| 标题 | 基于MBD技术的工程制图教学体系构建 |
| 范文 | 曹清园 王珉 张宗波 赵军友 [摘 要]工程制图的教学对象——MBD模型，应包含MBD设计模型、工艺属性和MBD工序模型三部分。为顺应制造业数字化的必然趋势，应以传统制图和现代制图共同的基础：空间形状、投影法、制图国家标准为学习内容，以传统和现代工程制图为共同教学目标，围绕形体的构型与表达，全面整合三维CAD技术，重构工程制图教学课程体系，并根据不同的课程内容设计一整套线上、线下混合式教学方法。 [关键词]MBD技术；工程制图；三维构形；教学体系 [中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0063-03 已在全球航空业发展成熟的基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术首先由波音公司提出，作为全过程数字化设计解决方案，其可以有效避免二维制图带来的装配干涉、研制成本高、周期长等问题，有利于解决二维设计空间关系理解难的问题，更适用于现代新型产品更新换代快和低成本研制的需求[1]。 当前，国外制造企业的数字化技术发展迅速，MBD技术得到了深入推广和应用，已制定了相关标准（ASME14.41、ISO-16792、ISO14306、BDS-600、31000A等），且在国外众多行业得到了推广，如波音公司的787新型客机的研制过程和湾流公司的数字化三维飞机模型定义系统。国内方面，数字化企业建设工作仍处于起步阶段，随着MBD技术在航空、航天、汽车等大型装备制造业中的研究和试点应用[2]，该技术的应用标准规范也在陆续制定，如已发布的关于MBD建模方面的GB/T26099-2010、GB/T26100-2010、GB/T26101-2010和“技术产品文件数字化产品定义数据通则”GB/T24734—2009[3]。 在国内，由于MBD技术与企业文化、管理体制和生產方式等方面存在冲突，其推广得并不顺利[4]。作为与MBD关联最紧密的工程制图课程，应提前让学生适应这一数字化趋势，为企业的MBD推广和学生就业提供有利条件。因MBD技术以三维实体模型为载体，在工程制图教学过程中应适应这一趋势，从教学内容和教学方法上改变以往以三视图和二维工程图为教学目标的传统，从“构形”入手，全面整合三维形体，真正做到工程制图为三维MBD建模提供理论基础的目的。此外，MBD不仅仅是三维模型加三维标注，而是将产品寿命过程中的全部设计、制造、管理信息等用模型的形式进行表达[5]。教学过程中应增加关于MBD制图标准、工艺规划、加工制造等产品全过程知识的学习和工程应用。本文首先结合文献资料分析MBD技术的主要技术框架，以便从中摘取适宜本科教学的最基本的内容模块，然后以SolidWorks为工具，围绕三维形体，重新设计工程制图教学内容和与之相应的教学方法，进行MBD技术教学初探。 一、MBD技术的知识框架 如图1所示，MBD技术服务于产品设计、工艺规划、加工、装配和检验整个生命周期。MBD模型需完整、准确地描述产品零部件的几何特征属性、制造属性和质量检测属性等信息；同时，还应满足工艺、制造过程中对数据的需求，保证产品设计、制造过程中的协调性。在产品设计阶段，MBD技术实施应用的关键技术包括MBD模型的建模方式、三维注释的表示方法和MBD模型数据集的管理等[6]。在工艺规划阶段，MBD技术实施应用的关键技术包含设计模型向工艺模型的转换、基于加工现场实际情况的工序模块建模以及各个并行模块之间的技术状态变更等。 综上，工程制图的教学对象——MBD模型，应包含MBD设计模型、工艺属性和MBD工序模型三部分。其中MBD设计模型部分包含体现零件功能的几何信息模型和基本工艺信息的表达。工艺属性包括模型所包含的基本工艺属性信息。MBD工序模型包含零件加工制造过程中各加工工序的工艺属性信息（如零件的工艺设计和工艺规划信息）以及加工工艺信息（各工序尺寸及公差、加工要求、切削参数信息等）。 因此，作为工程制图教学目标，在教会学生如何设计模型的同时，对于产品的工艺属性和加工过程相关知识要涉及，更主要的是要让学生学会这些知识的MBD标准表达方式。 二、服务于MBD技术的工程制图教学体系 （一）MBD技术工程制图理论基础 工程制图课程作为高等院校工科重要的基础课之一，是工科学生必须学习的基础课程，是工程技术人员用来设计、表达和交流技术思想的工具，因此其又被称为工程界的技术语言[7]，这一点是不会随着技术的进步而有所改变的。如图2所示，传统工程制图的方式是通过图形、文字、数字和规定符号以二维图样的形式表达在图纸上。近些年随着计算机三维辅助设计技术的发展，工程制图的现代方式，即计算机三维实体模型+MBD在数据文件内表达得以迅速发展和广泛应用。虽然传统的尺规绘图和现代的计算机三维绘图对应不同的技术基础，但是它们有着共同的理论基础：物体空间形状、投影法和制图国家标准。这三个要素独立于绘图技术，是绘制工程制图所必须掌握的知识，同时为传统和现代两种方式提供基础。 为顺应制造业数字化的必然趋势，应以传统制图和现代制图共同的基础：空间形状、投影法、制图国家标准为学习内容，以传统和现代工程制图为共同教学目标，围绕形体的构型与表达，全面整合三维CAD技术，重构工程制图教学的课程体系，并根据不同的课程内容设计一整套线上、线下混合式教学方法。 （二）全面整合MBD技术的工程制图教学内容 根据图1紧密结合MBD技术需求设计教学内容如图3所示，教学的服务对象主要为产品的设计阶段，分别针对MBD模型建模、三维注释和MBD模型数据集管理设计相应的教学内容，每一部分教学内容又分为纸上绘图和SolidWorks绘图两部分，两部分互为依托，紧密联系。此处以机械类64学时课程为例编制教学大纲如表1所示。结合国情需要，三视图部分依然较为重要，放在每一部分的构形与表达的“表达”部分讲解。 因为MBD技术全面基于三维模型基础之上，画法几何部分已较少应用，因此在新的教学内容中我们对这部分内容进行了删减。此外，较难的内容，例如截交线和相贯线手工绘图比较难理解，且工程意义不大，因此，我们只介绍其概念，然后在SolidWorks绘图中讲解其产生的原理和三视图。全部教学内容始于“构形”，终于“构形”，从课程的第一部分开始，每一部分内容的讲解均从“构形”开始引入，并以SolidWorks建模结束，真正做到了工程制图为纸上绘图实践和三维SolidWorks绘图实践共同提供理论基础的目的。此外，我们还增加介绍了各国的国际标准。目前，国际市场产品的生产国际化使得我们在教学过程中对于涉及制图标准的部分，要详细介绍各国标准的不同之处，特别是各国标准中对于技术要求的不同规定等。通过介绍让学生了解目前三维模型表达方法的先进性和局限性，了解三维模型与二维图纸互补的行业现状。 （三）以 MBD技术为目标的工程制图教学方法 1.整合三维形体，内容层层递进 举例说明。第一部分教学内容“形体构成”，将从日常生活中最典型的零部件出发，如自来水龙头、千斤顶、齿轮泵等，以逐层递进的方式讲解课程教学内容和教学目标，并引入形体形状的概念，启动构形思维。如图4所示（以齿轮泵为例），首先讲解齿轮泵的工作原理，讲解齿轮泵的零件构成、零件的分類、每个零件的作用，然后讲解单个零件（如泵体主体部分）的构形，并以此引出特征、拉伸、旋转等概念，以及本课程的学习内容——基本体及组合体的构形及表达方式。 2.基于云课堂，线上、线下混合教学 以服务MBD技术为培养目标，针对不同的学习内容，分别设计如表2所示的教学方法。 例如制图标准部分内容的特点是知识点松散，各部分联系性不强，趣味性差，需要熟练记忆。针对该特点，主要教学方法为：课堂讲解、课堂、习题课抢答（PK-P、PK-G）、线上自测，该部分用SolidWorks三维标注增强课堂的趣味性；而构型设计部分的内容比较常规，学生需要完成的任务是完成习题册练习题（包含纸上绘图和SolidWorks绘图）。该部分内容的特点是：知识点连贯，系统性较强，目标明确，主要锻炼学生的读图、二维、三维绘图技能和空间思维能力。针对该特点，我们主要采取的教学方法为：课堂讲解、习题、线上自测，其中每一种方法均包含SolidWorks建模部分；表达方法和标准件部分的内容除了知识点连贯，系统性较强，目标明确，主要锻炼学生的读图、绘图技能和空间思维能力外，还有与实际工程相关性较强的特点。因此，主要教学方法除了课堂讲解、习题册作业、线上自测外，还有模型测绘、翻转课堂等。 三、结论 MBD技术因其全数字化的制造模式、全方位并行的产品研发模式以及快速的技术响应速度，已迅速在以波音公司为代表的国外众多企业中被成功应用并迅速推广。国内的MBD技术虽然已在航空、航天等研究所中迅速发展，但是在普通行业中的推广仍然存在不少问题，作为与MBD技术关联最为紧密的工程制图课程，在结合了MBD技术主体知识框架的基础上，改变以往的以“三视图”为核心的二维教学模式，围绕“三维构形”，借助SolidWorks三维软件，以服务MBD技术为教学目的，重构了工程制图教学内容和教学方法，以期为MBD技术的推广提供助力。 [ 参 考 文 献 ] [1][6] 邓云飞，张涛，张晓帆，等.航天三维MBD设计现状及展望[J].中国航天，2017（3）：24-27. [2] 严云沣，赵璐，王有远.基于模型定义的协同制造研究[J].科技广场，2015（2）：221-226. [3] 本刊.机械产品逆向工程三维建模技术要求[J].机械工业标准化与质量， 2015（11）：17-20. [4] 冉思益，陈世平，王旭.MBD技术在企业推广应用的研究[J].机械与电子，2017（9）：19-23. [5] 谢剑，李正强，黄帅，等.浅析大飞机数字化设计与制造技术[J].航空制造技术，2016（5）：87-92. [7] 石玲，吕金丽.工程制图教学模式改革的探索[J].东华大学学报（自然科学版），2006（5）：154-158. [责任编辑：陈 明] |
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