基于MBD技術(shù)的工程制圖教學(xué)體系構(gòu)建

曹清園　王珉　張宗波　趙軍友

[摘 要]工程制圖的教學(xué)對象——MBD模型，應(yīng)包含MBD設(shè)計模型、工藝屬性和MBD工序模型三部分。為順應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化的必然趨勢，應(yīng)以傳統(tǒng)制圖和現(xiàn)代制圖共同的基礎(chǔ)：空間形狀、投影法、制圖國家標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)習(xí)內(nèi)容，以傳統(tǒng)和現(xiàn)代工程制圖為共同教學(xué)目標(biāo)，圍繞形體的構(gòu)型與表達(dá)，全面整合三維CAD技術(shù)，重構(gòu)工程制圖教學(xué)課程體系，并根據(jù)不同的課程內(nèi)容設(shè)計一整套線上、線下混合式教學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞]MBD技術(shù)；工程制圖；三維構(gòu)形；教學(xué)體系

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0063-03

已在全球航空業(yè)發(fā)展成熟的基于模型定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)首先由波音公司提出，作為全過程數(shù)字化設(shè)計解決方案，其可以有效避免二維制圖帶來的裝配干涉、研制成本高、周期長等問題，有利于解決二維設(shè)計空間關(guān)系理解難的問題，更適用于現(xiàn)代新型產(chǎn)品更新?lián)Q代快和低成本研制的需求[1]。

當(dāng)前，國外制造企業(yè)的數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅速，MBD技術(shù)得到了深入推廣和應(yīng)用，已制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（ASME14.41、ISO-16792、ISO14306、BDS-600、31000A等），且在國外眾多行業(yè)得到了推廣，如波音公司的787新型客機(jī)的研制過程和灣流公司的數(shù)字化三維飛機(jī)模型定義系統(tǒng)。國內(nèi)方面，數(shù)字化企業(yè)建設(shè)工作仍處于起步階段，隨著MBD技術(shù)在航空、航天、汽車等大型裝備制造業(yè)中的研究和試點應(yīng)用[2]，該技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在陸續(xù)制定，如已發(fā)布的關(guān)于MBD建模方面的GB/T26099-2010、GB/T26100-2010、GB/T26101-2010和“技術(shù)產(chǎn)品文件數(shù)字化產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)通則”GB/T24734—2009[3]。

在國內(nèi)，由于MBD技術(shù)與企業(yè)文化、管理體制和生產(chǎn)方式等方面存在沖突，其推廣得并不順利[4]。作為與MBD關(guān)聯(lián)最緊密的工程制圖課程，應(yīng)提前讓學(xué)生適應(yīng)這一數(shù)字化趨勢，為企業(yè)的MBD推廣和學(xué)生就業(yè)提供有利條件。因MBD技術(shù)以三維實體模型為載體，在工程制圖教學(xué)過程中應(yīng)適應(yīng)這一趨勢，從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上改變以往以三視圖和二維工程圖為教學(xué)目標(biāo)的傳統(tǒng)，從“構(gòu)形”入手，全面整合三維形體，真正做到工程制圖為三維MBD建模提供理論基礎(chǔ)的目的。此外，MBD不僅僅是三維模型加三維標(biāo)注，而是將產(chǎn)品壽命過程中的全部設(shè)計、制造、管理信息等用模型的形式進(jìn)行表達(dá)[5]。教學(xué)過程中應(yīng)增加關(guān)于MBD制圖標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)劃、加工制造等產(chǎn)品全過程知識的學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用。本文首先結(jié)合文獻(xiàn)資料分析MBD技術(shù)的主要技術(shù)框架，以便從中摘取適宜本科教學(xué)的最基本的內(nèi)容模塊，然后以SolidWorks為工具，圍繞三維形體，重新設(shè)計工程制圖教學(xué)內(nèi)容和與之相應(yīng)的教學(xué)方法，進(jìn)行MBD技術(shù)教學(xué)初探。

一、MBD技術(shù)的知識框架

如圖1所示，MBD技術(shù)服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工、裝配和檢驗整個生命周期。MBD模型需完整、準(zhǔn)確地描述產(chǎn)品零部件的幾何特征屬性、制造屬性和質(zhì)量檢測屬性等信息；同時，還應(yīng)滿足工藝、制造過程中對數(shù)據(jù)的需求，保證產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的協(xié)調(diào)性。在產(chǎn)品設(shè)計階段，MBD技術(shù)實施應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括MBD模型的建模方式、三維注釋的表示方法和MBD模型數(shù)據(jù)集的管理等[6]。在工藝規(guī)劃階段，MBD技術(shù)實施應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包含設(shè)計模型向工藝模型的轉(zhuǎn)換、基于加工現(xiàn)場實際情況的工序模塊建模以及各個并行模塊之間的技術(shù)狀態(tài)變更等。

綜上，工程制圖的教學(xué)對象——MBD模型，應(yīng)包含MBD設(shè)計模型、工藝屬性和MBD工序模型三部分。其中MBD設(shè)計模型部分包含體現(xiàn)零件功能的幾何信息模型和基本工藝信息的表達(dá)。工藝屬性包括模型所包含的基本工藝屬性信息。MBD工序模型包含零件加工制造過程中各加工工序的工藝屬性信息（如零件的工藝設(shè)計和工藝規(guī)劃信息）以及加工工藝信息（各工序尺寸及公差、加工要求、切削參數(shù)信息等）。

因此，作為工程制圖教學(xué)目標(biāo)，在教會學(xué)生如何設(shè)計模型的同時，對于產(chǎn)品的工藝屬性和加工過程相關(guān)知識要涉及，更主要的是要讓學(xué)生學(xué)會這些知識的MBD標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)方式。

二、服務(wù)于MBD技術(shù)的工程制圖教學(xué)體系

（一）MBD技術(shù)工程制圖理論基礎(chǔ)

工程制圖課程作為高等院校工科重要的基礎(chǔ)課之一，是工科學(xué)生必須學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，是工程技術(shù)人員用來設(shè)計、表達(dá)和交流技術(shù)思想的工具，因此其又被稱為工程界的技術(shù)語言[7]，這一點是不會隨著技術(shù)的進(jìn)步而有所改變的。如圖2所示，傳統(tǒng)工程制圖的方式是通過圖形、文字、數(shù)字和規(guī)定符號以二維圖樣的形式表達(dá)在圖紙上。近些年隨著計算機(jī)三維輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，工程制圖的現(xiàn)代方式，即計算機(jī)三維實體模型+MBD在數(shù)據(jù)文件內(nèi)表達(dá)得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的尺規(guī)繪圖和現(xiàn)代的計算機(jī)三維繪圖對應(yīng)不同的技術(shù)基礎(chǔ)，但是它們有著共同的理論基礎(chǔ)：物體空間形狀、投影法和制圖國家標(biāo)準(zhǔn)。這三個要素獨立于繪圖技術(shù)，是繪制工程制圖所必須掌握的知識，同時為傳統(tǒng)和現(xiàn)代兩種方式提供基礎(chǔ)。

為順應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化的必然趨勢，應(yīng)以傳統(tǒng)制圖和現(xiàn)代制圖共同的基礎(chǔ)：空間形狀、投影法、制圖國家標(biāo)準(zhǔn)為學(xué)習(xí)內(nèi)容，以傳統(tǒng)和現(xiàn)代工程制圖為共同教學(xué)目標(biāo)，圍繞形體的構(gòu)型與表達(dá)，全面整合三維CAD技術(shù)，重構(gòu)工程制圖教學(xué)的課程體系，并根據(jù)不同的課程內(nèi)容設(shè)計一整套線上、線下混合式教學(xué)方法。

（二）全面整合MBD技術(shù)的工程制圖教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)圖1緊密結(jié)合MBD技術(shù)需求設(shè)計教學(xué)內(nèi)容如圖3所示，教學(xué)的服務(wù)對象主要為產(chǎn)品的設(shè)計階段，分別針對MBD模型建模、三維注釋和MBD模型數(shù)據(jù)集管理設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，每一部分教學(xué)內(nèi)容又分為紙上繪圖和SolidWorks繪圖兩部分，兩部分互為依托，緊密聯(lián)系。此處以機(jī)械類64學(xué)時課程為例編制教學(xué)大綱如表1所示。結(jié)合國情需要，三視圖部分依然較為重要，放在每一部分的構(gòu)形與表達(dá)的“表達(dá)”部分講解。

因為MBD技術(shù)全面基于三維模型基礎(chǔ)之上，畫法幾何部分已較少應(yīng)用，因此在新的教學(xué)內(nèi)容中我們對這部分內(nèi)容進(jìn)行了刪減。此外，較難的內(nèi)容，例如截交線和相貫線手工繪圖比較難理解，且工程意義不大，因此，我們只介紹其概念，然后在SolidWorks繪圖中講解其產(chǎn)生的原理和三視圖。全部教學(xué)內(nèi)容始于“構(gòu)形”，終于“構(gòu)形”，從課程的第一部分開始，每一部分內(nèi)容的講解均從“構(gòu)形”開始引入，并以SolidWorks建模結(jié)束，真正做到了工程制圖為紙上繪圖實踐和三維SolidWorks繪圖實踐共同提供理論基礎(chǔ)的目的。此外，我們還增加介紹了各國的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前，國際市場產(chǎn)品的生產(chǎn)國際化使得我們在教學(xué)過程中對于涉及制圖標(biāo)準(zhǔn)的部分，要詳細(xì)介紹各國標(biāo)準(zhǔn)的不同之處，特別是各國標(biāo)準(zhǔn)中對于技術(shù)要求的不同規(guī)定等。通過介紹讓學(xué)生了解目前三維模型表達(dá)方法的先進(jìn)性和局限性，了解三維模型與二維圖紙互補(bǔ)的行業(yè)現(xiàn)狀。

（三）以 MBD技術(shù)為目標(biāo)的工程制圖教學(xué)方法

1.整合三維形體，內(nèi)容層層遞進(jìn)

舉例說明。第一部分教學(xué)內(nèi)容“形體構(gòu)成”，將從日常生活中最典型的零部件出發(fā)，如自來水龍頭、千斤頂、齒輪泵等，以逐層遞進(jìn)的方式講解課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，并引入形體形狀的概念，啟動構(gòu)形思維。如圖4所示（以齒輪泵為例），首先講解齒輪泵的工作原理，講解齒輪泵的零件構(gòu)成、零件的分類、每個零件的作用，然后講解單個零件（如泵體主體部分）的構(gòu)形，并以此引出特征、拉伸、旋轉(zhuǎn)等概念，以及本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容——基本體及組合體的構(gòu)形及表達(dá)方式。

2.基于云課堂，線上、線下混合教學(xué)

以服務(wù)MBD技術(shù)為培養(yǎng)目標(biāo)，針對不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，分別設(shè)計如表2所示的教學(xué)方法。

例如制圖標(biāo)準(zhǔn)部分內(nèi)容的特點是知識點松散，各部分聯(lián)系性不強(qiáng)，趣味性差，需要熟練記憶。針對該特點，主要教學(xué)方法為：課堂講解、課堂、習(xí)題課搶答（PK-P、PK-G）、線上自測，該部分用SolidWorks三維標(biāo)注增強(qiáng)課堂的趣味性；而構(gòu)型設(shè)計部分的內(nèi)容比較常規(guī)，學(xué)生需要完成的任務(wù)是完成習(xí)題冊練習(xí)題（包含紙上繪圖和SolidWorks繪圖）。該部分內(nèi)容的特點是：知識點連貫，系統(tǒng)性較強(qiáng)，目標(biāo)明確，主要鍛煉學(xué)生的讀圖、二維、三維繪圖技能和空間思維能力。針對該特點，我們主要采取的教學(xué)方法為：課堂講解、習(xí)題、線上自測，其中每一種方法均包含SolidWorks建模部分；表達(dá)方法和標(biāo)準(zhǔn)件部分的內(nèi)容除了知識點連貫，系統(tǒng)性較強(qiáng)，目標(biāo)明確，主要鍛煉學(xué)生的讀圖、繪圖技能和空間思維能力外，還有與實際工程相關(guān)性較強(qiáng)的特點。因此，主要教學(xué)方法除了課堂講解、習(xí)題冊作業(yè)、線上自測外，還有模型測繪、翻轉(zhuǎn)課堂等。

三、結(jié)論

MBD技術(shù)因其全數(shù)字化的制造模式、全方位并行的產(chǎn)品研發(fā)模式以及快速的技術(shù)響應(yīng)速度，已迅速在以波音公司為代表的國外眾多企業(yè)中被成功應(yīng)用并迅速推廣。國內(nèi)的MBD技術(shù)雖然已在航空、航天等研究所中迅速發(fā)展，但是在普通行業(yè)中的推廣仍然存在不少問題，作為與MBD技術(shù)關(guān)聯(lián)最為緊密的工程制圖課程，在結(jié)合了MBD技術(shù)主體知識框架的基礎(chǔ)上，改變以往的以“三視圖”為核心的二維教學(xué)模式，圍繞“三維構(gòu)形”，借助SolidWorks三維軟件，以服務(wù)MBD技術(shù)為教學(xué)目的，重構(gòu)了工程制圖教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以期為MBD技術(shù)的推廣提供助力。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1][6] 鄧云飛，張濤，張曉帆，等.航天三維MBD設(shè)計現(xiàn)狀及展望[J].中國航天，2017（3）：24-27.

[2] 嚴(yán)云灃，趙璐，王有遠(yuǎn).基于模型定義的協(xié)同制造研究[J].科技廣場，2015（2）：221-226.

[3] 本刊.機(jī)械產(chǎn)品逆向工程三維建模技術(shù)要求[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量， 2015（11）：17-20.

[4] 冉思益，陳世平，王旭.MBD技術(shù)在企業(yè)推廣應(yīng)用的研究[J].機(jī)械與電子，2017（9）：19-23.

[5] 謝劍，李正強(qiáng)，黃帥，等.淺析大飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2016（5）：87-92.

[7] 石玲，呂金麗.工程制圖教學(xué)模式改革的探索[J].東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（5）：154-158.

[責(zé)任編輯：陳 明]