特征造型軟件環(huán)境下圖樣表達(dá)方法研究

姜立軍

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

目前所有流行的商業(yè)特征造型軟件，都具有二維圖樣和三維模型的雙向關(guān)聯(lián)功能，能自動(dòng)由三維模型生成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的各種視圖表達(dá)方法，并且，由二維投影視圖中的模型尺寸的修改，也可以反過(guò)來(lái)按照新的尺寸重建三維模型。在基于特征造型的軟件環(huán)境下，由于引進(jìn)了更多方便直觀的表達(dá)方法，三維工程制圖課程中有關(guān)視圖表達(dá)方法的教學(xué)，應(yīng)結(jié)合特征造型軟件的表達(dá)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)三維圖樣表達(dá)方法的訓(xùn)練。在這樣的大前提下，本文就已有的圖樣表達(dá)方法進(jìn)行分析比較，提出了對(duì)圖樣表達(dá)方法的改進(jìn)方案。

1 二維產(chǎn)品圖樣表達(dá)的基本形式

機(jī)械圖樣表達(dá)方法的教學(xué)中，主要內(nèi)容包括視圖表達(dá)、剖視圖表達(dá)、斷面圖表達(dá)、規(guī)定畫(huà)法和簡(jiǎn)化畫(huà)法，以及零件圖與裝配圖中的標(biāo)注規(guī)定等內(nèi)容。目前的教學(xué)模式，都是基于現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的基本規(guī)定展開(kāi)教學(xué)。這在手工繪圖還普遍存在的大環(huán)境下，對(duì)于減輕繪圖工作量，以及簡(jiǎn)潔表達(dá)形體特征而言是有幫助的，在基于二維手工繪圖的條件下，以現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的圖樣表達(dá)訓(xùn)練，作為培養(yǎng)二維平面圖形與三維幾何空間的投影對(duì)應(yīng)關(guān)系的形象思維能力及空間分析能力甚至是必不可少的[1]。

圖1主視圖采用了單一剖切平面實(shí)現(xiàn)全剖視。該剖視圖完全由三維特征造型軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)的肋板表示方法實(shí)際上是不符合現(xiàn)階段國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于剖視圖表達(dá)要求的。如果要達(dá)到此要求，則需要在軟件中采用很多類(lèi)似于二維或圖軟件中的輔助命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，且其修改結(jié)果只能作為注釋或者草圖保存在獨(dú)立的圖層，當(dāng)該三維模型變化時(shí)（比如修改肋板的形狀草圖），這些修改的結(jié)果無(wú)法做到自動(dòng)更新。因此而失去了特征造型軟件的優(yōu)勢(shì)。筆者認(rèn)為，這部分的相關(guān)規(guī)定應(yīng)該在教學(xué)中適當(dāng)弱化。

圖1 視圖、全剖視圖、局部剖視圖、斷面圖與軸測(cè)圖

斷面圖表達(dá)方法和剖視圖類(lèi)似，其主要是用來(lái)表達(dá)局部結(jié)構(gòu)特征。目前，三維特征造型軟件一般和剖視圖采用相同的工具實(shí)現(xiàn)，只是和剖視圖命令相比，在個(gè)別參數(shù)選擇上有所不同。因此，在視圖表達(dá)教學(xué)中，應(yīng)該不再刻意分開(kāi)教學(xué)。如圖 1所示的連接部分的移出斷面，在Solidworks2008中，實(shí)際是采用旋轉(zhuǎn)剖視圖和斷裂視圖兩個(gè)工具實(shí)現(xiàn)的。筆者認(rèn)為，剖視圖和斷面圖的教學(xué)不需要在進(jìn)行表達(dá)方法的明顯區(qū)分，而應(yīng)該統(tǒng)一到特征造型軟件的表達(dá)方式上來(lái)開(kāi)展教學(xué)。

軸測(cè)圖或透視圖具有立體感，不需要豐富的空間想象力和太多的看圖時(shí)間，就可以了解產(chǎn)品的幾何特征。手工繪制軸測(cè)圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一般人不易繪制，這類(lèi)圖形一般只作為幫助理解的輔助圖樣。然而，由于特征造型軟件的出現(xiàn)，基于全數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義模型，生成滿足不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的投影視圖，就只是一個(gè)簡(jiǎn)單投影變換的問(wèn)題。由于草圖是即時(shí)思想表達(dá)的最佳形式，尤其在概念設(shè)計(jì)階段，具有立體感的草圖構(gòu)型是幫助設(shè)計(jì)人員記錄創(chuàng)新靈感的重要方式?，F(xiàn)階段的圖學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，手繪草圖能力越來(lái)越得到重視，軸測(cè)圖或透視圖的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該逐步加強(qiáng)。

一直以來(lái)，人們?cè)诶L制齒輪、齒條、蝸輪、蝸桿、花鍵、彈簧、軸承、螺紋緊固件等有規(guī)律重復(fù)特征零件時(shí)，都是用規(guī)定簡(jiǎn)畫(huà)法而沒(méi)有詳細(xì)地把所有特征繪制出來(lái)。最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義通則”對(duì)這部分模型的簡(jiǎn)化表達(dá)形式有明確的要求，符合該標(biāo)準(zhǔn)的特征造型軟件可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這些模型的簡(jiǎn)化畫(huà)法。因此，這些標(biāo)準(zhǔn)間及常用鍵的規(guī)定畫(huà)法內(nèi)容應(yīng)該弱化。對(duì)稱(chēng)零件或結(jié)構(gòu)如圖1中的肋板等類(lèi)型的簡(jiǎn)化畫(huà)法，重復(fù)特征的處理，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是輕而易舉的。而如果按照規(guī)定簡(jiǎn)畫(huà)法或簡(jiǎn)化畫(huà)法，反而難以處理了。因此，這部分內(nèi)容應(yīng)該徹底放棄。

圖樣中的標(biāo)注，包括尺寸、公差、粗糙度、零部件序號(hào)、技術(shù)要求等內(nèi)容，是圖樣表達(dá)的重要部分。對(duì)于初學(xué)者而言，在圖樣上實(shí)現(xiàn)合理的標(biāo)注，都是非常棘手的事情。除去不熟悉機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的基本流程和方法等原因外，也與對(duì)零件結(jié)構(gòu)特征理解不透徹，尺寸標(biāo)準(zhǔn)純粹只考慮視圖中的幾何圖元關(guān)系，對(duì)空間特征幾何約束條件的理解欠缺有關(guān)。同時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于標(biāo)注的規(guī)定較為復(fù)雜，也是造成圖樣標(biāo)注錯(cuò)誤不斷的重要原因。但是，在特征造型環(huán)境下，幾何特征及非幾何特征在建模時(shí)就必須確定，這樣，在生成工程圖時(shí)可以自動(dòng)從模型參數(shù)中引入，實(shí)現(xiàn)比較合理的標(biāo)注。因此，在教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)增加圖形的幾何約束及尺寸約束的內(nèi)容，可以減少尺寸標(biāo)注的錯(cuò)誤。

2 數(shù)字化產(chǎn)品中新的圖樣表達(dá)方式

圖樣作為信息傳遞的載體，如果基于特征造型環(huán)境，全數(shù)字化定義的三維特征模型不僅包含了產(chǎn)品完整的幾何特征，也包含了像精度和材料特征等信息在內(nèi)的非幾何特征，傳遞的信息更加豐富、全面而精確。利用投影變換的原理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，與模型相關(guān)的幾何及非幾何特征信息就可以自動(dòng)在二維工程圖中進(jìn)行合理的表達(dá)；同時(shí)，由于數(shù)字化定義的引入，也產(chǎn)生了更多更新穎的表達(dá)方式，這對(duì)于現(xiàn)有的二維圖樣，是一個(gè)很好的補(bǔ)充。隨著軟件技術(shù)的進(jìn)步，并有可能完全取代純粹的二維圖樣，實(shí)現(xiàn)圖樣的三維表達(dá)。另一方面，與歐美國(guó)家更加重視設(shè)計(jì)思想、創(chuàng)新思維的啟迪及實(shí)踐能力的培養(yǎng)模式相反，我國(guó)大多數(shù)工程制圖教學(xué)實(shí)踐中，太多拘泥于圖形上這些表達(dá)細(xì)節(jié)的處理及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的宣講，這在手工繪圖環(huán)境下或者可能是需要的，但特征造型軟件的引入，把教學(xué)重點(diǎn)由對(duì)規(guī)定的宣講，轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)自身應(yīng)有的內(nèi)涵，以及創(chuàng)建合理的特征模型本身，開(kāi)展基于數(shù)字化模型的三維表達(dá)的教學(xué)，正是改變現(xiàn)有教學(xué)方法的最好契機(jī)。

2.1 表達(dá)視圖

表達(dá)視圖也稱(chēng)分解視圖，有的特征造型軟件稱(chēng)爆炸圖。其實(shí)這不是一種新的表達(dá)方法，日常生活中購(gòu)買(mǎi)的各種各樣的日常生活用品的使用說(shuō)明書(shū)中都有的示意圖，就是這種表達(dá)視圖，只是由于在手工繪圖環(huán)境下，只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練的人才能熟練掌握和使用，而在數(shù)字化定義條件下，這種表達(dá)視圖可以有計(jì)算機(jī)輕易生成。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也作了相應(yīng)規(guī)定，要求工業(yè)產(chǎn)品的使用說(shuō)明書(shū)中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用立體圖示，即立體裝配圖。

如圖2和圖3所示的噴嘴及汽車(chē)后橋表示的表達(dá)視圖，表達(dá)了明顯的裝配路徑和裝配順序。因此，比看二維工程圖去理解裝配關(guān)系容易得多，在三維特征造型軟件使用越來(lái)越普遍的情況下，這種表達(dá)方法應(yīng)該有所加強(qiáng)。

圖2 噴嘴表達(dá)視圖

圖3 后橋表達(dá)視圖

2.2 云圖

云圖通常用來(lái)表示零件特征在工作環(huán)境下，受載荷影響而導(dǎo)致的表面應(yīng)力及變形狀態(tài)。目前，多數(shù)特征造型軟件都有運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析模塊，工程制圖教學(xué)應(yīng)該從純粹的培養(yǎng)讀圖或繪圖能力轉(zhuǎn)移到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的層面來(lái)開(kāi)展，充分利用軟件提供的分析計(jì)算功能，對(duì)所設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度計(jì)算或壽命計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。因此，圖樣表達(dá)的部分應(yīng)該在特征造型軟件中適當(dāng)添加關(guān)于裝配環(huán)境下的載荷設(shè)置、材料性能等內(nèi)容的簡(jiǎn)單介紹，并利用軟件提供的分析功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，對(duì)云圖進(jìn)行解釋和說(shuō)明。圖4是在Inventor軟件中進(jìn)行有限元計(jì)算后的云圖，表明了該零件的應(yīng)力分布及變形情況。

圖4 云圖

2.3 裝配仿真

裝配是產(chǎn)品生命周期的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬裝配仿真與規(guī)劃，可以預(yù)見(jiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，提供設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)于進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、縮短產(chǎn)品生命周期具有重要意義。能夠?qū)崟r(shí)、方便地修改裝配順序和裝配路徑，準(zhǔn)確地描述零部件在裝配或拆卸過(guò)程中的位置姿態(tài)信息，跟傳統(tǒng)的裝配圖相比較，不僅從空間維描述了部件的裝配關(guān)系，同時(shí)，增加了時(shí)間維的描述，可以實(shí)現(xiàn)部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真。圖5表示裝配環(huán)境下3個(gè)不同位置的軸測(cè)圖，結(jié)合設(shè)計(jì)視圖表達(dá)方法，可以生成不同位置的工程裝配圖。在特征造型環(huán)境下的工程制圖課程，應(yīng)該將這部分內(nèi)容加強(qiáng)。

圖5 裝配仿真

3 三維特征造型軟件環(huán)境下的三維表達(dá)規(guī)范

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，二維圖紙不再是設(shè)計(jì)制造過(guò)程所必需的文件，三維模型替代二維圖紙將作為技術(shù)交流和信息傳遞的主要方式，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于 2006年底制定出ISO16792標(biāo)準(zhǔn)[2-6]。

參照ISO16792，《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734）系列于2010年9月成為正式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]。在新標(biāo)準(zhǔn)中，二維圖紙中標(biāo)注的信息都可以直接在三維模型中標(biāo)注，并且支持圖紙與三維模型中的標(biāo)注雙向互動(dòng)。相對(duì)于二維CAD環(huán)境中的標(biāo)注，三維標(biāo)注清晰直觀，無(wú)須嚴(yán)苛的訓(xùn)練，工程師、車(chē)間工人、管理人員，都容易理解。可以說(shuō)三維標(biāo)注的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)以后，為機(jī)械制造業(yè)徹底擺脫圖紙，提供了可能性。

GB/T24734從數(shù)據(jù)集的識(shí)別與控制、數(shù)據(jù)集要求、設(shè)計(jì)模型要求、產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通用要求、幾何建模特征規(guī)范、注釋和特殊符號(hào)要求、模型的數(shù)值與尺寸要求、幾何公差的應(yīng)用、基準(zhǔn)的應(yīng)用、模型簡(jiǎn)化表示法等作出了規(guī)定，為使用特征造型軟件的用戶在幾何建模、特征屬性及標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范。

3.1 標(biāo)注面、指引線與基準(zhǔn)要素基本要求

標(biāo)注面或稱(chēng)為注釋面，應(yīng)與三維幾何模型保持相關(guān)關(guān)系，如模型旋轉(zhuǎn)時(shí)，相關(guān)文字應(yīng)隨之旋轉(zhuǎn)。指引線元素的指引線，其終端用箭頭形式，指向面元素的指引線，指引線終端用位于該面內(nèi)的圓點(diǎn)表示，如圖6中的形位公差表示；基準(zhǔn)要素標(biāo)識(shí)應(yīng)該標(biāo)注到代表基準(zhǔn)要素的表面上，標(biāo)注基準(zhǔn)要素符時(shí)不應(yīng)使用模型輪廓的單延長(zhǎng)線，平面基準(zhǔn)要素標(biāo)識(shí)放置在垂直于該面的注釋面上，該注釋面上標(biāo)注一個(gè)尾端帶三角的引導(dǎo)線，回轉(zhuǎn)面末端以圓點(diǎn)帶引導(dǎo)線引出。兩相對(duì)平行面基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，將基準(zhǔn)要素標(biāo)識(shí)符與要素尺寸標(biāo)注及延長(zhǎng)線放在垂直于中心面的注釋面上，有限區(qū)域的標(biāo)識(shí)符的引導(dǎo)線應(yīng)該標(biāo)注在有限區(qū)域內(nèi)。

圖6 標(biāo)注面、基準(zhǔn)標(biāo)識(shí)及指引線

3.2 公 差

一般把公差分為尺寸公差和形位公差，在三維環(huán)境下標(biāo)注時(shí)，尺寸公差仍舊參照現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于形位公差，該標(biāo)準(zhǔn)從幾何公差、定向公差、位置公差、輪廓公差、跳動(dòng)公差等幾個(gè)方面的表示方法進(jìn)行了規(guī)范。公差標(biāo)注框格所在的注釋面與應(yīng)用表明平行、垂直或共面，公差應(yīng)該獨(dú)立標(biāo)出或位于尺寸數(shù)字下方，指引線末端圓點(diǎn)指向標(biāo)注表面。

3.3 軸測(cè)圖形表達(dá)

在三維表達(dá)環(huán)境下，軸測(cè)圖是一個(gè)很重要的表達(dá)方式。以二維工程圖為主要表達(dá)方式的情況下，為了詳細(xì)描述一個(gè)產(chǎn)品零件或者部件，通常要制作截面圖、向視圖、局部放大圖。繪制這樣的圖紙，將耗費(fèi)技術(shù)人員大量的有效工作時(shí)間，并且，打印輸出的硬拷貝與原來(lái)的電子設(shè)計(jì)文檔脫離了聯(lián)系，設(shè)計(jì)變更、管理成本很高，容易產(chǎn)生差錯(cuò)。而基于特征造型的三維表達(dá)方式就可以有效的避免這種數(shù)據(jù)孤島的問(wèn)題。在新標(biāo)準(zhǔn)中，每個(gè)軸測(cè)圖都應(yīng)包含模型坐標(biāo)系，以表明視圖方向，剖視圖可以從軸測(cè)圖中派生，剖視圖可以是正投影圖，也可以是軸測(cè)圖，剖切面用于指示剖面區(qū)域的位置和方向，剖切面的邊界可以是細(xì)實(shí)線，也可以是虛線，剖視圖需要用箭頭指示投射方向，其標(biāo)注符合GB/T4458.6的有關(guān)規(guī)定，剖視圖可以用移去一部分后的剩余部分表示，或者用剖切面與材料實(shí)體相交處的剖面區(qū)域表示，視圖旋轉(zhuǎn)時(shí)，剖視圖一同旋轉(zhuǎn)，并保持一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在這種表達(dá)形式下，剖視圖和斷面圖就完全統(tǒng)一了。

4 結(jié) 論

三維特征造型軟件環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)幾何特征及非幾何特征的高度集成，基于《技術(shù)產(chǎn)品文件 數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則》（GB/T 24734）系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行產(chǎn)品的三維圖樣表達(dá)，除了可以很簡(jiǎn)單地滿足手工繪圖條件下的各種二維圖形表達(dá)方式的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)空間維度的表達(dá)和不同時(shí)間過(guò)程的表達(dá)。目前，國(guó)外最新教材已經(jīng)將三維標(biāo)注的相關(guān)內(nèi)容列入[7]，隨著我國(guó)圖學(xué)教育改革的發(fā)展，現(xiàn)有圖樣表達(dá)內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)該隨著造型技術(shù)的進(jìn)展，進(jìn)行相應(yīng)的修正。

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