面向现代企业的图学教育的思考

张瑞琳,赵来国,冯　杰,刘爱玲

(1.沈阳工业大学,辽宁　辽阳　111003；2.中国石油　辽阳石化分公司,辽宁　辽阳　111003)



面向现代企业的图学教育的思考

张瑞琳1,赵来国2,冯杰1,刘爱玲1

(1.沈阳工业大学,辽宁辽阳111003；2.中国石油辽阳石化分公司,辽宁辽阳111003)

[摘要]在现代企业中,随着CAD/CAM/CAE一体化进程的不断推进,现代设计方法和先进加工制造技术得到普及,产品从设计到制造都是基于三维建模的,因此工科院校的图学教育应面向市场需求,基于三维计算机辅助设计理念的图学教育是未来的发展趋势。

[关键词]图学；三维CAD；二维工程图

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

目前,在现代工程实际中,普遍采用的三维CAD技术完成产品的开发,三维CAD技术涵盖了产品的零件创建、产品装配和工程图制作的全过程,因此,越来越多的现代企业工程设计人员利用计算机进行产品的设计与开发,以面对日益激烈的市场竞争,解决企业的TQCS难题,即最快的速度(T-Time to Market)、最好的质量(Q-Quality)、最低的成本(C-Cost)和最好的服务(S-Service),只有这样企业才能适应迅速变化的市场需求。

工科类的高等学校是培养未来从事研究、开发、设计和管理的专门高级技术人才,面向新的计算机技术和先进的CAD/CAM/CAE一体化技术,将高校图学教育与市场实际紧密结合,强调基于三维设计的理念,开展图学教育的改革是势在必行的。

1国内高校图学教育的现状

目前工科院校的多数专业,图学教育首先通过工程制图课程开展的,传统的工程图学体系大多依然是延续前苏联的做法,这一点从各高校的工程制图教学大纲以及工程制图的教材就略见一斑,研究方法是站在“二维工程图样先入为主”的角度,自始至终强化的是用二维工程图样表达三维实体零件和装配体部件的问题,把立体问题平面化,即强调二维到三维。这在尚未出现计算机技术的年代是无可厚非的,但是随着计算机技术的不断发展,现代设计方法和加工方法日新月异,在现代工程实际中,三维建模贯穿产品设计和制造的始终,传统的工程图学体系已经严重滞后。

此外,目前大多数工科院校开设了二维CAD课程,如AutoCAD,二维CAD也仅仅是单纯的图形绘制工具,此时的图学教育也是紧紧围绕如何利用计算机绘制一张合格的二维工程图样,至此,都是将重点放在二维工程图表达三维实体方面,这样的图学教育体系,不能满足现代工程实际对技术人才的要求。

2依托三维CAD技术,是图学教育的根本

随着现代设计方法和先进的加工制造技术的不断普及,许多企业的产品从设计到制造都是基于三维建模的。计算机辅助设计的过程一般是从概念设计、零部件三维建模到二维工程图,在零部件三维建模时或者三维建模的完成后,根据产品的特点和要求进行包括应力分析、结构强度分析、疲劳分析、热分析、公差分析与优化、NC仿真及优化,虚拟装配、动态仿真等过程以满足产品结构强度、运动和生产制造与装配等方面的要求。此外,三维设计的模型可以自动地将三维的设计模型的特征数据传递给CAPP、CAM软件接收,由计算机模拟加工过程,最终由数控机床加工制造,可见,三维建模支持设计和制造的全过程。

目前,常见的知名CAD软件如下表所示,其中依托高端的三维CAD软件都能全面完成产品设计到制造的全过程。

常见的知名CAD软件

2.1基于三维设计理念开展图学教育

基于现代工程实际,高校的图学教育应注重基于三维建模方法为主导,强调三维模型到二维工程图,如在图学的最初教学过程中,注重三维造方法讲解如拉伸、切除、旋转、放样、布尔运算等三维造型方法的演示,从开始就灌输三维建模的理念,为三维设计做好准备。如下图所示,通过一个组合体三维建模的过程演示,了解三维造型建模的基本方法与步骤,然后引导学生分析其二维视图的表达,达到事半功倍的效果。

机器零部件的表达方法的讲解也要围绕零件三维模型展开,研究如何合理应用各种表达方法表达零件的结构,在三维CAD软件上进行实时的剖切,体现各种表达方法特点及使用条件。在讲授清楚各种表达方法的特点和应用条件后,利用三维软件自动生成机件的各种视图和剖视图等二维工程图的功能,向学生展示三维模型直接生成的二维工程图,不失时机地向学生灌输以三维设计为先导的理念。

2.2二维CAD是二维逐步向三维过渡的阶段性产物

我国已经完成由传统的手工图板制图向计算机绘图的转化,即“甩图板”的过程,利用计算机如AutoCAD软件完成二维工程图样变得非常普及,二维工程图的主要优势在于描述产品的工程属性、包括公差与配合、表面粗糙度以及形状与位置公差以及技术要求说明等。

随着三维CAD的不断发展和完善,二维工程图的地位有逐步降低的倾向,二维CAD软件绘制工程图会逐步被取代,因此,二维CAD绘图是二维逐步向三维转化的过渡阶段。

目前的三维CAD软件都有利用三维模型直接生成二维工程图的功能,这些自动生成的工程图只需稍加修改就能获得符合国家标准的工程图样,从而真正实现二维工程图服务于三维设计的目的。随着三维CAD的发展,基于三维模型的工程属性标注功能的不断完善,未来的发展趋势是在三维模型上也可以直接标注相关工程属性,这样就可以完全摆脱对二维工程图的依靠,真正实现基于产品三维模型完成所有的产品研制与开发。

2.3三维CAD支持产品开发的全过程

三维CAD对现代产品开发过程的支持重点体现在以下几个方面：

三维造型的设计方法：直接对三维实体进行产品的设计工作,工作效率高,而且对自顶向下的设计、修改、装配提供方便。

参数化： 三维CAD软件可以提供参数化支持,可以用尺寸驱动模型的变化,同时还可以通过方程式描述产品模型尺寸之间的关联性,同时也为产品系列化提供基础。

一致性：三维CAD可以提供从零件模型到装配图模型，再到二维工程图的数据共享,用户一旦在某一环境下更改产品模型后,另外的产品模型将发生自动同步更新,保持产品设计数据的一致性,这一点在企业应用中十分重要。

自顶向下设计：允许设计者从产品的全局和零部件协调关系的角度出发设计开发产品设计,统筹规划产品的布局和设计任务,规避传统的零件、部件到产品的设计线路造成的设计冲突。

丰富的系统支持：包括结构强度分析、疲劳分析、流动与热分析功能模块；提供关于模具、钣金、焊接的功能环境,标准件库及丰富的第三方插件等。

丰富的检测手段：提供干涉检查和运动仿真,可以检测出产品静态装配冲突和动态干涉检查,降低设计失误,为设计调整提供信息。

产品展示与网络互动协作：现代产品需要将产品设计的结果直观地展示给用户,同时利用互联网进行协同设计与交流也是现代设计与制造的发展趋势,实现企业信息化。

设计与加工的集成性：提供数控编程模块以及数控仿真及优化功能等模块,将产品从设计到制造生产的过程集成在一起,实现并行工程。

3图学师资队伍的建设

在高校从事传统的图学教育的教师,长期只从事单一工程制图课程、或者工程制图与计算机绘图的教学任务,而不具备运用高端三维参数化CAD软件的能力,无法深入了解和掌握现代设计方法以及先进的制造技术等与现代工程紧密结合的先进技术的应用。基于上述原因,参照美国和日本等发达国家的做法,加强图学教育教师自身图学能力和素养的培养与提高,变得日益迫在眉睫,如何组建新型的图学教育的教师教学团队,是改革实施的重要保障。

首先图学教师不能只是将研究问题的方法局限在“二维到三维”的框架下,而应该主动解放思想、吸收学习新知识,深入了解基于三维设计的现代设计和先进制造与加工的市场实际,勇于探索与实践,构建面向市场实际的新的图学课程体系,掌握新型的三维CAD软件工具辅助教学,年轻的教师要用于承担三维CAD的教学任务,从根本上实现图学教师个人能力的拓展与提高,这样做,有利于改善目前高校普遍存在的,从事图学教育的教师个人发展空间有限的局限性,使得教师也成为面向现代企业的高校图学教育改革的受益者。

4结论

面向现代工程实际需求,加强图学师资队伍建设,开展基于“三维设计”的图学教育的改革,围绕实现产品“三维设计”目标,全面开展图学教学体系、教学内容与教学手段的全面改革,使得图学教育摆脱二维到三维的束缚,以三维CAD为平台,以三维建模为抓手,培养学生的三维造型的能力,以及从三维到二维的图示能力,为学生日后走向现代生产实际奠定重要的基础。

参考文献:

[1]张瑞琳,王文友,等.面向现代工程实际的制图类课程改革与实践[J].辽宁高职学报,2009(10).

[2]梁圣复,李慧莉.设计图学课程教学改革与实践[C]//机械类课程报告论坛组委会.2009年机械类课程报告论坛论文集.北京：高等教育出版社,2009.

[3]张瑞琳,冯杰,等.基于先进制造技术的工程制图课程的改革[J].辽宁高职学报,2010(10).

[作者简介]张瑞琳(1965—),女,辽宁辽阳人,副教授,机械电子工程硕士。研究方向：图学及流体机械与工程。