三维CAD时代的图学教育

摘要：设计一向依赖于图学。近年来CAD/CG技术快速发展，而大学图学教育无论在体系上还是内容上，还没有脱离原来的范畴。本文就CAD环境下设计和图学的关系做了一个探讨。

关键词：CAD；设计；图学教育；三维图样标准

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0196-02

一、制造业中的图学和CAD

1.设计方式的变化。制造产业中，设计者把构思的立体形状按照投影法规律绘制出二维投影图，并用二维投影图来表达自己的设计思路。这样的二维设计模式曾经持续了很长一段时间。相应地，大学教育中，为二维设计服务的课程体系（体系的核心是图学）也一直被实施至今。一般来说，以复杂立体为对象的设计，必须确定各个简单立体的形状和立体间的相互位置关系，这些信息用二维投影图来表达。简单来说，图学是这样一种学问，设计者把头脑中的三维立体用二维投影图表现出来时，需要用到它；生产者从二维投影图中得出立体的形状信息时也需要用到它。图学是制造业从业者所必须掌握的一门学问。如图1所示。

1990年初，计算机辅助设计（当时是二维CAD系统）开始引入产品设计并很快普及。1990年中期，三维CAD系统登场，2000年开始在制造业中快速普及。截止至2004年我国的92%以上的中型制造业企业已应用了二维CAD技术，34%的中型制造业企业已使用了三维CAD技术。2009年我国制订了相关的国家标准—数字化产品定义的数据通则。而现行的图学教育，在标准的贯彻方面，已经有点跟不上CAD技术发展的步伐。

2.三维CAD设计的输出的现状。随着CAD技术的普及，产品设计经历了二维工程图、二维工程图加三维模型、三维模型加简化标注的二维图样这三个阶段[1]。

现在，企业运用三维CAD技术进行产品设计，但制造所必须的尺寸、公差及技术要求等信息仍旧采用了传统的二维图样来表达。这样的制造信息的双数据源定义，在一定程度上导致了信息表达的分散和混乱。

二、设计所必需的图学能力

从制造和图学的关系可以看出传统的二维设计所必需的图学能力可以归纳为以下4类：

1.绘制二维图样的能力。

2.由立体绘制二维图样的能力。

3.由构思的立体绘制二维图样的能力。把想象中的立体用二维图样表达出来，通过二维图样正确地传达自己的设计意图。

4.根据二维图想象立体形状的读图能力，其中1和2是绘图能力，3和4是二维三维互相转换的能力。在二维设计中，这四种图学能力缺一不可。

三、CAD系统对于图学能力的支持

使用CAD软件进行设计，CAD在上述四种图学能力方面给予设计者如下支持：

1.二维绘图能力。二维CAD软件中的绘图命令，包含了作图设计所必须的几乎所有的作图功能，以及丰富的图形编辑功能。因此，作图的正确率和效率得到大幅度提高，如图2所示。

在三维建模时，通常先绘制草图再进行拉伸、旋转等三维操作来进行建模。这里的草图就是二维图样，而且通常只需要绘制很简单的二维图元[2]。

2.由立体绘制投影图的能力。三维CAD系统软件具有由三维模型自动生成二维投影图的功能[3]。设计者只需专注于图形信息以外的尺寸、公差和技术要求等注释工作。

3.由构思的立体绘制二维图样的能力。这种能力在二维设计中必不可少。但是在三维建模时，草图绘制只是建模的一个环节。绘制怎样的草图，进行怎样的三维操作，才能得到目标立体，这种构思能力很关键。这是二维设计和三维设计在设计方法上的最大的不同点。也就是说在三维CAD中，设计者没有必要为二维表达耗费过多心思。

4.根据二维图样想象立体的读图能力。随着三维CAD软件的普及，设计数据用三维形式进行储存，使用二维图样的机会将会慢慢变少，读图能力的重要性有着被逐渐弱化的趋势。

四、作图的必要性和作图设计能力

在三维设计中，几乎没有必要绘制二维图样。这不利于二维作图能力的维持，从而导致了设计者作图设计能力的退化。事实上，在设计流程已经三维化的设计部门，新进人员的二维作图设计的实际经验几乎为零。当然，在某种意义上这未必是一件坏事。

五、关于三维CAD设计的输出方法的构想

目前的三维CAD系统，并没有具备相应的三维输出手段，设计的输出在很大程度上仍旧依赖于二维图样。因此，不依赖二维图样的三维输出手段的开发，以及与此相关的三维输出标准也即三维图样标准的制定已经迫在眉睫。

1.对于三维图样的定义，暂作以下考虑：三维设计的形状、尺寸、技术要求等制造所需要的全部信息都在三维空间内表达。在信息表达上达到与二维图样同等的可视性。也就是说，三维设计中的所有信息都在三维空间以可见方式出现[4]。

2.三维图样构想。今后的三维图样可以设想为三维模型以及标注在三维模型上的尺寸、技术要求和其他制造特征等信息的总和。相应地，设计结果的浏览将不依赖于三视图，在设计、生产、检验、销售的全过程都能实现产品信息的三维浏览[5]。如图3所示。

3.今后的设计信息的定义和浏览。从前的二维设计，现在的依靠二维图样进行输出的三维设计和构想中的由三维数据进行输出的三维设计，从定义和浏览两个方面来进行比较，如表1所示。

六、总结

1.设计所必需的图学能力中，二维作图能力以及立体和二维投影图相互变换的能力是两种核心能力。

2.二维CAD软件的引入，使二维作图的正确率和效率大为提高。

3.三维CAD软件的引入，使得三维建模变得方便而快捷。自动生成投影图的功能把人从枯燥的二维图样绘制中解放出来。

4.设计的三维化，使二维作图的机会减少，二维读图能力的必要性也在减弱。

5.对三维模型的尺寸标注和三维浏览模式的开发将会是个大方向。

6.和数字化产品定义的国家标准相适应，制图教育的改革已是迫在眉睫。

七、结语

设计是人的创造性行为，而CAD是一种强有力的辅助工具。利用好CAD这个工具，可以实现更加便捷、优质的设计。希望图学教育的课程体系能够和数字化产品定义的国家标准相适应，在不久的将来做出相应调整，以适应CAD技术的快速发展。

参考文献：

[1]周秋忠，查浩宇.基于三维标注技术的数字化产品定义方法[J].机械设计，2011，28（1）：33-36.

[2]张立荣.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].煤炭技术，2011，30（2）：16-18.

[3]许沛.基于直接建模思想的参数化模型处理工具——ANSYS SpaceClaim DirectModeler[J].CAD/CAM与制造业信息化，2011，（07）：40-43.

[4]成泽良幸.设计信息的可视化和三维图样[J].Design news JAPAN，2007，（1）：18-19.

[5]潘康华，陆江峰，邵兰英.MBD技术的发展历程与展望[J].机械工业标准化与质量，2013，（2）：15-17.

作者简介：张良（1973-），男，江苏无锡人，讲师，硕士，主要研究方向为CAD技术与图形学。endprint