基于“甩图纸”的机械制图课程结构研究

2012-08-06李长春戴国洪

职教通讯 2012年30期

胡炜，李长春，戴国洪

随着计算机技术的发展，制造业已经进入数字化设计、分析与制造的时代。先进的三维设计、制造方式正在迅速、全面地取代传统的二维设计、制造方式。科技部提出的“十一五”制造业信息化工程任务之一就是“甩图纸”，所谓以“甩图纸”为标志的设计制造一体化是指应用以三维产品模型设计为核心，研究开发产品设计、分析仿真、工艺规划、数控加工以及质量检测的集成技术。[1]在“甩图纸”的背景下，社会对人才的需求也提出了更高的要求，为制图教学带来更深的思考。在许多制造业先进国家的工科学校中，已经将制图内容由二维平面（2D）扩展到三维空间（3D），并向设计、制造和分析一体化方向发展。[2]我国在机械制图教学方面也一直进行以下形式的改革：[3-5]（1）以传统教学内容为主，加上Auto CAD（计算机绘图）基本知识的模式；（2）适当调整传统内容，与计算机绘图融合的调整融合模式；（3）通过一些三维软件将制图书中所有的例题全部绘制出来，用来辅助学生理解二维图形,如文献[5]所述；（4）直接使用三维软件，放弃传统内容,如文献[2-3]所述。

上述改革的特点是：在原有制图的基础上向“甩图板”发展，在课程后补充或穿插安排AUTOCAD内容，在实际教学过程中，大多又摒弃了CAD的内容，单独安排课程，多数学校在课程中引入了三维CAD软件课程，但仅作为辅助教学手段。本文提出在“甩图纸”制造业信息化过程中，对高职院校机械制图课程体系进行合理规划，将二维绘图作为三维建模的辅助，而不是现在的三维是二维的辅助形式。

一、“甩图纸”的概念和内涵

“甩图纸”并非不要图纸，美国搞CIMS初期，要求实现无纸工厂失败而改为适度自动化，证明了制造业在未来很长一段时间内不可能全部实现无纸工厂，“甩图纸”是以三维产品模型为核心，研究产品设计、分析仿真、工艺规划、数控加工以及质量检测的集成技术。以电子化、数字化、三维化的模型来替代纸质的模型，以纸质的模型作为参考，用于阅读的辅助性工具，这样就能大大提高产品的协同设计水平，提高设计的效率。

二、新形势下机械制图课程的定位

从人的感知方面分析，三维物体是客观世界在人脑中的直接反映。设计图纸不是画，需要准确地表达零件的结构特征，用于指导生产，进行技术交流，因此，在一定时期，二维图纸对制造业产生了深远的影响。但在生产模式向单件、小批量发展过程中，原有的二维设计已无法及时响应市场对新产品的要求，并且，对产品的设计质量和企业的创新能力也无法准确判断。随着三维软件的成熟发展，许多设计方法得以实现，如协同设计、并行工程、参数化设计等，图1所示为现代制造业产品设计结构图。由图1可见，采用直观的三维模型表达方式，更能为人的主观意识所接受，能清楚地描绘更加复杂的产品结构，并能在产品概念设计和功能设计的同时，并行地进行优化分析和可加工性分析，从而满足现代制造业对T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）的要求。在制造业从“甩图板”到“甩图纸”的过渡中，二维制图在现代制造业中的主导地位将逐步转化为三维软件的辅助表达方式。

图1 现代制造业产品设计结构图

三、机械制图课程结构现况

由于在平面上通过立体图无法表达清楚机械产品各个特征的详细信息，于是产生了二维视图，用以描述三维产品。因而，传统的机械制图课程体系大多通过点、线、面、体、组合体这样的流程顺序来讲述形体，培养学生的空间想象能力和空间思维能力；然后再通过剖视、剖面等表达方法，对零件的内部结构进行描述；最后以零件图和装配图两个环节作为应用部分。如图2所示为机械制图课程学习阶梯图。

图2 机械制图课程学习阶梯图

从图2可以看出，该课程体系与制造业信息化的内涵具有较大差距，无法满足信息化社会对从业人员制图知识的要求，而且以二维作为教学的出发点，也与人的认知规律不相符。实际上，很多学生和工程设计人员都是先在头脑中形成产品的三维结构，然后再转换成二维图样进行表达，因此，对于初高中阶段几何基础薄弱的学生来说，会因为空间想象能力不够，而难以充分表达三维的物体。

同时，在该课程体系中，无法体现机械制图在工程中的应用性。制造业传统的流程为：设计部门将图纸送到工艺部门——工艺部门依据设计图纸，编制制造技术文件（包括工艺、数控加工代码）——将设计文件和制造技术文件一起发送资料管理部门——制造部门按照生产计划，在适当的时候将这些文件和制造任务下发到操作人员和检验人员手中——待任务完成后，技术文件又回到了资料管理部门归档。由此可见，该课程体系无法反映生产中的这一流程，充其量只是培养了学生的空间想象能力。

四、重构机械制图课程体系

自1991年提出“甩图板”以来，CAD技术在十余年间得到了充分的发展，特别是AUTOCAD软件，在企业被广泛普及。随着三维CAD技术的进一步成熟，ERP、PDF等软件的进一步发展，在“甩图纸”的趋势下，未来的十年内三维软件在制造业将会作为主导地位而存在。因此，作为工程界的技术语言，机械制图在教学中如何适应这种转变，将直接关系到制造业信息化人员的技能培养问题。一般工科院校课程安排中，机械制图课程96课时，AUTOCAD课程32课时，三维软件（UG、Pro-E等）64课时，共计192课时。

对部分企业进行调查发现，本科生制图水平相对高些，但仍不能满足企业要求，而高职高专毕业生主要是识图能力较强。企业所需要的毕业生应具备一定的识图能力、设计能力，具有一定的数字化设计知识，能了解现代设计流程和方法，具有全局视角，从产品的全生命周期来分析问题，并能解决部分问题，基本上实现“甩图纸”。

为了使制图教育与制造业信息化的发展需求相适应，在“甩图纸”的方向下，需对“机械制图”课程体系进行根本性的改革，即将机械制图的内容与三维软件的学习相结合，从三维出发，提升学生的制图能力与识图能力。表1所示为重新建构的“机械制图”课程体系，这一体系经教学实践检验，具有较好的效果。具体思路为：从CAD三维建模的设计思想出发，打破传统机械制图以二维视图表达三维形体的思维方式，用三维设计的理念讲授机械制图，将机械设计与工程制图融为一体，将学生学习机械制图过程由被动地学习二维生产图样的绘制变为自主地进行创新设计，使机械制图课程成为以计算机三维造型为主、二维造型为辅，结合各类专业知识，实现设计与绘图高度统一的综合类课程。这一改革思路符合学生的认知规律，不仅引入了新的绘图工具来改变绘图方式，而且会引起整个图学教育思想、理论和体系的变革，使机械制图教育步入一个全新的领域。