基于數(shù)字化設計的現(xiàn)代工程圖學教學模式研究

賀春山，劉曉杰，李慶華

(1.長春大學 機械工程學院，長春 130022;2.吉林大學 生物與農業(yè)工程學院，長春 130012)

基于數(shù)字化設計的現(xiàn)代工程圖學教學模式研究

賀春山1，2，劉曉杰1，李慶華1

(1.長春大學 機械工程學院，長春 130022;2.吉林大學 生物與農業(yè)工程學院，長春 130012)

本文分析了制造業(yè)的技術發(fā)展對工程圖學教育的要求，指出了圖學教學改革的方向。對傳統(tǒng)工程制圖與三維設計要求下的工程圖學之間的區(qū)別做了深入分析，明確了數(shù)字化工程圖學的基本定位與內涵，規(guī)劃出新圖學教育的模式和基本內容體系框架。對教學改革中傳統(tǒng)內容與現(xiàn)代內容的銜接、協(xié)調、融合等方面的一些問題進行了初步研討，并提出相應解決方案。

工程圖學;教學改革;三維設計;數(shù)字化

工程圖學是一門與生產實踐緊密結合的課程，它的發(fā)展也必然隨著生產實踐的發(fā)展而發(fā)展。而制造業(yè)不斷的信息化、集成化，必然要求工程圖的信息化、數(shù)字化。從實際應用來看，三維參數(shù)化是工程圖數(shù)字化的基礎。因此，筆者認為，基于三維數(shù)字化設計的現(xiàn)代工程圖學必然是以產品設計為導向，以三維設計造型為基礎的，注重實踐技能的技術基礎課程。

1 數(shù)字化是現(xiàn)代工程圖的基本特征

工程圖的信息化不僅是把圖樣“畫”到計算機里，而且是把圖形的數(shù)據(jù)信息，以合理的數(shù)據(jù)結構存儲到計算機里，并且能夠為各種工程應用提供模型基礎。制造業(yè)的信息化、數(shù)字化給現(xiàn)代工程圖學帶來了新的特征:工程圖學、設計學、計算機圖形學逐步融為一體，用計算機三維實體造型來表達設計思維，用幾何數(shù)據(jù)庫傳遞設計信息，同時要求必要的草圖繪制能力?？梢哉J為，設計制圖的基礎是以合適的數(shù)據(jù)結構建立3D數(shù)字幾何數(shù)據(jù)庫，將構思設計、立體造型、設計分析、虛擬樣機制造、裝配檢驗、繪圖工程圖、編制生產文件等全過程均由數(shù)據(jù)信息并行傳遞工程師在設計產品時的原始沖動是三維的，是有顏色、形狀、大小、位置、材料、運動關系、制造工藝等等具有幾何或者其他數(shù)據(jù)關聯(lián)的實際物體。同時，一項產品的設計開發(fā)，不但要建立產品的幾何模型，還要有結構力學分析、運動機構分析、仿真或者振動分析，以及生成工藝規(guī)程文件、數(shù)控加工、成品檢驗等設計/制造一體化工作。傳統(tǒng)的二維設計，不管是在圖紙上，還是在計算機上，由于原始數(shù)據(jù)的不完整，很難完成這些工作。而三維參數(shù)化設計既可以把設計者的原始設計想法變成實體，實現(xiàn)設計的實體化、可視化，也包含完整的原始設計數(shù)據(jù)。三維的設計結果，不僅有參數(shù)化的幾何特征，還有相關聯(lián)的工藝、運動等其他技術信息，可以支持產品設計生產的全過程。在參數(shù)化的三維實體完成之后，設計人員可以利用計算機軟件的二維/三維關聯(lián)功能，直接生成二維工程圖。而更加重要的是，三維幾何模型可直接用于很多計算機輔助工程(CAE)，以解決產品的力學性能分析以及結構性能的優(yōu)化設計等問題;利用其工藝信息，可以實現(xiàn)與產品的工藝規(guī)程生成(CAPP)、數(shù)控加工(NC)程序的數(shù)據(jù)共享和集成。可以說，這樣的過程，正是產品設計數(shù)據(jù)的數(shù)字化過程。

與二維設計不同，三維參數(shù)化設計是一種完全數(shù)字化、信息化的設計，它使整個設計生產過程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高度一致性，并極大地提高了設計效率，并為產品項目管理、生產過程管理、銷售、財物等等的企業(yè)資源管理(ERP)提供了基本的原始數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 參數(shù)化的三維CAD數(shù)據(jù)的作用

可以說，數(shù)字化生產要求工程圖的數(shù)字化，這也必然要求工程圖的底層模型的數(shù)字化，其必然結果就是設計出參數(shù)化的三維幾何模型。而設計生產的全過程就可以根植于參數(shù)化三維實體，進而完成其他所有可能的應用，包括產品的結構設計、性能分析(如運動分析、力學分析、可靠性分析等等)、數(shù)字化樣機模擬、加工檢測及相應的工程文件、產品發(fā)布和銷售、使用、培訓的技術資料、產品研發(fā)的項目管理、產品生產制造的成本分析及財務數(shù)據(jù)提供等等。

基于上述分析，現(xiàn)代工程圖學應該將以二維設計為主的教學模式，轉換為以三維參數(shù)化設計為出發(fā)點，兼顧投影理論和二維圖樣表達方法的，與現(xiàn)代生產實踐的數(shù)字化相適應的教學模式。

2 數(shù)字化工程圖學要求的教學模式

由于制造業(yè)的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化的不斷發(fā)展，必然要求現(xiàn)代工程圖學調整自己的教學目標和教學手段，進而形成繼承傳統(tǒng)，又有創(chuàng)新的現(xiàn)代工程圖學教學新模式。如果說將計算機二維工程圖的教學融入工程圖學教育是一種教學改革的話，那么，將參數(shù)化三維設計的理念和工具融入工程圖學教學，就是一種革命。

2.1 數(shù)字化工程圖學教學目標

數(shù)字化的工程圖學要求的教學模式應該達成如下目標。

①培養(yǎng)使用繪圖軟件進行參數(shù)化的三維幾何特征造型及簡單裝配的能力;

②培養(yǎng)對空間形體的形象思維能力和表達能力，掌握基本的構型方法;

③由三維模型繪制二維工程圖樣，并掌握二維工程圖的表達方法;

④初步掌握現(xiàn)代工程設計理念和工程設計的基本常識，培養(yǎng)基本的工程意識和素質。

2.2 數(shù)字化工程圖學的教學體系構建原則

課程體系與設計過程保持一致;以優(yōu)秀的三維設計軟件為工具，以產品設計為主線，從三維參數(shù)化實體模型出發(fā)，按照從三維到二維的設計思維來構建課程，將三維建模，二維工程圖表達以及機械制圖知識融為一體;盡量弱化在工程制圖中不可見的畫法幾何的內容，其難點盡量不涉及。

圖2 三維設計中的相貫線自動生成

對于學生來說，畫法幾何的難點是截交線、相貫線。而這些交線在三維設計中都是自動生成的，不需要特意關注，見圖2;在傳統(tǒng)的工程圖中，相貫線(過渡線)也是采用近似畫法的。所以，這部分弱化或者略講，并不影響工程圖學的教學結果，也不影響未來的工程師們的實際工作。

2.3 數(shù)字化工程圖學的教學體系及模式

包括三個環(huán)節(jié):正課、輔導制圖課、上機實驗課。

正課是主要的教學內容，由教師主導完成，是實現(xiàn)教學目標的重要環(huán)節(jié)。應該包含畫法幾何的基本知識和機械制圖的大部分內容如:制圖基本知識、正投影法及點線面體的投影、換面法等、組合體三視圖、表達法、構型法、軸測圖、標準件及零件圖、裝配圖;還應該包含計算機二維繪圖(AutoCAD，要求自學)、三維設計軟件的建模和裝配(Inventor)。這些內容應該融合在一起，工具軟件和課程應用要有機的結合。比如組合體與構型法就應該放在一起講;零件圖和表達法應該在三維造型之后講，并且表達法應該放在零件圖里;而零件圖和三維建模、表達法等也要做結合，并通過上機實驗來進行簡單的產品設計。

輔導制圖課，包括答疑，習題講解、和尺規(guī)、徒手繪圖。從傳統(tǒng)的教學經驗上看，在點線面體的三面正投影中，線、面、體的投影性質和空間分析均應安排習題課，組合體部分也應該安排適量的習題講解。而制圖基本知識、組合體、軸測圖、標準件、零件圖、裝配圖部分均應有尺規(guī)繪圖，并且應該安排一次徒手繪圖課。有實物模型的也可以安排積木教學討論課。

尺規(guī)制圖和徒手圖是培養(yǎng)學生工程意識和工程能力的重要手段，在現(xiàn)階段不宜取消，而要有適量的和適度的要求。

表1 數(shù)字化工程圖學的教學體系框架

上機實驗課，包括二維繪圖和三維造型及工程圖。鑒于目前國內的AutoCAD應用非常普遍，應適當引導學生自學該軟件。課程中應該主要以三維設計軟件為主，并且以草圖約束、三維建模方法、裝配表達、二維工程圖生成及表達為重點。實驗內容設置上應該考慮以產品設計為線索，可以安排簡單的產品設計綜合題目，如擺鐘設計、自動鉛筆刀設計、小臺鉗設計等。

4 結語

在計算機三維技術的支持下，工程領域尤其是制造業(yè)已經發(fā)生了深刻的變革，在這種情況下，工程圖學的教學內容必須有所揚棄，教學模式也應深入改革。繼承傳統(tǒng)，引入前沿知識和技術是必然的選擇。以三維設計為核心的，數(shù)字化的工程圖學教學與以往的以二維工程圖為主的教學模式有很大區(qū)別，必須采用適應制造業(yè)發(fā)展的教學方法和手段。而引入三維設計軟件作為課程工具則是工程圖學課程不能回避的唯一出路。

［1］ 竇忠強，等.高校的CAD教學應從三維開始［J］.工程圖學學報，2001(4):112－105.

［2］ 陳錦昌.本科工程圖學課程基本要求的修改［J］.工程圖學學報，2004(3):101－105.

［3］ 童秉樞，易素君，徐曉慧.工程圖學中引入三維幾何建模的情況綜述與思考［J］.工程圖學學報，2004(4):130－137.

［4］ 馮娟.美國高校工程圖學教育特色分析［J］.工程圖學學報，2008(3):139－144.

Research on Course System of Engineering Graphics Based on Digital Design

HE Chun-shan1，2，LIU Xiao-jie1，LI Qing-hua1
(1.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China;2.College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China)

This paper analyzes the requirements of manufacturing technology for the development of education in engineering graphics，pointing out the reform direction of graphics teaching.By analyzing the differences between the traditional engineering drawing and graphics under the request of the 3-dimensional design，it makes clear the orientation and the basic connotation of digital engineering graphics，and plans a system framework of mode and basic contents of modern graphics education.In the teaching reform，the connection，coordination and integration between traditional content and modern content are discussed and the solutions are given.

engineering graphics;teaching reform;3-dimension design;digitization

G420

A

1009－3907(2011)12－0104－03

2011-03-19

長春大學教研基金項目(XJZD10-02)

賀春山(1969-)，男，吉林長春人，講師，博士研究生，主要從事數(shù)字化機械設計方面研究;

劉曉杰(1956-)，男，吉林長春人，教授，主要從事數(shù)字化機械設計方面研究;

李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要從事數(shù)字化設計制造研究。

責任編輯:劉 琳