面向現(xiàn)代企業(yè)的圖學(xué)教育的思考

張瑞琳,趙來(lái)國(guó),馮　杰,劉愛(ài)玲

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧　遼陽(yáng)　111003；2.中國(guó)石油　遼陽(yáng)石化分公司,遼寧　遼陽(yáng)　111003)

?

面向現(xiàn)代企業(yè)的圖學(xué)教育的思考

張瑞琳1,趙來(lái)國(guó)2,馮杰1,劉愛(ài)玲1

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),遼寧遼陽(yáng)111003；2.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司,遼寧遼陽(yáng)111003)

[摘要]在現(xiàn)代企業(yè)中,隨著CAD/CAM/CAE一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn),現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)加工制造技術(shù)得到普及,產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造都是基于三維建模的,因此工科院校的圖學(xué)教育應(yīng)面向市場(chǎng)需求,基于三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)理念的圖學(xué)教育是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]圖學(xué)；三維CAD；二維工程圖

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.137

目前,在現(xiàn)代工程實(shí)際中,普遍采用的三維CAD技術(shù)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),三維CAD技術(shù)涵蓋了產(chǎn)品的零件創(chuàng)建、產(chǎn)品裝配和工程圖制作的全過(guò)程,因此,越來(lái)越多的現(xiàn)代企業(yè)工程設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),以面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),解決企業(yè)的TQCS難題,即最快的速度(T-Time to Market)、最好的質(zhì)量(Q-Quality)、最低的成本(C-Cost)和最好的服務(wù)(S-Service),只有這樣企業(yè)才能適應(yīng)迅速變化的市場(chǎng)需求。

工科類的高等學(xué)校是培養(yǎng)未來(lái)從事研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和管理的專門高級(jí)技術(shù)人才,面向新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的CAD/CAM/CAE一體化技術(shù),將高校圖學(xué)教育與市場(chǎng)實(shí)際緊密結(jié)合,強(qiáng)調(diào)基于三維設(shè)計(jì)的理念,開(kāi)展圖學(xué)教育的改革是勢(shì)在必行的。

1國(guó)內(nèi)高校圖學(xué)教育的現(xiàn)狀

目前工科院校的多數(shù)專業(yè),圖學(xué)教育首先通過(guò)工程制圖課程開(kāi)展的,傳統(tǒng)的工程圖學(xué)體系大多依然是延續(xù)前蘇聯(lián)的做法,這一點(diǎn)從各高校的工程制圖教學(xué)大綱以及工程制圖的教材就略見(jiàn)一斑,研究方法是站在“二維工程圖樣先入為主”的角度,自始至終強(qiáng)化的是用二維工程圖樣表達(dá)三維實(shí)體零件和裝配體部件的問(wèn)題,把立體問(wèn)題平面化,即強(qiáng)調(diào)二維到三維。這在尚未出現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的年代是無(wú)可厚非的,但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和加工方法日新月異,在現(xiàn)代工程實(shí)際中,三維建模貫穿產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的始終,傳統(tǒng)的工程圖學(xué)體系已經(jīng)嚴(yán)重滯后。

此外,目前大多數(shù)工科院校開(kāi)設(shè)了二維CAD課程,如AutoCAD,二維CAD也僅僅是單純的圖形繪制工具,此時(shí)的圖學(xué)教育也是緊緊圍繞如何利用計(jì)算機(jī)繪制一張合格的二維工程圖樣,至此,都是將重點(diǎn)放在二維工程圖表達(dá)三維實(shí)體方面,這樣的圖學(xué)教育體系,不能滿足現(xiàn)代工程實(shí)際對(duì)技術(shù)人才的要求。

2依托三維CAD技術(shù),是圖學(xué)教育的根本

隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的加工制造技術(shù)的不斷普及,許多企業(yè)的產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造都是基于三維建模的。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的過(guò)程一般是從概念設(shè)計(jì)、零部件三維建模到二維工程圖,在零部件三維建模時(shí)或者三維建模的完成后,根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和要求進(jìn)行包括應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲勞分析、熱分析、公差分析與優(yōu)化、NC仿真及優(yōu)化,虛擬裝配、動(dòng)態(tài)仿真等過(guò)程以滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)和生產(chǎn)制造與裝配等方面的要求。此外,三維設(shè)計(jì)的模型可以自動(dòng)地將三維的設(shè)計(jì)模型的特征數(shù)據(jù)傳遞給CAPP、CAM軟件接收,由計(jì)算機(jī)模擬加工過(guò)程,最終由數(shù)控機(jī)床加工制造,可見(jiàn),三維建模支持設(shè)計(jì)和制造的全過(guò)程。

目前,常見(jiàn)的知名CAD軟件如下表所示,其中依托高端的三維CAD軟件都能全面完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的全過(guò)程。

常見(jiàn)的知名CAD軟件

2.1基于三維設(shè)計(jì)理念開(kāi)展圖學(xué)教育

基于現(xiàn)代工程實(shí)際,高校的圖學(xué)教育應(yīng)注重基于三維建模方法為主導(dǎo),強(qiáng)調(diào)三維模型到二維工程圖,如在圖學(xué)的最初教學(xué)過(guò)程中,注重三維造方法講解如拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、放樣、布爾運(yùn)算等三維造型方法的演示,從開(kāi)始就灌輸三維建模的理念,為三維設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。如下圖所示,通過(guò)一個(gè)組合體三維建模的過(guò)程演示,了解三維造型建模的基本方法與步驟,然后引導(dǎo)學(xué)生分析其二維視圖的表達(dá),達(dá)到事半功倍的效果。

機(jī)器零部件的表達(dá)方法的講解也要圍繞零件三維模型展開(kāi),研究如何合理應(yīng)用各種表達(dá)方法表達(dá)零件的結(jié)構(gòu),在三維CAD軟件上進(jìn)行實(shí)時(shí)的剖切,體現(xiàn)各種表達(dá)方法特點(diǎn)及使用條件。在講授清楚各種表達(dá)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用條件后,利用三維軟件自動(dòng)生成機(jī)件的各種視圖和剖視圖等二維工程圖的功能,向?qū)W生展示三維模型直接生成的二維工程圖,不失時(shí)機(jī)地向?qū)W生灌輸以三維設(shè)計(jì)為先導(dǎo)的理念。

2.2二維CAD是二維逐步向三維過(guò)渡的階段性產(chǎn)物

我國(guó)已經(jīng)完成由傳統(tǒng)的手工圖板制圖向計(jì)算機(jī)繪圖的轉(zhuǎn)化,即“甩圖板”的過(guò)程,利用計(jì)算機(jī)如AutoCAD軟件完成二維工程圖樣變得非常普及,二維工程圖的主要優(yōu)勢(shì)在于描述產(chǎn)品的工程屬性、包括公差與配合、表面粗糙度以及形狀與位置公差以及技術(shù)要求說(shuō)明等。

隨著三維CAD的不斷發(fā)展和完善,二維工程圖的地位有逐步降低的傾向,二維CAD軟件繪制工程圖會(huì)逐步被取代,因此,二維CAD繪圖是二維逐步向三維轉(zhuǎn)化的過(guò)渡階段。

目前的三維CAD軟件都有利用三維模型直接生成二維工程圖的功能,這些自動(dòng)生成的工程圖只需稍加修改就能獲得符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的工程圖樣,從而真正實(shí)現(xiàn)二維工程圖服務(wù)于三維設(shè)計(jì)的目的。隨著三維CAD的發(fā)展,基于三維模型的工程屬性標(biāo)注功能的不斷完善,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是在三維模型上也可以直接標(biāo)注相關(guān)工程屬性,這樣就可以完全擺脫對(duì)二維工程圖的依靠,真正實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品三維模型完成所有的產(chǎn)品研制與開(kāi)發(fā)。

2.3三維CAD支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程

三維CAD對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的支持重點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

三維造型的設(shè)計(jì)方法：直接對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作,工作效率高,而且對(duì)自頂向下的設(shè)計(jì)、修改、裝配提供方便。

參數(shù)化： 三維CAD軟件可以提供參數(shù)化支持,可以用尺寸驅(qū)動(dòng)模型的變化,同時(shí)還可以通過(guò)方程式描述產(chǎn)品模型尺寸之間的關(guān)聯(lián)性,同時(shí)也為產(chǎn)品系列化提供基礎(chǔ)。

一致性：三維CAD可以提供從零件模型到裝配圖模型，再到二維工程圖的數(shù)據(jù)共享,用戶一旦在某一環(huán)境下更改產(chǎn)品模型后,另外的產(chǎn)品模型將發(fā)生自動(dòng)同步更新,保持產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性,這一點(diǎn)在企業(yè)應(yīng)用中十分重要。

自頂向下設(shè)計(jì)：允許設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品的全局和零部件協(xié)調(diào)關(guān)系的角度出發(fā)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì),統(tǒng)籌規(guī)劃產(chǎn)品的布局和設(shè)計(jì)任務(wù),規(guī)避傳統(tǒng)的零件、部件到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)線路造成的設(shè)計(jì)沖突。

豐富的系統(tǒng)支持：包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲勞分析、流動(dòng)與熱分析功能模塊；提供關(guān)于模具、鈑金、焊接的功能環(huán)境,標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)及豐富的第三方插件等。

豐富的檢測(cè)手段：提供干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真,可以檢測(cè)出產(chǎn)品靜態(tài)裝配沖突和動(dòng)態(tài)干涉檢查,降低設(shè)計(jì)失誤,為設(shè)計(jì)調(diào)整提供信息。

產(chǎn)品展示與網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)協(xié)作：現(xiàn)代產(chǎn)品需要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果直觀地展示給用戶,同時(shí)利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)與交流也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化。

設(shè)計(jì)與加工的集成性：提供數(shù)控編程模塊以及數(shù)控仿真及優(yōu)化功能等模塊,將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造生產(chǎn)的過(guò)程集成在一起,實(shí)現(xiàn)并行工程。

3圖學(xué)師資隊(duì)伍的建設(shè)

在高校從事傳統(tǒng)的圖學(xué)教育的教師,長(zhǎng)期只從事單一工程制圖課程、或者工程制圖與計(jì)算機(jī)繪圖的教學(xué)任務(wù),而不具備運(yùn)用高端三維參數(shù)化CAD軟件的能力,無(wú)法深入了解和掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法以及先進(jìn)的制造技術(shù)等與現(xiàn)代工程緊密結(jié)合的先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用?；谏鲜鲈?參照美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的做法,加強(qiáng)圖學(xué)教育教師自身圖學(xué)能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)與提高,變得日益迫在眉睫,如何組建新型的圖學(xué)教育的教師教學(xué)團(tuán)隊(duì),是改革實(shí)施的重要保障。

首先圖學(xué)教師不能只是將研究問(wèn)題的方法局限在“二維到三維”的框架下,而應(yīng)該主動(dòng)解放思想、吸收學(xué)習(xí)新知識(shí),深入了解基于三維設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造與加工的市場(chǎng)實(shí)際,勇于探索與實(shí)踐,構(gòu)建面向市場(chǎng)實(shí)際的新的圖學(xué)課程體系,掌握新型的三維CAD軟件工具輔助教學(xué),年輕的教師要用于承擔(dān)三維CAD的教學(xué)任務(wù),從根本上實(shí)現(xiàn)圖學(xué)教師個(gè)人能力的拓展與提高,這樣做,有利于改善目前高校普遍存在的,從事圖學(xué)教育的教師個(gè)人發(fā)展空間有限的局限性,使得教師也成為面向現(xiàn)代企業(yè)的高校圖學(xué)教育改革的受益者。

4結(jié)論

面向現(xiàn)代工程實(shí)際需求,加強(qiáng)圖學(xué)師資隊(duì)伍建設(shè),開(kāi)展基于“三維設(shè)計(jì)”的圖學(xué)教育的改革,圍繞實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品“三維設(shè)計(jì)”目標(biāo),全面開(kāi)展圖學(xué)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段的全面改革,使得圖學(xué)教育擺脫二維到三維的束縛,以三維CAD為平臺(tái),以三維建模為抓手,培養(yǎng)學(xué)生的三維造型的能力,以及從三維到二維的圖示能力,為學(xué)生日后走向現(xiàn)代生產(chǎn)實(shí)際奠定重要的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1]張瑞琳,王文友,等.面向現(xiàn)代工程實(shí)際的制圖類課程改革與實(shí)踐[J].遼寧高職學(xué)報(bào),2009(10).

[2]梁圣復(fù),李慧莉.設(shè)計(jì)圖學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[C]//機(jī)械類課程報(bào)告論壇組委會(huì).2009年機(jī)械類課程報(bào)告論壇論文集.北京：高等教育出版社,2009.

[3]張瑞琳,馮杰,等.基于先進(jìn)制造技術(shù)的工程制圖課程的改革[J].遼寧高職學(xué)報(bào),2010(10).

[作者簡(jiǎn)介]張瑞琳(1965—),女,遼寧遼陽(yáng)人,副教授,機(jī)械電子工程碩士。研究方向：圖學(xué)及流體機(jī)械與工程。