三維CAD時(shí)代的圖學(xué)教育

摘要：設(shè)計(jì)一向依賴于圖學(xué)。近年來CAD/CG技術(shù)快速發(fā)展，而大學(xué)圖學(xué)教育無論在體系上還是內(nèi)容上，還沒有脫離原來的范疇。本文就CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)和圖學(xué)的關(guān)系做了一個(gè)探討。

關(guān)鍵詞：CAD；設(shè)計(jì)；圖學(xué)教育；三維圖樣標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）48-0196-02

一、制造業(yè)中的圖學(xué)和CAD

1.設(shè)計(jì)方式的變化。制造產(chǎn)業(yè)中，設(shè)計(jì)者把構(gòu)思的立體形狀按照投影法規(guī)律繪制出二維投影圖，并用二維投影圖來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路。這樣的二維設(shè)計(jì)模式曾經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間。相應(yīng)地，大學(xué)教育中，為二維設(shè)計(jì)服務(wù)的課程體系（體系的核心是圖學(xué)）也一直被實(shí)施至今。一般來說，以復(fù)雜立體為對(duì)象的設(shè)計(jì)，必須確定各個(gè)簡(jiǎn)單立體的形狀和立體間的相互位置關(guān)系，這些信息用二維投影圖來表達(dá)。簡(jiǎn)單來說，圖學(xué)是這樣一種學(xué)問，設(shè)計(jì)者把頭腦中的三維立體用二維投影圖表現(xiàn)出來時(shí)，需要用到它；生產(chǎn)者從二維投影圖中得出立體的形狀信息時(shí)也需要用到它。圖學(xué)是制造業(yè)從業(yè)者所必須掌握的一門學(xué)問。如圖1所示。

1990年初，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（當(dāng)時(shí)是二維CAD系統(tǒng)）開始引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)并很快普及。1990年中期，三維CAD系統(tǒng)登場(chǎng)，2000年開始在制造業(yè)中快速普及。截止至2004年我國(guó)的92%以上的中型制造業(yè)企業(yè)已應(yīng)用了二維CAD技術(shù)，34%的中型制造業(yè)企業(yè)已使用了三維CAD技術(shù)。2009年我國(guó)制訂了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—數(shù)字化產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)通則。而現(xiàn)行的圖學(xué)教育，在標(biāo)準(zhǔn)的貫徹方面，已經(jīng)有點(diǎn)跟不上CAD技術(shù)發(fā)展的步伐。

2.三維CAD設(shè)計(jì)的輸出的現(xiàn)狀。隨著CAD技術(shù)的普及，產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)歷了二維工程圖、二維工程圖加三維模型、三維模型加簡(jiǎn)化標(biāo)注的二維圖樣這三個(gè)階段[1]。

現(xiàn)在，企業(yè)運(yùn)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但制造所必須的尺寸、公差及技術(shù)要求等信息仍舊采用了傳統(tǒng)的二維圖樣來表達(dá)。這樣的制造信息的雙數(shù)據(jù)源定義，在一定程度上導(dǎo)致了信息表達(dá)的分散和混亂。

二、設(shè)計(jì)所必需的圖學(xué)能力

從制造和圖學(xué)的關(guān)系可以看出傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)所必需的圖學(xué)能力可以歸納為以下4類：

1.繪制二維圖樣的能力。

2.由立體繪制二維圖樣的能力。

3.由構(gòu)思的立體繪制二維圖樣的能力。把想象中的立體用二維圖樣表達(dá)出來，通過二維圖樣正確地傳達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖。

4.根據(jù)二維圖想象立體形狀的讀圖能力，其中1和2是繪圖能力，3和4是二維三維互相轉(zhuǎn)換的能力。在二維設(shè)計(jì)中，這四種圖學(xué)能力缺一不可。

三、CAD系統(tǒng)對(duì)于圖學(xué)能力的支持

使用CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，CAD在上述四種圖學(xué)能力方面給予設(shè)計(jì)者如下支持：

1.二維繪圖能力。二維CAD軟件中的繪圖命令，包含了作圖設(shè)計(jì)所必須的幾乎所有的作圖功能，以及豐富的圖形編輯功能。因此，作圖的正確率和效率得到大幅度提高，如圖2所示。

在三維建模時(shí)，通常先繪制草圖再進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等三維操作來進(jìn)行建模。這里的草圖就是二維圖樣，而且通常只需要繪制很簡(jiǎn)單的二維圖元[2]。

2.由立體繪制投影圖的能力。三維CAD系統(tǒng)軟件具有由三維模型自動(dòng)生成二維投影圖的功能[3]。設(shè)計(jì)者只需專注于圖形信息以外的尺寸、公差和技術(shù)要求等注釋工作。

3.由構(gòu)思的立體繪制二維圖樣的能力。這種能力在二維設(shè)計(jì)中必不可少。但是在三維建模時(shí)，草圖繪制只是建模的一個(gè)環(huán)節(jié)。繪制怎樣的草圖，進(jìn)行怎樣的三維操作，才能得到目標(biāo)立體，這種構(gòu)思能力很關(guān)鍵。這是二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)方法上的最大的不同點(diǎn)。也就是說在三維CAD中，設(shè)計(jì)者沒有必要為二維表達(dá)耗費(fèi)過多心思。

4.根據(jù)二維圖樣想象立體的讀圖能力。隨著三維CAD軟件的普及，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)用三維形式進(jìn)行儲(chǔ)存，使用二維圖樣的機(jī)會(huì)將會(huì)慢慢變少，讀圖能力的重要性有著被逐漸弱化的趨勢(shì)。

四、作圖的必要性和作圖設(shè)計(jì)能力

在三維設(shè)計(jì)中，幾乎沒有必要繪制二維圖樣。這不利于二維作圖能力的維持，從而導(dǎo)致了設(shè)計(jì)者作圖設(shè)計(jì)能力的退化。事實(shí)上，在設(shè)計(jì)流程已經(jīng)三維化的設(shè)計(jì)部門，新進(jìn)人員的二維作圖設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)幾乎為零。當(dāng)然，在某種意義上這未必是一件壞事。

五、關(guān)于三維CAD設(shè)計(jì)的輸出方法的構(gòu)想

目前的三維CAD系統(tǒng)，并沒有具備相應(yīng)的三維輸出手段，設(shè)計(jì)的輸出在很大程度上仍舊依賴于二維圖樣。因此，不依賴二維圖樣的三維輸出手段的開發(fā)，以及與此相關(guān)的三維輸出標(biāo)準(zhǔn)也即三維圖樣標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)迫在眉睫。

1.對(duì)于三維圖樣的定義，暫作以下考慮：三維設(shè)計(jì)的形狀、尺寸、技術(shù)要求等制造所需要的全部信息都在三維空間內(nèi)表達(dá)。在信息表達(dá)上達(dá)到與二維圖樣同等的可視性。也就是說，三維設(shè)計(jì)中的所有信息都在三維空間以可見方式出現(xiàn)[4]。

2.三維圖樣構(gòu)想。今后的三維圖樣可以設(shè)想為三維模型以及標(biāo)注在三維模型上的尺寸、技術(shù)要求和其他制造特征等信息的總和。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)結(jié)果的瀏覽將不依賴于三視圖，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、銷售的全過程都能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的三維瀏覽[5]。如圖3所示。

3.今后的設(shè)計(jì)信息的定義和瀏覽。從前的二維設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的依靠二維圖樣進(jìn)行輸出的三維設(shè)計(jì)和構(gòu)想中的由三維數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出的三維設(shè)計(jì)，從定義和瀏覽兩個(gè)方面來進(jìn)行比較，如表1所示。

六、總結(jié)

1.設(shè)計(jì)所必需的圖學(xué)能力中，二維作圖能力以及立體和二維投影圖相互變換的能力是兩種核心能力。

2.二維CAD軟件的引入，使二維作圖的正確率和效率大為提高。

3.三維CAD軟件的引入，使得三維建模變得方便而快捷。自動(dòng)生成投影圖的功能把人從枯燥的二維圖樣繪制中解放出來。

4.設(shè)計(jì)的三維化，使二維作圖的機(jī)會(huì)減少，二維讀圖能力的必要性也在減弱。

5.對(duì)三維模型的尺寸標(biāo)注和三維瀏覽模式的開發(fā)將會(huì)是個(gè)大方向。

6.和數(shù)字化產(chǎn)品定義的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，制圖教育的改革已是迫在眉睫。

七、結(jié)語

設(shè)計(jì)是人的創(chuàng)造性行為，而CAD是一種強(qiáng)有力的輔助工具。利用好CAD這個(gè)工具，可以實(shí)現(xiàn)更加便捷、優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)。希望圖學(xué)教育的課程體系能夠和數(shù)字化產(chǎn)品定義的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，在不久的將來做出相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)CAD技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周秋忠，查浩宇.基于三維標(biāo)注技術(shù)的數(shù)字化產(chǎn)品定義方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（1）：33-36.

[2]張立榮.三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2011，30（2）：16-18.

[3]許沛.基于直接建模思想的參數(shù)化模型處理工具——ANSYS SpaceClaim DirectModeler[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011，（07）：40-43.

[4]成澤良幸.設(shè)計(jì)信息的可視化和三維圖樣[J].Design news JAPAN，2007，（1）：18-19.

[5]潘康華，陸江峰，邵蘭英.MBD技術(shù)的發(fā)展歷程與展望[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2013，（2）：15-17.

作者簡(jiǎn)介：張良（1973-），男，江蘇無錫人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)镃AD技術(shù)與圖形學(xué)。endprint