與基于模型定義技術(shù)相融合的工程圖學課程教學探討

于 勇，劉靜華，趙 罡,2

與基于模型定義技術(shù)相融合的工程圖學課程教學探討

于 勇1，劉靜華1，趙 罡1,2

(1. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100191)

針對工程圖學課程教學，從工程應用角度介紹了產(chǎn)品定義技術(shù)所經(jīng)歷的3個階段，即二維設(shè)計二維出圖、三維設(shè)計二維出圖和全三維數(shù)字化定義，引出基于模型技術(shù)的起源與應用發(fā)展。結(jié)合波音787飛機模型解析了基于模型定義數(shù)據(jù)集的組成和表達形式。引用航空標準中幾何尺寸與公差標注方法，以圓柱面為例，探討了與基于模型定義技術(shù)相融合的工程圖學課程教學案例，對比分析了二維工程圖和三維基于模型定義數(shù)據(jù)集的表達內(nèi)容、表達形式和優(yōu)缺點。與基于模型定義技術(shù)相融合的工程圖學課程教學，一方面可以增加課堂信息量、拓寬學生的知識面，強化學生的工程基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課程學習和實際應用打下良好基礎(chǔ)；另一方面也可以激發(fā)學生的學習興趣和科研興趣，形成科研與教學之間的良性互動。

工程圖學；基于模型定義；教研互動；圖學教育；CATIA軟件

工程圖學通過圖形化的語言使得制造者無需和設(shè)計者見面就能夠準確地復制設(shè)計者的意圖，其作為一種最重要、最高效的信息載體，在工程設(shè)計制造領(lǐng)域一直扮演著準確傳遞產(chǎn)品設(shè)計信息和制造信息的重要角色。經(jīng)過多年的實踐，目前國內(nèi)院校在工程圖學課程的教學中，基本采用3種教學模式，即與工程圖學課程理論課并行開設(shè)單獨的三維造型上機實驗課程、理論課加上機實踐作為課程的補充、理論課融合上機展示與上機實踐[1-4]。無論采用哪種模式的教學方法，目前在教學中三維模型的表達上大多還是采用單純的幾何模型來表達二維圖樣的內(nèi)容(側(cè)重表達幾何特征)，其需要與二維圖紙(側(cè)重表達尺寸與技術(shù)要求)相輔助才能表達完整的零件信息。而企業(yè)的實際需求不僅需滿足建立產(chǎn)品的三維幾何模型，還需用簡明的方式加入產(chǎn)品的制造信息，從而能夠?qū)崿F(xiàn)CAD到CAM (加工、裝配、測量、檢測)的集成，彌合了三維模型直接用于制造的間隙。因此計算機的出現(xiàn)和圖形學的發(fā)展，使產(chǎn)品描述的通用介質(zhì)突破了“只有長、寬2種尺度的圖紙”，催生了基于模型定義(model-based definition, MBD)技術(shù)[5]，其是數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)應用的前提和基礎(chǔ)。MBD技術(shù)突破了傳統(tǒng)的二維圖樣的表達手段，給古老的工程圖學賦予了更多的內(nèi)涵和生命力，且在企業(yè)的應用中有逐步取代二維圖紙的趨勢。工程圖學課程是本校的專業(yè)基礎(chǔ)平臺課，是為后續(xù)其他機械類課程打基礎(chǔ)的課程，除了要培養(yǎng)學生的空間想象能力、讀圖和畫圖能力之外，還要培養(yǎng)學生的工程意識和工程創(chuàng)新能力。因此在工程圖學教學中有必要將MBD相關(guān)概念、原理和內(nèi)容融入到課程中向?qū)W生們進行講解，并讓學生知曉如何將原來圖紙中展示的相關(guān)信息通過三維模型傳遞給后續(xù)的制造部門。這樣做，一方面鞏固學生對工程圖樣的理解，強化學生的工程基礎(chǔ)；另一方面可以開闊學生的視野，激發(fā)學生的思考，培養(yǎng)學生的科研興趣，形成理論聯(lián)系工程實際的科研與教學之間的良性互動。這與國內(nèi)外有些高校以工程應用為主線、理論與實踐并重的課程體系建設(shè)思路是一致的[6]。

在工程圖學課程的教學中，可通過3個環(huán)節(jié)將MBD相關(guān)內(nèi)容融合到課程教學當中：

(1) 入門概述(0.5學時)。通過緒論以工程應用為主線介紹產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展，進而引入MBD的起源與發(fā)展；

(2) 理論介紹(0.5學時)。在零件二維圖樣表達章節(jié)中，通過波音實例，融入MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容和表達方式；

(3) 實踐演示(0.5學時)。在上機環(huán)節(jié)通過實例對比分析兩者之間的異同。

1 產(chǎn)品定義技術(shù)的發(fā)展

自法國科學家蒙日1795年創(chuàng)立《畫法幾何》理論起，產(chǎn)品的定義得以規(guī)范化的形式呈現(xiàn)，工程圖成為工程師的語言，主導了2個多世紀的產(chǎn)品表達。伴隨著計算機發(fā)展和人們對復雜產(chǎn)品生產(chǎn)率的追求，數(shù)字化產(chǎn)品定義技術(shù)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)設(shè)計的工作方式，極大的減輕了人類勞動工作量，加速了工業(yè)品更新?lián)Q代的速度，推動了人類工業(yè)化的進程。在工程圖學課程的課堂上，學生有必要了解MBD技術(shù)是產(chǎn)品定義技術(shù)發(fā)展到一定階段，而產(chǎn)生的新技術(shù)，其為學生后續(xù)進入工程或科研崗位時提供必要的理論基礎(chǔ)。產(chǎn)品定義技術(shù)經(jīng)歷了從二維工程圖到三維模型發(fā)展的3個階段。

(1) “二維設(shè)計、二維出圖”階段。蒙日提出以投影幾何為主線的產(chǎn)品二維平面表示方法，將工程圖的表達與繪制高度規(guī)范化、統(tǒng)一化，使工程圖成為工程界常用的產(chǎn)品定義語言。上世紀60年代，又出現(xiàn)了以計算機繪圖代替圖板手工繪圖的計算機輔助設(shè)計(computer aided design, CAD)技術(shù)。此時的CAD并非是真正意義上的輔助設(shè)計，只是替代了傳統(tǒng)的手工繪制，是工程圖的電子化表達，這種“電子圖板”在節(jié)省人力及增強工作效率方面帶來了革命性的效率提高。在該階段，二維工程圖紙作為設(shè)計階段向后續(xù)制造階段的唯一交付物，是工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的唯一依據(jù)。

(2) “三維設(shè)計、二維出圖”階段。雖然電子圖板大大提高了設(shè)計效率，但其所表達的二維圖樣不夠直觀，且不能直接用于制造環(huán)節(jié)。企業(yè)的需求及上世紀80年代三維CAD產(chǎn)品功能日益成熟，產(chǎn)品設(shè)計演變?yōu)槭紫壤萌SCAD軟件構(gòu)建三維模型，然后使用CAM (computer aided manufacturing)系統(tǒng)根據(jù)三維實體模型的型面信息自動生成數(shù)控機床刀具控制代碼，通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和遠程控制，在一定程度上實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化。然而，在設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)控程序并將程序代碼傳輸數(shù)控機床的過程中，只表達了數(shù)控機床的刀具軌跡信息，而丟失了很多其他必需的工藝信息。在此階段，產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程分為2步：①二維為主三維為輔；②三維為主二維為輔。即先利用三維CAD軟件構(gòu)建三維模型，再利用軟件自動完成投影、消隱生成二維工程圖后進行必要修改和標注，將三維模型和二維圖紙同時作為交付物向下游制造環(huán)節(jié)傳遞，后續(xù)的制造部門再根據(jù)圖紙和模型進行工藝信息的添加和處理。

采用三維模型與二維工程圖共同表達產(chǎn)品工程設(shè)計信息的方法，由于設(shè)計上游的需求不斷更改以及三維CAD軟件轉(zhuǎn)化功能的限制，常常會造成數(shù)據(jù)冗余、沖突，導致二維和三維數(shù)據(jù)不一致，需要花費大量的時間與精力來維持這種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

(3) 全三維數(shù)字化定義——MBD階段。MBD并不是一個完全全新的概念，領(lǐng)先的制造企業(yè)早在上世紀90年代就曾設(shè)想繞開二維圖，但當時囿于技術(shù)瓶頸、認知習慣、行業(yè)阻力等并未得到廣泛普及。直至波音公司在波音787飛機的研制中對MBD進行了推廣應用，MBD技術(shù)開始逐漸被業(yè)界認可。在MBD階段，產(chǎn)品研制過程中不再發(fā)放二維圖紙，將原承載在圖紙中的信息及圖紙中未表達完全的信息都在三維模型中得以表達，因此MBD模型也被稱之為MBD數(shù)據(jù)集，其作為研制階段的唯一授權(quán)，避免了三維模型與二維圖紙不一致的問題，是實現(xiàn)設(shè)計制造一體化的基礎(chǔ)。我國航空企業(yè)在波音轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的帶動下，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了MBD技術(shù)，隨之其他航天、軍工和機械企業(yè)也先后開展和實施了MBD技術(shù)，相應地出臺了各自的企業(yè)標準，并取得了很大成效。繼MBD技術(shù)后，國外相關(guān)的理論研究和應用延拓到基于模型的企業(yè)MBE (model-based enterprise)、數(shù)字線(digital thread)、數(shù)字孿生(digital twin)等[7-8]。這些全新的名詞和概念，可以留給學生課后進行相關(guān)資料的查閱，進一步擴展其工程視野。

2 MBD模型的表達

MBD模型和傳統(tǒng)三維模型的區(qū)別是什么？有了MBD模型是否就可以不用再學習二維工程圖的繪制了？在工程圖學的課堂上，學生首先會想到這2個問題。因此可以在傳統(tǒng)的零件二維圖樣表達內(nèi)容講解過程中，將MBD三維表達的內(nèi)容融入到課堂當中，并與傳統(tǒng)零件二維圖樣進行對比和分析，且通過工程實例進行說明。

2.1 MBD定義

MBD是一種面向計算機應用，可將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中的先進的數(shù)字化定義方法。其是集成的三維實體模型，即以幾何模型為核心，將制造環(huán)節(jié)的要求反饋給設(shè)計系統(tǒng)，并按照設(shè)計系統(tǒng)給出的內(nèi)容組織框架實現(xiàn)對產(chǎn)品模型的全數(shù)字化定義。傳統(tǒng)的三維模型雖然包含了二維圖紙所不具備的詳細形狀信息，但卻不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面處理、熱處理、材質(zhì)、連接方式、連接范圍、顏色等非形狀信息。MBD模型不僅描述了設(shè)計幾何信息而且定義了三維產(chǎn)品制造信息和僅靠形狀而無法表達的非幾何的管理信息，并利用協(xié)同定義技術(shù)手段建立了其特有的表達形式，從而使后續(xù)使用人員可以最大化地重用MBD數(shù)據(jù)集，僅需一個數(shù)模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴，使設(shè)計、制造之間的信息交換可不完全依賴信息系統(tǒng)的集成而保持有效的連接。MBD模型以全三維的形式展示了產(chǎn)品的全部數(shù)據(jù)，在其定義的過程中融入了基本的規(guī)范標準、知識工程和協(xié)同過程，將各種抽象、分散的知識更加形象和集中，使得設(shè)計、制造的過程演變?yōu)橹R積累和技術(shù)創(chuàng)新的過程，從而成為企業(yè)知識的最佳載體。

雖然說MBD技術(shù)真正開啟了全三維數(shù)字化研制的時代，使無紙化研制成為可能，但二維工程圖在相當長的一段時間內(nèi)是不能完全取消或被替代的。首先，由于MBD技術(shù)在企業(yè)中實施的深度和廣度還不夠，在制造過程中的某些環(huán)節(jié)中仍然需要二維圖樣輔以進行產(chǎn)品或零件的表達。其次，和國外企業(yè)的合作以及舊型號產(chǎn)品的存在，技術(shù)人員仍然需要對保留下來的二維圖樣進行讀取分析，并基于二維工程圖進行產(chǎn)品的制造。最后，工程圖學課程教學的目的在于培養(yǎng)學生的空間想象和創(chuàng)新思維的能力、遵守標準規(guī)范進行零件表達的能力，因此全三維的MBD模型的產(chǎn)生與現(xiàn)有的理論知識學習并不相悖，在現(xiàn)有理論學習的基礎(chǔ)上，把MBD相關(guān)內(nèi)容向?qū)W生進行補充講解，從而進一步拓展學生在工程圖學課程學習中的深度和廣度。

2.2 MBD數(shù)據(jù)集內(nèi)容

圖1為MBD數(shù)據(jù)集的組成內(nèi)容，包括實體模型、設(shè)計參考、三維標注尺寸和公差、注釋以及其他定義數(shù)據(jù)等。MBD數(shù)據(jù)集是精確的三維實體模型，其通過模型指定的幾何集關(guān)聯(lián)了產(chǎn)品的三維幾何信息、零部件信息以及描述一個產(chǎn)品所必須的尺寸、公差和注釋信息。

圖1 MBD數(shù)據(jù)集的組成與實例

圖2為波音某型飛機MBD數(shù)據(jù)集的示例。與二維工程圖紙相比，三維模型更能讓后續(xù)環(huán)節(jié)的工作人員明白和理解設(shè)計意圖。MBD數(shù)據(jù)集在幾何信息的構(gòu)建上借助了三維模型自身的直觀性和CAD系統(tǒng)所具備的靈活查看功能，極大地降低了設(shè)計意圖被誤解的可能。在MBD幾何信息的構(gòu)建過程中，不僅包含精確的產(chǎn)品三維模型，而且還包含其在構(gòu)建過程中所包含的參考模型、幾何元素、幾何約束和能被后續(xù)使用人員所理解的各種視圖等，這些信息構(gòu)成了MBD數(shù)據(jù)集幾何信息的核心載體，展示了模型內(nèi)部和外部的復雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖2 波音MBD數(shù)據(jù)集示例

除此之外，在MBD模型中還可以表達三維標注和非幾何信息，見表1[6]，部分信息在原二維工程圖中并不能完整、直觀地表達出來。

表1 MBD非幾何信息

由于補充了這些信息，后續(xù)制造加工環(huán)節(jié)則可以直接從MBD模型中讀取相關(guān)信息并傳遞給制造系統(tǒng)中進行生產(chǎn)加工，避免了傳統(tǒng)的三維模型到二維圖紙之間的轉(zhuǎn)換以及二維圖紙表達信息不完整、讀取不便的情況。

3 教學中的MBD模型示例

在工程圖學的教學中，工程實例是吸引學生最好的方式之一。因此在課堂教學中，圖3向?qū)W生展示波音某型飛機MBD數(shù)據(jù)集的表達，并解釋其是采用CATIA的三維標注模塊進行標注，用特征樹來組織模型的工程標注等非幾何信息。展示的同時，也引導學生進行同步思考，傳統(tǒng)的二維圖樣表達和MBD模型表達零件時有何區(qū)別？各自優(yōu)缺點？傳統(tǒng)的二維圖樣轉(zhuǎn)換成MBD模型時相關(guān)信息應如何表達？通過問題的導入，讓學生進行更深入的思考，提高學生們的工程意識和解決問題的能力。圖3為一個端蓋零件的二維工程圖，其表達時需滿足以下要求：

(1) 用各種視圖完整表達出零件的內(nèi)外結(jié)構(gòu)；

(2) 完整的尺寸標注；

(3) 填寫技術(shù)要求和標題欄。

由于MBD模型是以三維模型為基礎(chǔ)，而目前所制訂的標準還比較依賴于CAD軟件的功能，通用的、完整的三維標注規(guī)范尚不完善，航空標準HB 20282-2016《基于模型的定義-尺寸與公差標注》就是在CATIA軟件的基礎(chǔ)上制定完成的。在此標準中采用尺寸引出標注、指引線標注和延長線標注等不同方法針對球面、柱面、平行平面、斜面、倒角、圓角、孔深和槽口等特征進行了規(guī)定，見表2[9]。

圖3 端蓋零件圖

表2 HB 20282-2016中三維標注的規(guī)定

課堂理論介紹以圓柱面為例，在進行公差基準的標注時，可以輪廓要素圓柱面為基準，也可以輪廓中心圓柱軸線為基準，二維圖樣的表達是以基準符號是否與尺寸線箭頭重疊為依據(jù)進行判斷，如與尺寸線錯開，則以輪廓要素為基準，如圖4(a)所示；如與尺寸線箭頭重疊，則以輪廓中心為基準，如圖4(b)所示。

圖4 二維工程圖樣中基準的標注

在MBD模型表達時，需強調(diào)按照規(guī)范的要求區(qū)分2種表達。如以輪廓要素圓柱面為基準，則將基準符號放在引出線上如圖5(a)所示的基準B和G；如以輪廓中心圓柱軸線為基準，則需將基準符號放在尺寸線上，如圖5(b)所示的B和G[9]。

圖5 MBD模型中基準的標注

由于學時有限和CATIA軟件復雜度較高，因此在展示分析二維圖樣表達和MBD表達兩者之間的區(qū)別時，主要以教師展示、學生交流討論為主，課后學生以自主練習的方式進行上機實踐。參考航空標準HB 20282-2016，采用CATIA軟件建立的端蓋MBD模型如圖6所示，模型可以通過軟件的“捕獲”功能展示所標注的尺寸公差信息。可以看到二維工程圖樣和MBD模型表達的不同之處包括：

(1) MBD模型并未完整表達出零件的所有尺寸，僅標注出制造過程中重要的尺寸和技術(shù)要求；

(2) MBD模型中可以包含原圖紙中未表達的信息，如加工要求、檢驗要求以及制造要求等；

(3) MBD模型中相應的注釋可以和零件的多個三維特征建立映射關(guān)系，使得表達更明晰，易于理解。

MBD模型有諸多的優(yōu)點，但在進行零件表達時也存在其不足，如相關(guān)標準規(guī)范依賴于特定的CAD軟件，不夠通用和完善；模型尺寸較大或尺寸較多時，電腦屏幕不能展示其全貌等。通過課堂交流和討論，讓學生們進一步認識到目前二維工程圖存在的必要性以及MBD技術(shù)工程應用的局限性，培養(yǎng)學生自主思考和創(chuàng)新的思維。

4 結(jié) 論

工程圖學課程教學與企業(yè)工程應用緊密相關(guān)，工程圖學課程教學為工程應用提供專業(yè)基礎(chǔ)，工程中的實際應用為教學提供素材。無論采用二維工程圖還是采用MBD模型進行零件表達，都必須要遵循一定的標準進行標注。由于目前MBD相關(guān)的標準還未達到二維工程圖樣標準規(guī)范的完整和通用程度，而且對軟件產(chǎn)品的功能依賴性很強，因此短時間內(nèi)，在工程圖學課程中全面推廣MBD技術(shù)，還需要相應通用性規(guī)則的進一步成熟和完善。隨著MBD在企業(yè)中全面展開并實施，相信企業(yè)的需求會進一步推動標準規(guī)范的完善，進而在工程圖學課堂中會逐步強化MBD的教學內(nèi)容。在當下的教學中，應將MBD相關(guān)的內(nèi)容和應用向?qū)W生們進行介紹，將基于模型定義技術(shù)與工程圖學課程相融合，一方面可以增加課堂信息量、拓寬學生的知識面，強化學生的工程基礎(chǔ)，為后續(xù)專業(yè)課程學習和實際應用打下良好基礎(chǔ)；一方面也可以激發(fā)學生的學習興趣和科研興趣，形成理論聯(lián)系實際的科研與教學之間的良性互動。

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On Engineering Graphics Course Teaching Integration with Model-Based Definition Technology

YU Yong1, LIU Jing-hua1, ZHAO Gang1,2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. Beijing Engineering Technological Research Center of High-Efficient & Green CNC Machining Process, Beijing 100191, China)

Aiming at the teaching of engineering graphics, the present study introduces the three development stages of product definition technology from the perspective of engineering application, including two-dimensional design and two-dimensional drawing release, three-dimensional design and two-dimensional drawing release, and fully three-dimensional digital definition. The origin and application development of model-based definition technology are also introduced elaborated in this paper. The content and expression method of model-based definition dataset are introduced and analyzed by using Boeing 787 aircraft model. Referring to the geometric dimension and tolerance annotation method of aviation standard, taking cylindrical surface as an example, we discussed the teaching case of engineering graphics course integrated with model-based definition technology. The expressive content and method, advantages and disadvantages between two-dimensional engineering drawings and fully three-dimensional model-based definition dataset are compared and analyzed. Engineering graphics course integrated with model-based definition technology can not only increase the amount of classroom information, but also broaden the students’ knowledge and provide a good foundation for the following professional courses and practical application. In addition, it can stimulates the student’s interest in learning and scientific research, and promote the good interaction between scientific research and teaching.

engineering graphics; model-based definition; interaction between teaching and research; graphics education; CATIA

TB 23

10.11996/JG.j.2095-302X.2019040816

A

2095-302X(2019)04-0816-06

2019-03-05；

定稿日期：2019-04-21

2019年北京航空航天大學教改項目

于 勇(1977-)，女，黑龍江大慶人，講師，博士，碩士生導師。主要研究方向為復雜產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計制造技術(shù)、數(shù)字孿生模型定義與應用、產(chǎn)品構(gòu)型管理。E-mail：yuyong@buaa.edu.cn