基于世界技能大赛和先进成图大赛的机械制图应用能力分析

蒲 娟

（成都航空职业技术学院，四川 成都 610100）

机械制图及相关课程是高校机械类和近机类专业的一门非常重要的专业基础课程， 其主要任务是培养学生阅读和绘制机械图样的能力、 图解简单空间几何问题的能力以及对三维形状与相关位置的空间逻辑思维和形象思维能力[1]。 学科竞赛是培养学生创新实践能力的重要途径， 也是学科知识未来发展趋势和方向的最好指引。 目前， 与机械制图课程相关的重要竞赛主要有：世界技能大赛CAD 机械设计项目以及“高教杯” 全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛（简称高教杯制图大赛）。 本文以以上赛事为基础，通过详细分析赛项内容， 得出对学生的能力要求，为机械制图及相关综合实训课程的教学改革做准备。

1 世界技能大赛CAD 项目内容及能力分析

1.1 世界技能大赛CAD 项目内容分析

世界技能大赛是世界技能组织举办的世界顶级赛事[2]，每两年举办一次，其宗旨是，通过成员之间的合作， 促进青年人和培训师的职业技能和水平的提升，并积极推广职业技能， 加强各国在职业技能领域的合作与交流，被称为世界“技能界的奥林匹克”[3]。 我国从2011 年开始，连续参加了第41 届至第44 届的世界技能大赛CAD 机械设计项目。 以第45 届世界技能大赛CAD 机械设计项目全国机械行业选拔赛为例，其内容及试题形式完全参照世界技能大赛。比赛时长10 个小时，分两天进行，主要包含四个模块——产品设计挑战赛、装配建模与工程图、机械结构设计、手工测绘与逆向工程[4]。 具体内容如下：

模块一：产品设计

根据给出的草图、标准件、设计约束条件以及部分实体零件，（1） 设计零件结构， 建立零件三维模型，（2）合理选择标准件、创建装配模型和装配图，（3）为产品建立渲染照片， 设计表达图形和产品演示或原理动画。 要求提交的成果主要包含产品设计方案或说明、产品3D 打印件、渲染照片和动画文件。

模块二：装配建模与工程图

根据题目给出的零件或装配模型以及产品BOM 表或其他数据，（1）建立零件三维模型，（2）创建装配模型，生成并编辑装配图，（3）为产品建立渲染照片、设计表达图形和产品动画。 要求提交的成果主要是全部的电子数据、规定格式的渲染照片和动画文件。

模块三：机械结构设计

要求根据给出的工作原理图、零件图（或模型）、装配图（或模型）以及产品BOM 表和其他数据，（1）建立通用机械、钣金、桁架结构件和装配体三维模型，（2）创建若干个零件图或装配图， 完成正确的GDT、 焊接工艺标准，（3）为产品建立渲染照片、产品演示动画。要求提交的成果为全部电子数据、 规定格式的渲染照片和动画文件。

模块四：手工测绘逆向工程

该模块是根据工件实物以及描述文件和所有逆向工程必要的附加信息， 使用测量工具， 自己决定视图布局，要求最后提交工件的3D 模型额渲染照片。

整个项目， 主要考查选手根据零件图完成零件建模、装配体建模、爆炸图、演示动画、仿真动画、模型投影零件图和装配图； 渲染； 数据输入及输出； 钣金建模；更改设计模型；零件测绘(测绘、草图、零部件建模、模型投影工程图)[5]。

1.2 世界技能大赛CAD 项目能力分析

通过以上内容分析可知， 主要要求选手具有以下几方面跟机械制图相关的能力：

（1） 能够应用相关绘图软件正确绘制零件和装配体二维工程图，包括表达方案、尺寸标注、相关技术要求等内容， 熟悉机械制图相关国家标准及ISO 国际标准规定。

（2） 能够使用三维建模软件建立零件和装配体的三维模型，并制作爆炸图、演示动画等。

（3）具有对机械结构进行创新设计的能力。

（4）能设置并操作桌面级3D 打印机打印模型。

2 高教杯先进成图大赛内容及能力分析

2.1 高教杯先进成图大赛内容分析

“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛， 是由教育部高等学校工程图学课程教学指导委员会、 中国图学学会制图技术专业委员会、中国图学学会产品信息建模专业委员会联合主办的图学类课程最高级别的国家级赛事[6]。 从2008 年至今每年举办一次，已连续举办十一届，主要包括机械类、建筑类、 水利类和道桥类四个专业类别。 与机械制图相关的主要是机械类。 以2018 年第十一届高教杯制图大赛机械类竞赛为例， 其内容主要包括尺规绘图、 计算机绘图和3D 打印三个方面。

尺规绘图：

该部分要求学生根据零件立体模型图绘制一组视图数量最少、表达最简洁的零件图，包括视图表达、尺寸标注、技术要求等，且均需符合国家标准相关规定。这就要求学生需要掌握： 典型零件形状与结构特征的分析，零件视图的选择与画法，零件图的尺寸标注，零件工艺结构与画法，零件技术要求及其标注等[7]以及最新的国家标准。 尺规绘图部分还包括智力投影与构型设计试题。 要求学生根据给出的视图尽可能多的想象出各种模型的空间结构， 并正确绘制和选择所缺少的第三视图。 该部分题目旨在考查学生空间构型能力和立体思维能力。 学生需要掌握基本体的投影， 立体表面交线 （截交线与相贯线， 回转体相贯线要求采用简化画法），组合体构型与看图，轴测图，图样画法[7]。

计算机绘图：

要求学生使用Solidworks 等三维软件根据已知的零件图、轴测图建立三维模型并进行装配，最后由三维模型生成二维工程图（包括零件图和装配图）。要完成该部分试题内容，学生需掌握三维软件草图绘制、平面和曲面建模、三维零件装配、工程图生成以及模型渲染等方面的知识。 同时需要熟悉零部件装配过程以及装配过程中所需用到的标准件和连接、约束等关系。

3D 打印产品设计：

从2015 年起， 高教杯先进成图大赛增加了产品创新设计与3D 打印作为大赛的补充项目， 比赛方式为参赛现场给定设计主题， 选手围绕主题， 在规定时间内， 按照任务书要求自己设计零件结构和外形， 使用建模软件建立三维模型并将模型转化为可用于3D 打印格式的文件， 最后利用参赛现场提供的3D 打印机打印出零件的实物模型并进行装配。

2.2 高教杯先进成图大赛能力分析

纵观整个高教杯先进成图大赛内容，可以看出，大赛主要考核参赛选手以下几方面能力：

（1）徒手绘制复杂产品零件图的能力，包括按照制图国家标准规定， 正确标注产品尺寸和技术要求、工艺要求的能力。

（2）能够利用Solidworks 等三维建模软件快速建立复杂机械零件的三维模型并进行装配以及演示动画渲染等。

（3）利用三维软件及3D 打印机进行机械创新设计的能力。 能够对产品的外观及简单结构进行机械创新设计，具有一定的创新思维和创新意识。

3 总结

世界技能大赛CAD 项目和 “高教杯” 先进成图大赛是机械制图领域的两大最权威赛事， 其竞赛内容和能力要求紧扣行业发展需求， 也指引着机械制图课程未来发展方向。 通过前面的分析发现， 两大竞赛都具有以下几方面特点：

（1）对机械零件表达方式的要求更加多样化。 要求参赛选手不仅能对绘制机械零件的二维图纸，还必须能够建立零件的三维模型、模型装配以及动画渲染等。

（2）对参赛选手创新设计能力的要求不断提高。 两大竞赛都设有机械创新设计内容，要求选手必须具有创新意识和能力，要真正将学到的知识用于创新实践。

（3）对新技术、新方法的重视程度不断提高。 随着信息技术的发展， 涌现出类似3D 打印等新的零件表达方式，真正做到对零件360°全方面展示。 这就要求选手了解和掌握新的零件表达方式并具有将设计的机械零件快速成型的能力。

通过以上分析， 可以看出机械制图课程未来发展趋势和方向， 从而为后续机械制图及其相关课程的教学改革做准备。