與基于模型定義技術相融合的工程圖學課程教學探討

于 勇，劉靜華，趙 罡,2

與基于模型定義技術相融合的工程圖學課程教學探討

于 勇1，劉靜華1，趙 罡1,2

(1. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.北京市高效綠色數控加工工藝及裝備工程技術研究中心，北京 100191)

針對工程圖學課程教學，從工程應用角度介紹了產品定義技術所經歷的3個階段，即二維設計二維出圖、三維設計二維出圖和全三維數字化定義，引出基于模型技術的起源與應用發展。結合波音787飛機模型解析了基于模型定義數據集的組成和表達形式。引用航空標準中幾何尺寸與公差標注方法，以圓柱面為例，探討了與基于模型定義技術相融合的工程圖學課程教學案例，對比分析了二維工程圖和三維基于模型定義數據集的表達內容、表達形式和優缺點。與基于模型定義技術相融合的工程圖學課程教學，一方面可以增加課堂信息量、拓寬學生的知識面，強化學生的工程基礎，為后續專業課程學習和實際應用打下良好基礎；另一方面也可以激發學生的學習興趣和科研興趣，形成科研與教學之間的良性互動。

工程圖學；基于模型定義；教研互動；圖學教育；CATIA軟件

工程圖學通過圖形化的語言使得制造者無需和設計者見面就能夠準確地復制設計者的意圖，其作為一種最重要、最高效的信息載體，在工程設計制造領域一直扮演著準確傳遞產品設計信息和制造信息的重要角色。經過多年的實踐，目前國內院校在工程圖學課程的教學中，基本采用3種教學模式，即與工程圖學課程理論課并行開設單獨的三維造型上機實驗課程、理論課加上機實踐作為課程的補充、理論課融合上機展示與上機實踐[1-4]。無論采用哪種模式的教學方法，目前在教學中三維模型的表達上大多還是采用單純的幾何模型來表達二維圖樣的內容(側重表達幾何特征)，其需要與二維圖紙(側重表達尺寸與技術要求)相輔助才能表達完整的零件信息。而企業的實際需求不僅需滿足建立產品的三維幾何模型，還需用簡明的方式加入產品的制造信息，從而能夠實現CAD到CAM (加工、裝配、測量、檢測)的集成，彌合了三維模型直接用于制造的間隙。因此計算機的出現和圖形學的發展，使產品描述的通用介質突破了“只有長、寬2種尺度的圖紙”，催生了基于模型定義(model-based definition, MBD)技術[5]，其是數字孿生等數字化技術應用的前提和基礎。MBD技術突破了傳統的二維圖樣的表達手段，給古老的工程圖學賦予了更多的內涵和生命力，且在企業的應用中有逐步取代二維圖紙的趨勢。工程圖學課程是本校的專業基礎平臺課，是為后續其他機械類課程打基礎的課程，除了要培養學生的空間想象能力、讀圖和畫圖能力之外，還要培養學生的工程意識和工程創新能力。因此在工程圖學教學中有必要將MBD相關概念、原理和內容融入到課程中向學生們進行講解，并讓學生知曉如何將原來圖紙中展示的相關信息通過三維模型傳遞給后續的制造部門。這樣做，一方面鞏固學生對工程圖樣的理解，強化學生的工程基礎；另一方面可以開闊學生的視野，激發學生的思考，培養學生的科研興趣，形成理論聯系工程實際的科研與教學之間的良性互動。這與國內外有些高校以工程應用為主線、理論與實踐并重的課程體系建設思路是一致的[6]。

在工程圖學課程的教學中，可通過3個環節將MBD相關內容融合到課程教學當中：

(1) 入門概述(0.5學時)。通過緒論以工程應用為主線介紹產品定義技術的發展，進而引入MBD的起源與發展；

(2) 理論介紹(0.5學時)。在零件二維圖樣表達章節中，通過波音實例，融入MBD數據集的內容和表達方式；

(3) 實踐演示(0.5學時)。在上機環節通過實例對比分析兩者之間的異同。

1 產品定義技術的發展

自法國科學家蒙日1795年創立《畫法幾何》理論起，產品的定義得以規范化的形式呈現，工程圖成為工程師的語言，主導了2個多世紀的產品表達。伴隨著計算機發展和人們對復雜產品生產率的追求，數字化產品定義技術的出現改變了傳統設計的工作方式，極大的減輕了人類勞動工作量，加速了工業品更新換代的速度，推動了人類工業化的進程。在工程圖學課程的課堂上，學生有必要了解MBD技術是產品定義技術發展到一定階段，而產生的新技術，其為學生后續進入工程或科研崗位時提供必要的理論基礎。產品定義技術經歷了從二維工程圖到三維模型發展的3個階段。

(1) “二維設計、二維出圖”階段。蒙日提出以投影幾何為主線的產品二維平面表示方法，將工程圖的表達與繪制高度規范化、統一化，使工程圖成為工程界常用的產品定義語言。上世紀60年代，又出現了以計算機繪圖代替圖板手工繪圖的計算機輔助設計(computer aided design, CAD)技術。此時的CAD并非是真正意義上的輔助設計，只是替代了傳統的手工繪制，是工程圖的電子化表達，這種“電子圖板”在節省人力及增強工作效率方面帶來了革命性的效率提高。在該階段，二維工程圖紙作為設計階段向后續制造階段的唯一交付物，是工廠生產產品的唯一依據。

(2) “三維設計、二維出圖”階段。雖然電子圖板大大提高了設計效率，但其所表達的二維圖樣不夠直觀，且不能直接用于制造環節。企業的需求及上世紀80年代三維CAD產品功能日益成熟，產品設計演變為首先利用三維CAD軟件構建三維模型，然后使用CAM (computer aided manufacturing)系統根據三維實體模型的型面信息自動生成數控機床刀具控制代碼，通過網絡進行傳輸和遠程控制，在一定程度上實現了設計制造一體化。然而，在設計系統產生數控程序并將程序代碼傳輸數控機床的過程中，只表達了數控機床的刀具軌跡信息，而丟失了很多其他必需的工藝信息。在此階段，產品生產制造過程分為2步：①二維為主三維為輔；②三維為主二維為輔。即先利用三維CAD軟件構建三維模型，再利用軟件自動完成投影、消隱生成二維工程圖后進行必要修改和標注，將三維模型和二維圖紙同時作為交付物向下游制造環節傳遞，后續的制造部門再根據圖紙和模型進行工藝信息的添加和處理。

采用三維模型與二維工程圖共同表達產品工程設計信息的方法，由于設計上游的需求不斷更改以及三維CAD軟件轉化功能的限制，常常會造成數據冗余、沖突，導致二維和三維數據不一致，需要花費大量的時間與精力來維持這種數據的統一性。

(3) 全三維數字化定義——MBD階段。MBD并不是一個完全全新的概念，領先的制造企業早在上世紀90年代就曾設想繞開二維圖，但當時囿于技術瓶頸、認知習慣、行業阻力等并未得到廣泛普及。直至波音公司在波音787飛機的研制中對MBD進行了推廣應用，MBD技術開始逐漸被業界認可。在MBD階段，產品研制過程中不再發放二維圖紙，將原承載在圖紙中的信息及圖紙中未表達完全的信息都在三維模型中得以表達，因此MBD模型也被稱之為MBD數據集，其作為研制階段的唯一授權，避免了三維模型與二維圖紙不一致的問題，是實現設計制造一體化的基礎。我國航空企業在波音轉包生產的帶動下，在國內率先實現了MBD技術，隨之其他航天、軍工和機械企業也先后開展和實施了MBD技術，相應地出臺了各自的企業標準，并取得了很大成效。繼MBD技術后，國外相關的理論研究和應用延拓到基于模型的企業MBE (model-based enterprise)、數字線(digital thread)、數字孿生(digital twin)等[7-8]。這些全新的名詞和概念，可以留給學生課后進行相關資料的查閱，進一步擴展其工程視野。

2 MBD模型的表達

MBD模型和傳統三維模型的區別是什么？有了MBD模型是否就可以不用再學習二維工程圖的繪制了？在工程圖學的課堂上，學生首先會想到這2個問題。因此可以在傳統的零件二維圖樣表達內容講解過程中，將MBD三維表達的內容融入到課堂當中，并與傳統零件二維圖樣進行對比和分析，且通過工程實例進行說明。

2.1 MBD定義

MBD是一種面向計算機應用，可將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型中的先進的數字化定義方法。其是集成的三維實體模型，即以幾何模型為核心，將制造環節的要求反饋給設計系統，并按照設計系統給出的內容組織框架實現對產品模型的全數字化定義。傳統的三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細形狀信息，但卻不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面處理、熱處理、材質、連接方式、連接范圍、顏色等非形狀信息。MBD模型不僅描述了設計幾何信息而且定義了三維產品制造信息和僅靠形狀而無法表達的非幾何的管理信息，并利用協同定義技術手段建立了其特有的表達形式，從而使后續使用人員可以最大化地重用MBD數據集，僅需一個數模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統的過度依賴，使設計、制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統的集成而保持有效的連接。MBD模型以全三維的形式展示了產品的全部數據，在其定義的過程中融入了基本的規范標準、知識工程和協同過程，將各種抽象、分散的知識更加形象和集中，使得設計、制造的過程演變為知識積累和技術創新的過程，從而成為企業知識的最佳載體。

雖然說MBD技術真正開啟了全三維數字化研制的時代，使無紙化研制成為可能，但二維工程圖在相當長的一段時間內是不能完全取消或被替代的。首先，由于MBD技術在企業中實施的深度和廣度還不夠，在制造過程中的某些環節中仍然需要二維圖樣輔以進行產品或零件的表達。其次，和國外企業的合作以及舊型號產品的存在，技術人員仍然需要對保留下來的二維圖樣進行讀取分析，并基于二維工程圖進行產品的制造。最后，工程圖學課程教學的目的在于培養學生的空間想象和創新思維的能力、遵守標準規范進行零件表達的能力，因此全三維的MBD模型的產生與現有的理論知識學習并不相悖，在現有理論學習的基礎上，把MBD相關內容向學生進行補充講解，從而進一步拓展學生在工程圖學課程學習中的深度和廣度。

2.2 MBD數據集內容

圖1為MBD數據集的組成內容，包括實體模型、設計參考、三維標注尺寸和公差、注釋以及其他定義數據等。MBD數據集是精確的三維實體模型，其通過模型指定的幾何集關聯了產品的三維幾何信息、零部件信息以及描述一個產品所必須的尺寸、公差和注釋信息。

圖1 MBD數據集的組成與實例

圖2為波音某型飛機MBD數據集的示例。與二維工程圖紙相比，三維模型更能讓后續環節的工作人員明白和理解設計意圖。MBD數據集在幾何信息的構建上借助了三維模型自身的直觀性和CAD系統所具備的靈活查看功能，極大地降低了設計意圖被誤解的可能。在MBD幾何信息的構建過程中，不僅包含精確的產品三維模型，而且還包含其在構建過程中所包含的參考模型、幾何元素、幾何約束和能被后續使用人員所理解的各種視圖等，這些信息構成了MBD數據集幾何信息的核心載體，展示了模型內部和外部的復雜的關聯關系。

圖2 波音MBD數據集示例

除此之外，在MBD模型中還可以表達三維標注和非幾何信息，見表1[6]，部分信息在原二維工程圖中并不能完整、直觀地表達出來。

表1 MBD非幾何信息

由于補充了這些信息，后續制造加工環節則可以直接從MBD模型中讀取相關信息并傳遞給制造系統中進行生產加工，避免了傳統的三維模型到二維圖紙之間的轉換以及二維圖紙表達信息不完整、讀取不便的情況。

3 教學中的MBD模型示例

在工程圖學的教學中，工程實例是吸引學生最好的方式之一。因此在課堂教學中，圖3向學生展示波音某型飛機MBD數據集的表達，并解釋其是采用CATIA的三維標注模塊進行標注，用特征樹來組織模型的工程標注等非幾何信息。展示的同時，也引導學生進行同步思考，傳統的二維圖樣表達和MBD模型表達零件時有何區別？各自優缺點？傳統的二維圖樣轉換成MBD模型時相關信息應如何表達？通過問題的導入，讓學生進行更深入的思考，提高學生們的工程意識和解決問題的能力。圖3為一個端蓋零件的二維工程圖，其表達時需滿足以下要求：

(1) 用各種視圖完整表達出零件的內外結構；

(2) 完整的尺寸標注；

(3) 填寫技術要求和標題欄。

由于MBD模型是以三維模型為基礎，而目前所制訂的標準還比較依賴于CAD軟件的功能，通用的、完整的三維標注規范尚不完善，航空標準HB 20282-2016《基于模型的定義-尺寸與公差標注》就是在CATIA軟件的基礎上制定完成的。在此標準中采用尺寸引出標注、指引線標注和延長線標注等不同方法針對球面、柱面、平行平面、斜面、倒角、圓角、孔深和槽口等特征進行了規定，見表2[9]。

圖3 端蓋零件圖

表2 HB 20282-2016中三維標注的規定

課堂理論介紹以圓柱面為例，在進行公差基準的標注時，可以輪廓要素圓柱面為基準，也可以輪廓中心圓柱軸線為基準，二維圖樣的表達是以基準符號是否與尺寸線箭頭重疊為依據進行判斷，如與尺寸線錯開，則以輪廓要素為基準，如圖4(a)所示；如與尺寸線箭頭重疊，則以輪廓中心為基準，如圖4(b)所示。

圖4 二維工程圖樣中基準的標注

在MBD模型表達時，需強調按照規范的要求區分2種表達。如以輪廓要素圓柱面為基準，則將基準符號放在引出線上如圖5(a)所示的基準B和G；如以輪廓中心圓柱軸線為基準，則需將基準符號放在尺寸線上，如圖5(b)所示的B和G[9]。

圖5 MBD模型中基準的標注

由于學時有限和CATIA軟件復雜度較高，因此在展示分析二維圖樣表達和MBD表達兩者之間的區別時，主要以教師展示、學生交流討論為主，課后學生以自主練習的方式進行上機實踐。參考航空標準HB 20282-2016，采用CATIA軟件建立的端蓋MBD模型如圖6所示，模型可以通過軟件的“捕獲”功能展示所標注的尺寸公差信息。可以看到二維工程圖樣和MBD模型表達的不同之處包括：

(1) MBD模型并未完整表達出零件的所有尺寸，僅標注出制造過程中重要的尺寸和技術要求；

(2) MBD模型中可以包含原圖紙中未表達的信息，如加工要求、檢驗要求以及制造要求等；

(3) MBD模型中相應的注釋可以和零件的多個三維特征建立映射關系，使得表達更明晰，易于理解。

MBD模型有諸多的優點，但在進行零件表達時也存在其不足，如相關標準規范依賴于特定的CAD軟件，不夠通用和完善；模型尺寸較大或尺寸較多時，電腦屏幕不能展示其全貌等。通過課堂交流和討論，讓學生們進一步認識到目前二維工程圖存在的必要性以及MBD技術工程應用的局限性，培養學生自主思考和創新的思維。

4 結 論

工程圖學課程教學與企業工程應用緊密相關，工程圖學課程教學為工程應用提供專業基礎，工程中的實際應用為教學提供素材。無論采用二維工程圖還是采用MBD模型進行零件表達，都必須要遵循一定的標準進行標注。由于目前MBD相關的標準還未達到二維工程圖樣標準規范的完整和通用程度，而且對軟件產品的功能依賴性很強，因此短時間內，在工程圖學課程中全面推廣MBD技術，還需要相應通用性規則的進一步成熟和完善。隨著MBD在企業中全面展開并實施，相信企業的需求會進一步推動標準規范的完善，進而在工程圖學課堂中會逐步強化MBD的教學內容。在當下的教學中，應將MBD相關的內容和應用向學生們進行介紹，將基于模型定義技術與工程圖學課程相融合，一方面可以增加課堂信息量、拓寬學生的知識面，強化學生的工程基礎，為后續專業課程學習和實際應用打下良好基礎；一方面也可以激發學生的學習興趣和科研興趣，形成理論聯系實際的科研與教學之間的良性互動。

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On Engineering Graphics Course Teaching Integration with Model-Based Definition Technology

YU Yong1, LIU Jing-hua1, ZHAO Gang1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. Beijing Engineering Technological Research Center of High-Efficient & Green CNC Machining Process, Beijing 100191, China)

Aiming at the teaching of engineering graphics, the present study introduces the three development stages of product definition technology from the perspective of engineering application, including two-dimensional design and two-dimensional drawing release, three-dimensional design and two-dimensional drawing release, and fully three-dimensional digital definition. The origin and application development of model-based definition technology are also introduced elaborated in this paper. The content and expression method of model-based definition dataset are introduced and analyzed by using Boeing 787 aircraft model. Referring to the geometric dimension and tolerance annotation method of aviation standard, taking cylindrical surface as an example, we discussed the teaching case of engineering graphics course integrated with model-based definition technology. The expressive content and method, advantages and disadvantages between two-dimensional engineering drawings and fully three-dimensional model-based definition dataset are compared and analyzed. Engineering graphics course integrated with model-based definition technology can not only increase the amount of classroom information, but also broaden the students’ knowledge and provide a good foundation for the following professional courses and practical application. In addition, it can stimulates the student’s interest in learning and scientific research, and promote the good interaction between scientific research and teaching.

engineering graphics; model-based definition; interaction between teaching and research; graphics education; CATIA

TB 23

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040816

A

2095-302X(2019)04-0816-06

2019-03-05；

定稿日期：2019-04-21

2019年北京航空航天大學教改項目

于 勇(1977-)，女，黑龍江大慶人，講師，博士，碩士生導師。主要研究方向為復雜產品數字化協同設計制造技術、數字孿生模型定義與應用、產品構型管理。E-mail：yuyong@buaa.edu.cn