特征造型软件环境下图样表达方法研究

姜立军

（华南理工大学，广东 广州 510640）

目前所有流行的商业特征造型软件，都具有二维图样和三维模型的双向关联功能，能自动由三维模型生成符合国家标准的各种视图表达方法，并且，由二维投影视图中的模型尺寸的修改，也可以反过来按照新的尺寸重建三维模型。在基于特征造型的软件环境下，由于引进了更多方便直观的表达方法，三维工程制图课程中有关视图表达方法的教学，应结合特征造型软件的表达优势，加强三维图样表达方法的训练。在这样的大前提下，本文就已有的图样表达方法进行分析比较，提出了对图样表达方法的改进方案。

1 二维产品图样表达的基本形式

机械图样表达方法的教学中，主要内容包括视图表达、剖视图表达、断面图表达、规定画法和简化画法，以及零件图与装配图中的标注规定等内容。目前的教学模式，都是基于现有国家标准中的基本规定展开教学。这在手工绘图还普遍存在的大环境下，对于减轻绘图工作量，以及简洁表达形体特征而言是有帮助的，在基于二维手工绘图的条件下，以现有国家标准为基础的图样表达训练，作为培养二维平面图形与三维几何空间的投影对应关系的形象思维能力及空间分析能力甚至是必不可少的[1]。

图1主视图采用了单一剖切平面实现全剖视。该剖视图完全由三维特征造型软件自动实现，此时的肋板表示方法实际上是不符合现阶段国家标准关于剖视图表达要求的。如果要达到此要求，则需要在软件中采用很多类似于二维或图软件中的辅助命令来实现，且其修改结果只能作为注释或者草图保存在独立的图层，当该三维模型变化时（比如修改肋板的形状草图），这些修改的结果无法做到自动更新。因此而失去了特征造型软件的优势。笔者认为，这部分的相关规定应该在教学中适当弱化。

图1 视图、全剖视图、局部剖视图、断面图与轴测图

断面图表达方法和剖视图类似，其主要是用来表达局部结构特征。目前，三维特征造型软件一般和剖视图采用相同的工具实现，只是和剖视图命令相比，在个别参数选择上有所不同。因此，在视图表达教学中，应该不再刻意分开教学。如图 1所示的连接部分的移出断面，在Solidworks2008中，实际是采用旋转剖视图和断裂视图两个工具实现的。笔者认为，剖视图和断面图的教学不需要在进行表达方法的明显区分，而应该统一到特征造型软件的表达方式上来开展教学。

轴测图或透视图具有立体感，不需要丰富的空间想象力和太多的看图时间，就可以了解产品的几何特征。手工绘制轴测图费时费力，一般人不易绘制，这类图形一般只作为帮助理解的辅助图样。然而，由于特征造型软件的出现，基于全数字化的产品数据定义模型，生成满足不同国家标准的投影视图，就只是一个简单投影变换的问题。由于草图是即时思想表达的最佳形式，尤其在概念设计阶段，具有立体感的草图构型是帮助设计人员记录创新灵感的重要方式。现阶段的图学教学实践中，手绘草图能力越来越得到重视，轴测图或透视图的教学内容应该逐步加强。

一直以来，人们在绘制齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、花键、弹簧、轴承、螺纹紧固件等有规律重复特征零件时，都是用规定简画法而没有详细地把所有特征绘制出来。最新国家标准“数字化产品数据定义通则”对这部分模型的简化表达形式有明确的要求，符合该标准的特征造型软件可以自动实现这些模型的简化画法。因此，这些标准间及常用键的规定画法内容应该弱化。对称零件或结构如图1中的肋板等类型的简化画法，重复特征的处理，计算机实现是轻而易举的。而如果按照规定简画法或简化画法，反而难以处理了。因此，这部分内容应该彻底放弃。

图样中的标注，包括尺寸、公差、粗糙度、零部件序号、技术要求等内容，是图样表达的重要部分。对于初学者而言，在图样上实现合理的标注，都是非常棘手的事情。除去不熟悉机械产品设计与制造的基本流程和方法等原因外，也与对零件结构特征理解不透彻，尺寸标准纯粹只考虑视图中的几何图元关系，对空间特征几何约束条件的理解欠缺有关。同时，国家标准关于标注的规定较为复杂，也是造成图样标注错误不断的重要原因。但是，在特征造型环境下，几何特征及非几何特征在建模时就必须确定，这样，在生成工程图时可以自动从模型参数中引入，实现比较合理的标注。因此，在教学过程中，适当增加图形的几何约束及尺寸约束的内容，可以减少尺寸标注的错误。

2 数字化产品中新的图样表达方式

图样作为信息传递的载体，如果基于特征造型环境，全数字化定义的三维特征模型不仅包含了产品完整的几何特征，也包含了像精度和材料特征等信息在内的非几何特征，传递的信息更加丰富、全面而精确。利用投影变换的原理，结合数据库技术，与模型相关的几何及非几何特征信息就可以自动在二维工程图中进行合理的表达；同时，由于数字化定义的引入，也产生了更多更新颖的表达方式，这对于现有的二维图样，是一个很好的补充。随着软件技术的进步，并有可能完全取代纯粹的二维图样，实现图样的三维表达。另一方面，与欧美国家更加重视设计思想、创新思维的启迪及实践能力的培养模式相反，我国大多数工程制图教学实践中，太多拘泥于图形上这些表达细节的处理及国家标准的宣讲，这在手工绘图环境下或者可能是需要的，但特征造型软件的引入，把教学重点由对规定的宣讲，转移到设计自身应有的内涵，以及创建合理的特征模型本身，开展基于数字化模型的三维表达的教学，正是改变现有教学方法的最好契机。

2.1 表达视图

表达视图也称分解视图，有的特征造型软件称爆炸图。其实这不是一种新的表达方法，日常生活中购买的各种各样的日常生活用品的使用说明书中都有的示意图，就是这种表达视图，只是由于在手工绘图环境下，只有经过长时间专门训练的人才能熟练掌握和使用，而在数字化定义条件下，这种表达视图可以有计算机轻易生成。国家标准也作了相应规定，要求工业产品的使用说明书中的产品结构优先采用立体图示，即立体装配图。

如图2和图3所示的喷嘴及汽车后桥表示的表达视图，表达了明显的装配路径和装配顺序。因此，比看二维工程图去理解装配关系容易得多，在三维特征造型软件使用越来越普遍的情况下，这种表达方法应该有所加强。

图2 喷嘴表达视图

图3 后桥表达视图

2.2 云图

云图通常用来表示零件特征在工作环境下，受载荷影响而导致的表面应力及变形状态。目前，多数特征造型软件都有运动仿真及有限元分析模块，工程制图教学应该从纯粹的培养读图或绘图能力转移到创新设计的层面来开展，充分利用软件提供的分析计算功能，对所设计的零件进行简单的强度计算或寿命计算，培养学生的工程意识。因此，图样表达的部分应该在特征造型软件中适当添加关于装配环境下的载荷设置、材料性能等内容的简单介绍，并利用软件提供的分析功能进行简单的计算，对云图进行解释和说明。图4是在Inventor软件中进行有限元计算后的云图，表明了该零件的应力分布及变形情况。

图4 云图

2.3 装配仿真

装配是产品生命周期的一个重要环节。利用计算机进行虚拟装配仿真与规划，可以预见设计结果，提供设计验证，对于进一步提高产品质量、降低产品成本、缩短产品生命周期具有重要意义。能够实时、方便地修改装配顺序和装配路径，准确地描述零部件在装配或拆卸过程中的位置姿态信息，跟传统的装配图相比较，不仅从空间维描述了部件的装配关系，同时，增加了时间维的描述，可以实现部件之间的相对运动关系仿真。图5表示装配环境下3个不同位置的轴测图，结合设计视图表达方法，可以生成不同位置的工程装配图。在特征造型环境下的工程制图课程，应该将这部分内容加强。

图5 装配仿真

3 三维特征造型软件环境下的三维表达规范

随着数字化设计与制造技术的广泛应用，二维图纸不再是设计制造过程所必需的文件，三维模型替代二维图纸将作为技术交流和信息传递的主要方式，国际标准化组织于 2006年底制定出ISO16792标准[2-6]。

参照ISO16792，《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》（GB/T 24734）系列于2010年9月成为正式的国家标准[3]。在新标准中，二维图纸中标注的信息都可以直接在三维模型中标注，并且支持图纸与三维模型中的标注双向互动。相对于二维CAD环境中的标注，三维标注清晰直观，无须严苛的训练，工程师、车间工人、管理人员，都容易理解。可以说三维标注的国际标准出台以后，为机械制造业彻底摆脱图纸，提供了可能性。

GB/T24734从数据集的识别与控制、数据集要求、设计模型要求、产品定义数据通用要求、几何建模特征规范、注释和特殊符号要求、模型的数值与尺寸要求、几何公差的应用、基准的应用、模型简化表示法等作出了规定，为使用特征造型软件的用户在几何建模、特征属性及标准等方面进行了统一规范。

3.1 标注面、指引线与基准要素基本要求

标注面或称为注释面，应与三维几何模型保持相关关系，如模型旋转时，相关文字应随之旋转。指引线元素的指引线，其终端用箭头形式，指向面元素的指引线，指引线终端用位于该面内的圆点表示，如图6中的形位公差表示；基准要素标识应该标注到代表基准要素的表面上，标注基准要素符时不应使用模型轮廓的单延长线，平面基准要素标识放置在垂直于该面的注释面上，该注释面上标注一个尾端带三角的引导线，回转面末端以圆点带引导线引出。两相对平行面基准标识，将基准要素标识符与要素尺寸标注及延长线放在垂直于中心面的注释面上，有限区域的标识符的引导线应该标注在有限区域内。

图6 标注面、基准标识及指引线

3.2 公 差

一般把公差分为尺寸公差和形位公差，在三维环境下标注时，尺寸公差仍旧参照现有国家标准规定，对于形位公差，该标准从几何公差、定向公差、位置公差、轮廓公差、跳动公差等几个方面的表示方法进行了规范。公差标注框格所在的注释面与应用表明平行、垂直或共面，公差应该独立标出或位于尺寸数字下方，指引线末端圆点指向标注表面。

3.3 轴测图形表达

在三维表达环境下，轴测图是一个很重要的表达方式。以二维工程图为主要表达方式的情况下，为了详细描述一个产品零件或者部件，通常要制作截面图、向视图、局部放大图。绘制这样的图纸，将耗费技术人员大量的有效工作时间，并且，打印输出的硬拷贝与原来的电子设计文档脱离了联系，设计变更、管理成本很高，容易产生差错。而基于特征造型的三维表达方式就可以有效的避免这种数据孤岛的问题。在新标准中，每个轴测图都应包含模型坐标系，以表明视图方向，剖视图可以从轴测图中派生，剖视图可以是正投影图，也可以是轴测图，剖切面用于指示剖面区域的位置和方向，剖切面的边界可以是细实线，也可以是虚线，剖视图需要用箭头指示投射方向，其标注符合GB/T4458.6的有关规定，剖视图可以用移去一部分后的剩余部分表示，或者用剖切面与材料实体相交处的剖面区域表示，视图旋转时，剖视图一同旋转，并保持一致的对应关系。在这种表达形式下，剖视图和断面图就完全统一了。

4 结 论

三维特征造型软件环境下，可以实现几何特征及非几何特征的高度集成，基于《技术产品文件 数字化产品定义数据通则》（GB/T 24734）系列国家标准，可以进行产品的三维图样表达，除了可以很简单地满足手工绘图条件下的各种二维图形表达方式的要求，实现了对产品实现空间维度的表达和不同时间过程的表达。目前，国外最新教材已经将三维标注的相关内容列入[7]，随着我国图学教育改革的发展，现有图样表达内容的教学，应该随着造型技术的进展，进行相应的修正。

[1]韩丽艳, 张孟玫, 孙轶红. 利用三维 CAD成型法进行组合体读图的研究[J]. 北京石油化工学院学报,2009, 17(4): 48-50.

[2]INTERNATIONAL STANDARD Iso 16792 First edition[OL/EB]. http://www.standardsmalaysia.gov.my/lib/TPS/STAND/D031065E.PDF.

[3]丁红宇. 数字化产品定义数据通则系列国家标准研制动态[C]//2006 e-works产品创新数字化国际峰会论文集, 北京: 2006产品创新数字化国际峰会, 2006:272-276.

[4]Dantan J Y, Ballu A, Mathieu L. Geometrical product specifications —— model for product life cycle [J].Computer- Aided Design, 2008, 40: 493-501.

[5]Humienny Z. State of art in standardization in GPS area [J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2009, (2): 1-7.

[6]Quintana V, Louis R, Robert P, et al. Will model-based definition replace engineering drawings throughout theproduct lifecycle? a global perspective from aerospace industry [OL/EB]. Computers in Industry,2010. http://linkinghub. elsevier.com/retrieve/pii/S0166361510000060.

[7]Colin H, simmons, Dennis E, et al. 3D annotation,manual of engineering drawing [M]. Third Edition,Newns Imprint, 2009: 199.