面向工程實踐的《三維建模技術》課程改革

周秋忠

摘要：結合產(chǎn)品設計技術的發(fā)展現(xiàn)狀，以及我國制造企業(yè)的應用情況，提出了《三維建模技術》課程內(nèi)容的改革設想。論述了產(chǎn)品設計技術的發(fā)展演變歷程，從技術發(fā)展及工程應用角度，闡述了三維標注技術、參數(shù)化設計技術、關聯(lián)設計技術、知識工程技術的內(nèi)涵、特點，分析了這四項技術在制造企業(yè)工程實踐應用中的重要意義，以及在課程中講授這些技術的必要性。最后，提出了講授這四項技術的具體課程內(nèi)容。通過課程內(nèi)容改革，將培養(yǎng)出更符合技術發(fā)展及企業(yè)需求的創(chuàng)新型和應用型人才。

關鍵詞：三維建模;三維標注;參數(shù)化設計;關聯(lián)設計;知識工程

中圖分類號：H191? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0243-02

0? 引言

隨著計算機與軟件技術的發(fā)展，產(chǎn)品定義技術經(jīng)歷了從工程制圖技術到二維CAD技術，再到三維建模技術的發(fā)展歷程。早期的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術，即計算機輔助設計（CAD）技術的目標是創(chuàng)建工程圖，用計算機代替圖板進行產(chǎn)品設計。二維工程圖采用投影理論將產(chǎn)品的三維空間幾何轉(zhuǎn)換成平面圖形，而在使用時又需在大腦中將平面圖形構建成三維立體空間幾何，導致工程技術人員需要在三維到二維、二維再到三維之間不停地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中容易因理解不一致造成出錯[1];同時，它在表達復雜的空間曲線、曲面時又存在很大的局限性。三維建模技術是一項所見即所得的數(shù)字化產(chǎn)品定義技術，它直觀地表達出了產(chǎn)品真實的三維實體結構，從根本上改變了工程設計的方法。由于三維建模技術的巨大優(yōu)勢，它在一出現(xiàn)就被歐美等發(fā)達國家的眾多制造企業(yè)所接受，廣泛應用于內(nèi)燃機等眾多高端制造業(yè)，形成了成熟的三維設計技術體系。相比發(fā)達國家，由于知識產(chǎn)權及軟件成本的因素，我國制造企業(yè)在三維建模技術的普及上還存在較大差距，特別是中小企業(yè)當前仍廣泛的以二維工程圖設計為主、三維設計為輔。但在當前全球化協(xié)作分工的大背景下，我國制造企業(yè)廣泛、深入地應用三維設計技術必是大勢所趨[2]。因此，我國各大工科院校在機械類專業(yè)中除了繼續(xù)開展傳統(tǒng)的《工程制圖》課程教學外，都增加了《三維建模技術》課程的教育[3]，并在力度上需要不斷加大。

雖然我國制造業(yè)正在對三維建模及設計技術開展廣泛應用，并在工科類院校中的機械專業(yè)教學中普遍開設了《三維建模技術》課程，但是在對三維建模及設計軟件的應用方式和方法上，與國外發(fā)達國家相比存在很大差異。當前，我國制造企業(yè)并沒有普遍建立起以三維數(shù)字模型為中心的設計制造體系，絕大部分仍然沿用基于二維工程圖的設計制造體系，三維建模技術只是二維設計技術的一個輔助，只是在需要對產(chǎn)品或零件做計算機輔助分析時，或其它特殊需要時，才會采用三維建模技術建立三維數(shù)字模型。因此，三維設計技術的優(yōu)勢并沒有被完全發(fā)揮出來。在教學中，《三維建模技術》課程的教學內(nèi)容主要圍繞三維建模軟件中的常用功能模塊展開，包括草圖設計、零件設計特征命令操作、裝配設計、工程制圖生成等[4]，并沒有完全展現(xiàn)軟件的先進功能，同時也沒有有效結合當前國內(nèi)外總結得到的最佳工程實踐，導致課堂教學與工程應用的脫節(jié)，沒有實現(xiàn)因需施教，沒能為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動與支撐作用。

鑒于此，本文從技術發(fā)展及工程實踐應用的角度，對三維建模過程中的重點應用技術進行闡述，并具體說明《三維建模技術》課程教學內(nèi)容的改革方向，以適應創(chuàng)新型人才培育的目標。

1? 三維標注技術

三維標注技術是在三維數(shù)字化實體模型上對產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術要求等非幾何制造信息進行組織、表達、操作管理的一項技術，改變了傳統(tǒng)由三維數(shù)字化實體模型來描述幾何形狀信息，而用二維工程圖來定義尺寸、公差和制造工藝信息的分步產(chǎn)品數(shù)字化定義方法。同時，三維標注技術使三維數(shù)字化實體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)以工程圖作為主要制造依據(jù)，而三維數(shù)字化實體模型僅僅作為輔助參考依據(jù)的制造模式。三維標注技術開啟了全三維數(shù)字化設計與制造時代，真正實現(xiàn)了三維數(shù)字化、無圖紙設計制造技術，使二維工程圖或工程圖紙成為歷史，即使有也不再是制造的主要依據(jù)，只是在特定條件下作為數(shù)據(jù)的一種輔助表達形式。三維標注技術的應用將引起產(chǎn)品制造過程的根本變化，徹底改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計、制造模式，簡化產(chǎn)品設計和管理過程，引起設計制造技術的變革。

基于三維標注技術的諸多優(yōu)點，該技術從1997年由美國機械工程師協(xié)會（ASME）聯(lián)合制造業(yè)巨頭共同發(fā)起三維標注標準起草制定工作起，到UG、PTC、Dassault等公司于2003年前后在其軟件系統(tǒng)實現(xiàn)該功能，再到波音公司于2004年左右在其最新研制的波音787項目中首次實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應用，只經(jīng)歷了短短的幾年時間。當前，三維標注技術已在國外的眾多制造企業(yè)得到廣泛應用，且在我國的航空航天等國防軍工行業(yè)也得到了大規(guī)模推廣。因此，三維標注技術必將是未來制造企業(yè)產(chǎn)品建模時的通用手段，在《三維建模技術》課程教學中增加三維標注技術相關的教學內(nèi)容，是行業(yè)應用發(fā)展的必然要求。

為使學生完整的掌握三維標注技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內(nèi)容包括：①標注平面建立;②非幾何信息標注;③捕獲建立;④標注信息管理;⑤標注信息在工程圖上的投影。

2? 參數(shù)化設計技術

參數(shù)化設計方法又叫尺寸驅(qū)動法，它是在零件內(nèi)部特征要素之間建立起尺寸約束方程式，從而通過改變其中的幾個尺寸參數(shù)來達到控制整個零件結構形狀的一種自動化設計技術。參數(shù)化設計理念于20世紀60年代誕生，現(xiàn)已具有成熟的理論與方法體系，并成功地應用于當前CATIA、UG、CROE等主流三維建模軟件中。參數(shù)化設計使設計人員從大量繁瑣的設計、計算、建模工作中解脫出來，大大提高了模型生成和修改的速度。

在當前的產(chǎn)品設計活動中，創(chuàng)新型設計所占的比重很少，絕大部分都是產(chǎn)品的系列設計、相似設計或改型設計，并且大約70%的產(chǎn)品設計信息可以在設計時被重用。參數(shù)化設計技術正是在這樣的需求和背景下應運而生，從誕生之日起就極大的被技術開發(fā)人員所關注，并被廣泛地應用于各種工程實踐中，已成為加快新產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短產(chǎn)品上市周期的利器。因此，掌握參數(shù)化設計技術已成為學生的必備技能，而在《三維建模技術》課程教學中增加參數(shù)化設計技術相關的教學內(nèi)容，是必須的、必要的。

為使學生完整的掌握參數(shù)化設計技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內(nèi)容包括：①變量定義;②變量與特征參數(shù)或幾何尺寸的關聯(lián);③關系式建立;④規(guī)則制定;⑤零件系列規(guī)格表的設計。

3? 關聯(lián)設計技術

關聯(lián)設計是在產(chǎn)品自上向下設計過程中，實現(xiàn)產(chǎn)品設計信息從產(chǎn)品項層向下游零部件自動傳導、傳遞的一種設計技術。它屬于參數(shù)化設計技術范疇，是一種特殊形式的參數(shù)化設計方法。與參數(shù)化設計技術相比，關聯(lián)設計技術有兩大特殊之處：一是驅(qū)動參數(shù)形式不一樣，前者只能是數(shù)值或字符串類型的變量，而后者拓展上升為點、線、面等幾何要素;二是技術范圍不一樣，前者表達的是在同一個零件模型中變量與特征之間的驅(qū)動關系，而后者則是產(chǎn)品中零件模型與模型之間幾何元素的依賴關系。

關聯(lián)設計技術在產(chǎn)品開發(fā)過程中的作用是巨大的。當設計上游專業(yè)的設計對象發(fā)生變更時，相關幾何元素的設計更改能夠自動地傳遞給下游關聯(lián)要素，實現(xiàn)自動更新，無需再走常規(guī)的更改流程。這就可以實現(xiàn)各設計對象間的快速迭代機制，減少設計錯誤，在更好地保證產(chǎn)品設計質(zhì)量的同時，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。當前，關聯(lián)設計技術在國外制造企業(yè)的應用已較普遍，但在我國只有國防軍工等少數(shù)行業(yè)開展了推廣應用。因此，高校有必要在《三維建模技術》課程教學中增加關聯(lián)設計技術相關的教學內(nèi)容，使學生掌握這項技能，并在今后的工作崗位中應用推廣這項技術，推動國家整體制造水平的提升，實現(xiàn)教育引領和推動產(chǎn)業(yè)進步的歷史使命。

為使學生完整的掌握關聯(lián)設計技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內(nèi)容包括：①產(chǎn)品整體結構及關聯(lián)要素分析;②骨架模型及參考要素建立與發(fā)布;③關聯(lián)機制建立及使用;④關聯(lián)機制的管理。

4? 知識重用技術

知識工程是人工智能技術在工程設計領域的發(fā)展與延伸，是人工智能與計算機技術、CAD技術不斷發(fā)展和融合的結果。將知識工程技術融合于產(chǎn)品設計開發(fā)領域，以工程知識驅(qū)動產(chǎn)品設計過程，實現(xiàn)設計決策的智能化與設計過程自動化，從而通過知識重用大幅度地提高設計效率與設計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提升制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力?；谥R工程的產(chǎn)品開發(fā)技術已成為促進工程設計智能化的重要途徑，受到了世界各國政府、研究機構、工業(yè)界的高度重視。從上世紀80年代開始，美國、日本和歐洲等西方發(fā)達國家將研究、開發(fā)和應用知識工程技術視為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要課題，以提高本國制造企業(yè)在產(chǎn)品設計和開發(fā)方面的創(chuàng)新能力，從而在越來越殘酷的全球化市場競爭中獲得優(yōu)勢和可持續(xù)發(fā)展的能力。在當前主流的三維CAD系統(tǒng)中，都有解決知識重用方案的知識工程模塊，如UG的Knowledge Fusion、CATIA的Knowledge Expert等。

在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中，全新產(chǎn)品開發(fā)往往較少，絕大部分部分設計活動是在已有產(chǎn)品基礎上的改型、改進設計，存在著大量設計過程、設計模型的相似并重用。因此，將設計經(jīng)驗、設計知識與通用三維CAD系統(tǒng)有機結合，最大限度地減少低效的重復性工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設計過程的自動化、智能化，具有重要的現(xiàn)實意義。

為使學生完整的掌握知識重用技術及功能，《三維建模技術》課程中應增加的教學內(nèi)容包括：

①參數(shù)定義;

②關系構建;

③超級副本;

④用戶特征;

⑤控制規(guī)則。

5? 結束語

廣泛、深入地應用三維設計技術是我國制造企業(yè)的大勢所趨。大學教學要擔負起為社會培養(yǎng)創(chuàng)新型和應用型人才的重任，必須緊跟當前科學技術發(fā)展步伐，將最先進與前沿的科學技術成果納入教學過程中。本文從技術發(fā)展及工程實踐應用的角度，對三維設計中的重點應用技術進行闡述，并闡明了《三維建模技術》課程教學內(nèi)容的改革方向，使該課程能適應先進設計制造技術的發(fā)展，為社會培養(yǎng)出滿足需求的機械類人才的目標，推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1]趙慧清，安瑛，馮連勛.機械專業(yè)本科生全程三維設計能力培養(yǎng)模式[J].工程圖學學報，2004，25（3）：116-119.

[2]朱琳，寇小希，胡國田，等.基于三維設計的制圖類課程改革與實踐[J].教育教學論壇，2017（38）：120-121.

[3]羅云霞，唐艷麗，曲建俊，等.三維設計能力培養(yǎng)的系列課程改革與探索[J].機械設計，2018，35（7）：11-13.

[4]武立波，宋若冰，蔡衛(wèi)國，等.三維實體建模與設計課程教學改革[J].裝備制造技術，2017（8）：273-274.