三維CAD時代的圖學教育

摘要：設計一向依賴于圖學。近年來CAD/CG技術快速發展，而大學圖學教育無論在體系上還是內容上，還沒有脫離原來的范疇。本文就CAD環境下設計和圖學的關系做了一個探討。

關鍵詞：CAD；設計；圖學教育；三維圖樣標準

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0196-02

一、制造業中的圖學和CAD

1.設計方式的變化。制造產業中，設計者把構思的立體形狀按照投影法規律繪制出二維投影圖，并用二維投影圖來表達自己的設計思路。這樣的二維設計模式曾經持續了很長一段時間。相應地，大學教育中，為二維設計服務的課程體系（體系的核心是圖學）也一直被實施至今。一般來說，以復雜立體為對象的設計，必須確定各個簡單立體的形狀和立體間的相互位置關系，這些信息用二維投影圖來表達。簡單來說，圖學是這樣一種學問，設計者把頭腦中的三維立體用二維投影圖表現出來時，需要用到它；生產者從二維投影圖中得出立體的形狀信息時也需要用到它。圖學是制造業從業者所必須掌握的一門學問。如圖1所示。

1990年初，計算機輔助設計（當時是二維CAD系統）開始引入產品設計并很快普及。1990年中期，三維CAD系統登場，2000年開始在制造業中快速普及。截止至2004年我國的92%以上的中型制造業企業已應用了二維CAD技術，34%的中型制造業企業已使用了三維CAD技術。2009年我國制訂了相關的國家標準—數字化產品定義的數據通則。而現行的圖學教育，在標準的貫徹方面，已經有點跟不上CAD技術發展的步伐。

2.三維CAD設計的輸出的現狀。隨著CAD技術的普及，產品設計經歷了二維工程圖、二維工程圖加三維模型、三維模型加簡化標注的二維圖樣這三個階段[1]。

現在，企業運用三維CAD技術進行產品設計，但制造所必須的尺寸、公差及技術要求等信息仍舊采用了傳統的二維圖樣來表達。這樣的制造信息的雙數據源定義，在一定程度上導致了信息表達的分散和混亂。

二、設計所必需的圖學能力

從制造和圖學的關系可以看出傳統的二維設計所必需的圖學能力可以歸納為以下4類：

1.繪制二維圖樣的能力。

2.由立體繪制二維圖樣的能力。

3.由構思的立體繪制二維圖樣的能力。把想象中的立體用二維圖樣表達出來，通過二維圖樣正確地傳達自己的設計意圖。

4.根據二維圖想象立體形狀的讀圖能力，其中1和2是繪圖能力，3和4是二維三維互相轉換的能力。在二維設計中，這四種圖學能力缺一不可。

三、CAD系統對于圖學能力的支持

使用CAD軟件進行設計，CAD在上述四種圖學能力方面給予設計者如下支持：

1.二維繪圖能力。二維CAD軟件中的繪圖命令，包含了作圖設計所必須的幾乎所有的作圖功能，以及豐富的圖形編輯功能。因此，作圖的正確率和效率得到大幅度提高，如圖2所示。

在三維建模時，通常先繪制草圖再進行拉伸、旋轉等三維操作來進行建模。這里的草圖就是二維圖樣，而且通常只需要繪制很簡單的二維圖元[2]。

2.由立體繪制投影圖的能力。三維CAD系統軟件具有由三維模型自動生成二維投影圖的功能[3]。設計者只需專注于圖形信息以外的尺寸、公差和技術要求等注釋工作。

3.由構思的立體繪制二維圖樣的能力。這種能力在二維設計中必不可少。但是在三維建模時，草圖繪制只是建模的一個環節。繪制怎樣的草圖，進行怎樣的三維操作，才能得到目標立體，這種構思能力很關鍵。這是二維設計和三維設計在設計方法上的最大的不同點。也就是說在三維CAD中，設計者沒有必要為二維表達耗費過多心思。

4.根據二維圖樣想象立體的讀圖能力。隨著三維CAD軟件的普及，設計數據用三維形式進行儲存，使用二維圖樣的機會將會慢慢變少，讀圖能力的重要性有著被逐漸弱化的趨勢。

四、作圖的必要性和作圖設計能力

在三維設計中，幾乎沒有必要繪制二維圖樣。這不利于二維作圖能力的維持，從而導致了設計者作圖設計能力的退化。事實上，在設計流程已經三維化的設計部門，新進人員的二維作圖設計的實際經驗幾乎為零。當然，在某種意義上這未必是一件壞事。

五、關于三維CAD設計的輸出方法的構想

目前的三維CAD系統，并沒有具備相應的三維輸出手段，設計的輸出在很大程度上仍舊依賴于二維圖樣。因此，不依賴二維圖樣的三維輸出手段的開發，以及與此相關的三維輸出標準也即三維圖樣標準的制定已經迫在眉睫。

1.對于三維圖樣的定義，暫作以下考慮：三維設計的形狀、尺寸、技術要求等制造所需要的全部信息都在三維空間內表達。在信息表達上達到與二維圖樣同等的可視性。也就是說，三維設計中的所有信息都在三維空間以可見方式出現[4]。

2.三維圖樣構想。今后的三維圖樣可以設想為三維模型以及標注在三維模型上的尺寸、技術要求和其他制造特征等信息的總和。相應地，設計結果的瀏覽將不依賴于三視圖，在設計、生產、檢驗、銷售的全過程都能實現產品信息的三維瀏覽[5]。如圖3所示。

3.今后的設計信息的定義和瀏覽。從前的二維設計，現在的依靠二維圖樣進行輸出的三維設計和構想中的由三維數據進行輸出的三維設計，從定義和瀏覽兩個方面來進行比較，如表1所示。

六、總結

1.設計所必需的圖學能力中，二維作圖能力以及立體和二維投影圖相互變換的能力是兩種核心能力。

2.二維CAD軟件的引入，使二維作圖的正確率和效率大為提高。

3.三維CAD軟件的引入，使得三維建模變得方便而快捷。自動生成投影圖的功能把人從枯燥的二維圖樣繪制中解放出來。

4.設計的三維化，使二維作圖的機會減少，二維讀圖能力的必要性也在減弱。

5.對三維模型的尺寸標注和三維瀏覽模式的開發將會是個大方向。

6.和數字化產品定義的國家標準相適應，制圖教育的改革已是迫在眉睫。

七、結語

設計是人的創造性行為，而CAD是一種強有力的輔助工具。利用好CAD這個工具，可以實現更加便捷、優質的設計。希望圖學教育的課程體系能夠和數字化產品定義的國家標準相適應，在不久的將來做出相應調整，以適應CAD技術的快速發展。

參考文獻：

[1]周秋忠，查浩宇.基于三維標注技術的數字化產品定義方法[J].機械設計，2011，28（1）：33-36.

[2]張立榮.三維CAD技術在機械設計中的應用[J].煤炭技術，2011，30（2）：16-18.

[3]許沛.基于直接建模思想的參數化模型處理工具——ANSYS SpaceClaim DirectModeler[J].CAD/CAM與制造業信息化，2011，（07）：40-43.

[4]成澤良幸.設計信息的可視化和三維圖樣[J].Design news JAPAN，2007，（1）：18-19.

[5]潘康華，陸江峰，邵蘭英.MBD技術的發展歷程與展望[J].機械工業標準化與質量，2013，（2）：15-17.

作者簡介：張良（1973-），男，江蘇無錫人，講師，碩士，主要研究方向為CAD技術與圖形學。endprint