基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣讀繪能力研究

高恒星

（江蘇省淮安技師學(xué)院，江蘇淮安223001）

基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣讀繪能力研究

高恒星

（江蘇省淮安技師學(xué)院，江蘇淮安223001）

分析了數(shù)字化制造技術(shù)背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)制造方式相對于傳統(tǒng)方式的變化，以及對機(jī)械圖樣繪制和識讀方式的影響，探討了以二維和三維CAD軟件應(yīng)用能力培養(yǎng)為方法和途徑，來提升工程技術(shù)人員閱讀和繪制機(jī)械圖樣的能力，可有效提高讀繪機(jī)械圖樣的準(zhǔn)確性和效率。

數(shù)字化制造；機(jī)械圖樣；讀圖能力；繪圖能力

引言

數(shù)字化制造技術(shù)是數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)的融合，它是制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果。中國制造業(yè)在取得巨大成績的同時，也面臨著諸多亟待解決的問題，迫切需要實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級。隨著工業(yè)4.0時代的到來，國家出臺“中國制造2025”規(guī)劃，大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合，數(shù)字化制造技術(shù)成為推動企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的有力推手。當(dāng)前，各類企業(yè)都在不同程度上應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理過程的信息化，提高生產(chǎn)效率和進(jìn)行質(zhì)量控制，數(shù)字化制造技術(shù)不斷影響和改變著制造企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)以及管理方式［1］。

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，作為工程技術(shù)人員核心職業(yè)技能，工程圖樣的讀繪能力是工程技術(shù)人員履職的必備能力。自工業(yè)化以來，工程圖的發(fā)展即機(jī)械產(chǎn)品定義方式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和CAD軟件技術(shù)的不斷成熟，經(jīng)歷了從二維工程圖到三維實(shí)體模型的三個發(fā)展階段，即“二維設(shè)計(jì)，二維出圖”階段、“三維設(shè)計(jì)，二維出圖”階段、MBD全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造階段。工程技術(shù)人員圖樣讀繪能力既要與當(dāng)前數(shù)字化制造技術(shù)相適應(yīng)，也要跟上數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展的步伐。

1　基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造

在數(shù)字化時代，三維設(shè)計(jì)和制造方式已經(jīng)迅速地取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)和制造方式，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造的更新?lián)Q代技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)的方式也隨之發(fā)生深刻變化，從圖板設(shè)計(jì)到二維CAD軟件設(shè)計(jì)，從二維、三維CAD軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，再到基于模型的定義（ModelBasedDefinition，MBD）技術(shù)，建立基于MBD的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、維護(hù)和交付的一體化工作模式。為滿足“快速設(shè)計(jì)、快速生產(chǎn)”的市場要求，在產(chǎn)品的整個生命周期中，基于模型定義（MBD）技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。2005年，波音787首次應(yīng)用基于模型定義（MBD）技術(shù)，在國內(nèi)，ARJ21、C919等飛機(jī)研制也已普遍采用MBD技術(shù)，提升了航空業(yè)快速設(shè)計(jì)、精益制造及設(shè)計(jì)制造協(xié)同研制的整體能力和水平［2］。

當(dāng)前，在國內(nèi)大部分中、小型制造企業(yè)中，普通機(jī)床加工和數(shù)控機(jī)床加工并存，手工編程、計(jì)算機(jī)輔助編程手段并存，生產(chǎn)過程還處在二維、三維CAD軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)與制造模式階段，即以三維CAD軟件為設(shè)計(jì)平臺，二維CAD軟件為制造信息表達(dá)平臺，作為零部件生產(chǎn)和裝配的技術(shù)文件，以包含軸測圖的二維工程圖為主，三維實(shí)體模型為輔。在面向三維模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)條件下，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息的表達(dá)能力要求，即二維工程圖繪圖能力要求隨之降低，產(chǎn)品信息的表達(dá)可借助數(shù)字化制造軟件功能來快速實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員只需要專注于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、造型、工藝、性能等方面的設(shè)計(jì)，借助數(shù)字化制造軟件可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、快速修改、快速驗(yàn)證等功能。要推動企業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用，工程技術(shù)人員就要掌握基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造手段，從二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從三維實(shí)體和二維工程圖獨(dú)立設(shè)計(jì)向關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、維修的獨(dú)立信息載體向基于模型定義（MBD）技術(shù)的集成化信息載體轉(zhuǎn)變。

2　基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣表達(dá)

隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)植入到制造業(yè)中，數(shù)字化制造技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，推動制造企業(yè)技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)升級，傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)手段、生產(chǎn)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，作為產(chǎn)品信息載體的機(jī)械圖樣的表達(dá)方式也隨之改變。

在產(chǎn)品的整個生命周期中采用MBD技術(shù)是制造業(yè)的發(fā)展趨勢，MBD技術(shù)的優(yōu)勢在于表達(dá)和傳遞信息的集成和直觀。在三維實(shí)體模型上附加了產(chǎn)品的尺寸、公差、注釋等設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢驗(yàn)相關(guān)信息，形成單一數(shù)據(jù)源，MBD模型為數(shù)字化制造提供完整的產(chǎn)品定義所需的全部幾何、屬性和標(biāo)注信息，基于MBD技術(shù)，機(jī)械圖樣的識讀過程就是對MBD模型所集成的設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢驗(yàn)相關(guān)信息的識讀過程，相對于傳統(tǒng)機(jī)械圖樣的讀圖方式，發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，模型的直觀性、產(chǎn)品信息的集成性，大大降低了讀圖的難度，提高了信息獲得的效率［3］。

目前，大部分制造企業(yè)使用的技術(shù)文件以三維CAD模型和二維工程圖共存的形式存在于設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、維修過程中，三維CAD模型以表達(dá)產(chǎn)品幾何特征等設(shè)計(jì)信息為主要任務(wù)，二維工程圖以表達(dá)產(chǎn)品尺寸、公差、粗糙度、工藝等制造信息為主要任務(wù)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，雖然，當(dāng)前主流數(shù)字化制造軟件，如UG、PRO/E、CAXA等國內(nèi)外具有CAD、CAM、CAE、CAPP功能的軟件，在參數(shù)化設(shè)計(jì)前提下，二維工程圖和三維模型之間可建立數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)或雙向的信息轉(zhuǎn)換，但各自的主要功能還不能相互取代。因此，當(dāng)前需要將三維模型和二維工程圖相互結(jié)合起來表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)、維修等相關(guān)信息，其不同于傳統(tǒng)機(jī)械圖樣的表達(dá)方式。

3　機(jī)械圖樣傳統(tǒng)讀繪技術(shù)存在的弊端

受傳統(tǒng)技術(shù)慣性影響，面向二維機(jī)械圖樣的設(shè)計(jì)方法和讀圖方法，在一定范圍內(nèi)還在應(yīng)用，“甩圖板”的目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，而“甩圖紙”的目標(biāo)還沒有完全達(dá)到。以二維圖樣為平臺的產(chǎn)品信息表達(dá)方法，對技術(shù)人員二維圖樣繪制能力和讀圖能力要求高，熟練掌握二維圖樣繪圖和讀圖方法難度大、成長周期長；對技術(shù)人員而言勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)過程費(fèi)心、費(fèi)力，對企業(yè)而言，生產(chǎn)過程周期長，效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代制造快速化、個性化需要。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的日臻完善，以及在企業(yè)的廣泛應(yīng)用，面向二維圖樣的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和讀圖方法不能適應(yīng)數(shù)字化制造技術(shù)要求，將逐步被與數(shù)字化制造技術(shù)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和讀圖方法所取代［4］。

4　機(jī)械圖樣基于數(shù)字化制造技術(shù)的讀繪優(yōu)勢

設(shè)計(jì)人員以數(shù)字化制造軟件為平臺，面向三維樣機(jī)的直觀設(shè)計(jì)，所見即所得，可專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)對象，簡化了設(shè)計(jì)過程，大大提高了設(shè)計(jì)的效率；依靠信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，以數(shù)字化制造軟件為載體，降低了技術(shù)人員機(jī)械設(shè)計(jì)和工程圖讀圖的學(xué)習(xí)難度，也減輕了工作強(qiáng)度，提高了工作協(xié)同性，提升了工作效率；企業(yè)在數(shù)字化制造技術(shù)條件下，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的快速響應(yīng)、柔性特征，滿足當(dāng)前產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、快速制造、以及需求個性化的需要［5］。

5　基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣繪制方法

用三維模型來描述幾何信息，而用二維工程圖來定義產(chǎn)品尺寸、公差、工藝信息的數(shù)字化制造技術(shù)，是當(dāng)前大多數(shù)企業(yè)數(shù)字化制造發(fā)展階段。應(yīng)用CAD軟件面向三維的零件設(shè)計(jì)和三維樣機(jī)設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾何信息數(shù)據(jù)源，再根據(jù)三維模型生成二維工程圖的單向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)基本成熟，可以十分便捷地應(yīng)用產(chǎn)品三維模型，通過三維轉(zhuǎn)二維數(shù)據(jù)接口，形成視圖、剖視圖等機(jī)件結(jié)構(gòu)表達(dá)視圖。有時由于軟件功能的“機(jī)械”性特點(diǎn)，對生成的視圖，還要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)機(jī)械圖樣表達(dá)方法的要求，再進(jìn)行完善，以符合圖樣表達(dá)要求簡潔、夠用、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)表達(dá)清楚的前提下，采用二維CAD繪圖方法，對視圖進(jìn)行標(biāo)注尺寸、公差、粗糙度、以及技術(shù)要求等相關(guān)信息。三維設(shè)計(jì)、二維出圖數(shù)字化制造流程如下頁圖1所示。

圖1　三維設(shè)計(jì)、二維出圖數(shù)字化制造流程圖

基于模型定義（MBD）的數(shù)字化制造技術(shù)，其核心是用一個集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)，MBD模型成為生產(chǎn)制造過程中唯一的信息來源，改變了當(dāng)前用三維模型來描述產(chǎn)品幾何信息，而用二維工程圖來定義產(chǎn)品尺寸、公差、工藝信息的數(shù)字化制造模式，是未來企業(yè)數(shù)字化制造發(fā)展方向。采用MBD技術(shù)定義三維模型又稱為MBD數(shù)據(jù)集，分為裝配模型和零件模型兩種，基于MBD技術(shù)模型數(shù)據(jù)集組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于MBD技術(shù)模型數(shù)據(jù)集組織結(jié)構(gòu)

在這兩種數(shù)字化制造模式下，無論在設(shè)計(jì)階段還是制造階段，表達(dá)產(chǎn)品信息的機(jī)械圖樣都需要依賴數(shù)字化制造軟件平臺來形成，借助軟件平臺可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、縮短生產(chǎn)周期。由于CAD技術(shù)的不斷完善和廣發(fā)應(yīng)用，技術(shù)人員的正投影繪圖能力不再是圖樣繪制的關(guān)鍵技術(shù)，圖樣繪制的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)件表達(dá)方法及表達(dá)方案的合理選擇，仍然是工程圖繪制能力的重點(diǎn)。借助于CAD軟件技術(shù)，圖樣二維和三維信息的表達(dá)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中所占時間比例大幅度減少，設(shè)計(jì)者可集中精力和時間于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、工藝、造型等設(shè)計(jì)元素是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

6　基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣識讀方法

在三維實(shí)體模型作為產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)的輔助表達(dá)方法和加工信息載體，二維機(jī)械圖樣作為產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)和制造信息載體的數(shù)字化制造階段，二維工程圖樣的識讀能力，仍然是技術(shù)技能型人才的職業(yè)能力基本功。形體分析法和線面分析法作為讀圖的基本方法，以及正確的讀圖步驟，是讀懂機(jī)件幾何特征信息，掌握二維工程圖樣中技術(shù)標(biāo)注等信息的工程含義。二維工程圖對機(jī)件內(nèi)外結(jié)構(gòu)表達(dá)更完整，而三維模型對機(jī)件內(nèi)外結(jié)構(gòu)表達(dá)則更直觀，在識讀二維工程圖時，借助于三維CAD模型或者以其形成的軸測圖來輔助識讀二維工程圖表達(dá)的幾何結(jié)構(gòu)，可降低二維圖樣識讀難度，兩者相輔相成，提高圖樣識讀效率和準(zhǔn)確性，如在富士康集團(tuán)下屬的精密模具制造企業(yè)中，制造精密塑膠模具零件時，技術(shù)人員在讀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件二維工程圖時，通常借助三維CAD模型來降低讀圖難度，避免誤讀［6］。

在識讀二維工程圖時，對具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的表達(dá)對象進(jìn)行三維建模，更有利于對二維工程圖視圖表達(dá)目的和技術(shù)標(biāo)注含義的理解。隨著MBD技術(shù)的逐步成熟和推廣應(yīng)用，以“面向制造的設(shè)計(jì)”和“信息集成載體”的MBD模型，對圖樣設(shè)計(jì)和讀圖方式必將產(chǎn)生更深刻的變化。

在當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級背景下，提高工程技術(shù)人員基于數(shù)字化制造技術(shù)的機(jī)械圖樣繪制與識讀能力，是推進(jìn)企業(yè)快速實(shí)現(xiàn)制造平臺數(shù)字化的重要保障。

［1］楊維峰.發(fā)動機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)三維標(biāo)注的幾個關(guān)鍵技術(shù)［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014（12）:6-12.

［2］孫健.《機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)》課程項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2015（11）:24-25.

［3］胡興偉，夏廣嵐，于風(fēng)，等.基于SolidWorks的冷沖模模架庫設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2015（3）:11-14.

［4］王婷，郭鵬勃.基于MBD的三維CAD模型與工程圖信息提?。跩］.機(jī)械與電子，2012（1）：78-80.

［5］張建，謝群.數(shù)字化模具制造技術(shù)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015（6）: 9-23.

［6］蔣華峰.基于MBD技術(shù)的零件參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.智能制造，2015（7）:6-12.

（編輯：王慧芳）

Research on Drawing and Interpreting Ability of Mechanical Drawings Based on Digital Manufacturing Technology

Gao Hengxing
（Jiangsu Huaian Technician College，Huai'an Jiangsu 223001）

Under the condition of digital manufacturing technology，the mechanical design and manufacturing methods are constantly changing relative to the traditional way，they influence the drawing and reading methods of mechanical drawing.In this paper，we explore how to draw and read the mechanical drawing by using 2D and 3D CAD software，these methods can improve the accuracy and efficiency of drawing and reading mechanical drawings.

digital manufacturing；mechanical drawing；ability of interpreting drawings；ability of drawing mechanical drawings.

TP391.72

A

2095-0748（2015）21-0056-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.25

2015-10-16

高恒星（1969—），男，江蘇淮安人，技師學(xué)院高級講師，主要從事《機(jī)械制圖》、《計(jì)算機(jī)繪圖》等課程教學(xué)和技能競賽集訓(xùn)工作。