面向工程實踐的《三維建模技術》課程改革

周秋忠

摘要：結合產品設計技術的發展現狀，以及我國制造企業的應用情況，提出了《三維建模技術》課程內容的改革設想。論述了產品設計技術的發展演變歷程，從技術發展及工程應用角度，闡述了三維標注技術、參數化設計技術、關聯設計技術、知識工程技術的內涵、特點，分析了這四項技術在制造企業工程實踐應用中的重要意義，以及在課程中講授這些技術的必要性。最后，提出了講授這四項技術的具體課程內容。通過課程內容改革，將培養出更符合技術發展及企業需求的創新型和應用型人才。

關鍵詞：三維建模;三維標注;參數化設計;關聯設計;知識工程

中圖分類號：H191? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0243-02

0? 引言

隨著計算機與軟件技術的發展，產品定義技術經歷了從工程制圖技術到二維CAD技術，再到三維建模技術的發展歷程。早期的數字化產品定義技術，即計算機輔助設計（CAD）技術的目標是創建工程圖，用計算機代替圖板進行產品設計。二維工程圖采用投影理論將產品的三維空間幾何轉換成平面圖形，而在使用時又需在大腦中將平面圖形構建成三維立體空間幾何，導致工程技術人員需要在三維到二維、二維再到三維之間不停地轉換，轉換過程中容易因理解不一致造成出錯[1];同時，它在表達復雜的空間曲線、曲面時又存在很大的局限性。三維建模技術是一項所見即所得的數字化產品定義技術，它直觀地表達出了產品真實的三維實體結構，從根本上改變了工程設計的方法。由于三維建模技術的巨大優勢，它在一出現就被歐美等發達國家的眾多制造企業所接受，廣泛應用于內燃機等眾多高端制造業，形成了成熟的三維設計技術體系。相比發達國家，由于知識產權及軟件成本的因素，我國制造企業在三維建模技術的普及上還存在較大差距，特別是中小企業當前仍廣泛的以二維工程圖設計為主、三維設計為輔。但在當前全球化協作分工的大背景下，我國制造企業廣泛、深入地應用三維設計技術必是大勢所趨[2]。因此，我國各大工科院校在機械類專業中除了繼續開展傳統的《工程制圖》課程教學外，都增加了《三維建模技術》課程的教育[3]，并在力度上需要不斷加大。

雖然我國制造業正在對三維建模及設計技術開展廣泛應用，并在工科類院校中的機械專業教學中普遍開設了《三維建模技術》課程，但是在對三維建模及設計軟件的應用方式和方法上，與國外發達國家相比存在很大差異。當前，我國制造企業并沒有普遍建立起以三維數字模型為中心的設計制造體系，絕大部分仍然沿用基于二維工程圖的設計制造體系，三維建模技術只是二維設計技術的一個輔助，只是在需要對產品或零件做計算機輔助分析時，或其它特殊需要時，才會采用三維建模技術建立三維數字模型。因此，三維設計技術的優勢并沒有被完全發揮出來。在教學中，《三維建模技術》課程的教學內容主要圍繞三維建模軟件中的常用功能模塊展開，包括草圖設計、零件設計特征命令操作、裝配設計、工程制圖生成等[4]，并沒有完全展現軟件的先進功能，同時也沒有有效結合當前國內外總結得到的最佳工程實踐，導致課堂教學與工程應用的脫節，沒有實現因需施教，沒能為產業的發展起到推動與支撐作用。

鑒于此，本文從技術發展及工程實踐應用的角度，對三維建模過程中的重點應用技術進行闡述，并具體說明《三維建模技術》課程教學內容的改革方向，以適應創新型人才培育的目標。

1? 三維標注技術

三維標注技術是在三維數字化實體模型上對產品尺寸、公差、制造技術要求等非幾何制造信息進行組織、表達、操作管理的一項技術，改變了傳統由三維數字化實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和制造工藝信息的分步產品數字化定義方法。同時，三維標注技術使三維數字化實體模型成為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖作為主要制造依據，而三維數字化實體模型僅僅作為輔助參考依據的制造模式。三維標注技術開啟了全三維數字化設計與制造時代，真正實現了三維數字化、無圖紙設計制造技術，使二維工程圖或工程圖紙成為歷史，即使有也不再是制造的主要依據，只是在特定條件下作為數據的一種輔助表達形式。三維標注技術的應用將引起產品制造過程的根本變化，徹底改變傳統的產品設計、制造模式，簡化產品設計和管理過程，引起設計制造技術的變革。

基于三維標注技術的諸多優點，該技術從1997年由美國機械工程師協會（ASME）聯合制造業巨頭共同發起三維標注標準起草制定工作起，到UG、PTC、Dassault等公司于2003年前后在其軟件系統實現該功能，再到波音公司于2004年左右在其最新研制的波音787項目中首次實現產業應用，只經歷了短短的幾年時間。當前，三維標注技術已在國外的眾多制造企業得到廣泛應用，且在我國的航空航天等國防軍工行業也得到了大規模推廣。因此，三維標注技術必將是未來制造企業產品建模時的通用手段，在《三維建模技術》課程教學中增加三維標注技術相關的教學內容，是行業應用發展的必然要求。

為使學生完整的掌握三維標注技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內容包括：①標注平面建立;②非幾何信息標注;③捕獲建立;④標注信息管理;⑤標注信息在工程圖上的投影。

2? 參數化設計技術

參數化設計方法又叫尺寸驅動法，它是在零件內部特征要素之間建立起尺寸約束方程式，從而通過改變其中的幾個尺寸參數來達到控制整個零件結構形狀的一種自動化設計技術。參數化設計理念于20世紀60年代誕生，現已具有成熟的理論與方法體系，并成功地應用于當前CATIA、UG、CROE等主流三維建模軟件中。參數化設計使設計人員從大量繁瑣的設計、計算、建模工作中解脫出來，大大提高了模型生成和修改的速度。

在當前的產品設計活動中，創新型設計所占的比重很少，絕大部分都是產品的系列設計、相似設計或改型設計，并且大約70%的產品設計信息可以在設計時被重用。參數化設計技術正是在這樣的需求和背景下應運而生，從誕生之日起就極大的被技術開發人員所關注，并被廣泛地應用于各種工程實踐中，已成為加快新產品開發速度，縮短產品上市周期的利器。因此，掌握參數化設計技術已成為學生的必備技能，而在《三維建模技術》課程教學中增加參數化設計技術相關的教學內容，是必須的、必要的。

為使學生完整的掌握參數化設計技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內容包括：①變量定義;②變量與特征參數或幾何尺寸的關聯;③關系式建立;④規則制定;⑤零件系列規格表的設計。

3? 關聯設計技術

關聯設計是在產品自上向下設計過程中，實現產品設計信息從產品項層向下游零部件自動傳導、傳遞的一種設計技術。它屬于參數化設計技術范疇，是一種特殊形式的參數化設計方法。與參數化設計技術相比，關聯設計技術有兩大特殊之處：一是驅動參數形式不一樣，前者只能是數值或字符串類型的變量，而后者拓展上升為點、線、面等幾何要素;二是技術范圍不一樣，前者表達的是在同一個零件模型中變量與特征之間的驅動關系，而后者則是產品中零件模型與模型之間幾何元素的依賴關系。

關聯設計技術在產品開發過程中的作用是巨大的。當設計上游專業的設計對象發生變更時，相關幾何元素的設計更改能夠自動地傳遞給下游關聯要素，實現自動更新，無需再走常規的更改流程。這就可以實現各設計對象間的快速迭代機制，減少設計錯誤，在更好地保證產品設計質量的同時，大大縮短產品開發周期。當前，關聯設計技術在國外制造企業的應用已較普遍，但在我國只有國防軍工等少數行業開展了推廣應用。因此，高校有必要在《三維建模技術》課程教學中增加關聯設計技術相關的教學內容，使學生掌握這項技能，并在今后的工作崗位中應用推廣這項技術，推動國家整體制造水平的提升，實現教育引領和推動產業進步的歷史使命。

為使學生完整的掌握關聯設計技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內容包括：①產品整體結構及關聯要素分析;②骨架模型及參考要素建立與發布;③關聯機制建立及使用;④關聯機制的管理。

4? 知識重用技術

知識工程是人工智能技術在工程設計領域的發展與延伸，是人工智能與計算機技術、CAD技術不斷發展和融合的結果。將知識工程技術融合于產品設計開發領域，以工程知識驅動產品設計過程，實現設計決策的智能化與設計過程自動化，從而通過知識重用大幅度地提高設計效率與設計質量，縮短產品開發周期、提升制造企業的產品開發能力。基于知識工程的產品開發技術已成為促進工程設計智能化的重要途徑，受到了世界各國政府、研究機構、工業界的高度重視。從上世紀80年代開始，美國、日本和歐洲等西方發達國家將研究、開發和應用知識工程技術視為國家發展戰略的重要課題，以提高本國制造企業在產品設計和開發方面的創新能力，從而在越來越殘酷的全球化市場競爭中獲得優勢和可持續發展的能力。在當前主流的三維CAD系統中，都有解決知識重用方案的知識工程模塊，如UG的Knowledge Fusion、CATIA的Knowledge Expert等。

在現代產品設計中，全新產品開發往往較少，絕大部分部分設計活動是在已有產品基礎上的改型、改進設計，存在著大量設計過程、設計模型的相似并重用。因此，將設計經驗、設計知識與通用三維CAD系統有機結合，最大限度地減少低效的重復性工作，實現產品設計過程的自動化、智能化，具有重要的現實意義。

為使學生完整的掌握知識重用技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內容包括：

①參數定義;

②關系構建;

③超級副本;

④用戶特征;

⑤控制規則。

5? 結束語

廣泛、深入地應用三維設計技術是我國制造企業的大勢所趨。大學教學要擔負起為社會培養創新型和應用型人才的重任，必須緊跟當前科學技術發展步伐，將最先進與前沿的科學技術成果納入教學過程中。本文從技術發展及工程實踐應用的角度，對三維設計中的重點應用技術進行闡述，并闡明了《三維建模技術》課程教學內容的改革方向，使該課程能適應先進設計制造技術的發展，為社會培養出滿足需求的機械類人才的目標，推動產業的發展。

參考文獻：

[1]趙慧清，安瑛，馮連勛.機械專業本科生全程三維設計能力培養模式[J].工程圖學學報，2004，25（3）：116-119.

[2]朱琳，寇小希，胡國田，等.基于三維設計的制圖類課程改革與實踐[J].教育教學論壇，2017（38）：120-121.

[3]羅云霞，唐艷麗，曲建俊，等.三維設計能力培養的系列課程改革與探索[J].機械設計，2018，35（7）：11-13.

[4]武立波，宋若冰，蔡衛國，等.三維實體建模與設計課程教學改革[J].裝備制造技術，2017（8）：273-274.