應用，因此在新的教學內容中我們對這部分內容進行了刪減。此外，較難的內容，例如截交線和相貫線手工繪圖比較難理解，且工程意義不大，因此，我們只介紹其概念，然后在SolidWorks繪圖中講解其產生的原理和三視圖。全部教學內容始于“構形”，終于“構形”，從課程的第一部分開始，每一部分內容的講解均從“構形”開始引入，并以SolidWorks建模結束，真正做到了工程制圖為紙上繪圖實踐和三維SolidWorks繪圖實踐共同提供理論基礎的目的。此外，我們還增加介紹了各國的國際標準。目前，國際市場產品的生產國際化使得我們在教學過程中對于涉及制圖標準的部分，要詳細介紹各國標準的不同之處，特別是各國標準中對于技術要求的不同規定等。通過介紹讓學生了解目前三維模型表達方法的先進性和局限性，了解三維模型與二維圖紙互補的行業現狀。

（三）以 MBD技術為目標的工程制圖教學方法

1.整合三維形體，內容層層遞進

舉例說明。第一部分教學內容“形體構成”，將從日常生活中最典型的零部件出發，如自來水龍頭、千斤頂、齒輪泵等，以逐層遞進的方式講解課程教學內容和教學目標，并引入形體形狀的概念，啟動構形思維。如圖4所示（以齒輪泵為例），首先講解齒輪泵的工作原理，講解齒輪泵的零件構成、零件的分類、每個零件的作用，然后講解單個零件（如泵體主體部分）的構形，并以此引出特征、拉伸、旋轉等概念，以及本課程的學習內容——基本體及組合體的構形及表達方式。

2.基于云課堂，線上、線下混合教學

以服務MBD技術為培養目標，針對不同的學習內容，分別設計如表2所示的教學方法。

例如制圖標準部分內容的特點是知識點松散，各部分聯系性不強，趣味性差，需要熟練記憶。針對該特點，主要教學方法為：課堂講解、課堂、習題課搶答（PK-P、PK-G）、線上自測，該部分用SolidWorks三維標注增強課堂的趣味性；而構型設計部分的內容比較常規，學生需要完成的任務是完成習題冊練習題（包含紙上繪圖和SolidWorks繪圖）。該部分內容的特點是：知識點連貫，系統性較強，目標明確，主要鍛煉學生的讀圖、二維、三維繪圖技能和空間思維能力。針對該特點，我們主要采取的教學方法為：課堂講解、習題、線上自測，其中每一種方法均包含SolidWorks建模部分；表達方法和標準件部分的內容除了知識點連貫，系統性較強，目標明確，主要鍛煉學生的讀圖、繪圖技能和空間思維能力外，還有與實際工程相關性較強的特點。因此，主要教學方法除了課堂講解、習題冊作業、線上自測外，還有模型測繪、翻轉課堂等。

三、結論

MBD技術因其全數字化的制造模式、全方位并行的產品研發模式以及快速的技術響應速度，已迅速在以波音公司為代表的國外眾多企業中被成功應用并迅速推廣。國內的MBD技術雖然已在航空、航天等研究所中迅速發展，但是在普通行業中的推廣仍然存在不少問題，作為與MBD技術關聯最為緊密的工程制圖課程，在結合了MBD技術主體知識框架的基礎上，改變以往的以“三視圖”為核心的二維教學模式，圍繞“三維構形”，借助SolidWorks三維軟件，以服務MBD技術為教學目的，重構了工程制圖教學內容和教學方法，以期為MBD技術的推廣提供助力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1][6] 鄧云飛，張濤，張曉帆，等.航天三維MBD設計現狀及展望[J].中國航天，2017（3）：24-27.

[2] 嚴云灃，趙璐，王有遠.基于模型定義的協同制造研究[J].科技廣場，2015（2）：221-226.

[3] 本刊.機械產品逆向工程三維建模技術要求[J].機械工業標準化與質量， 2015（11）：17-20.

[4] 冉思益，陳世平，王旭.MBD技術在企業推廣應用的研究[J].機械與電子，2017（9）：19-23.

[5] 謝劍，李正強，黃帥，等.淺析大飛機數字化設計與制造技術[J].航空制造技術，2016（5）：87-92.

[7] 石玲，呂金麗.工程制圖教學模式改革的探索[J].東華大學學報（自然科學版），2006（5）：154-158.

[責任編輯：陳 明]