周秋忠

摘要：结合产品设计技术的发展现状，以及我国制造企业的应用情况，提出了《三维建模技术》课程内容的改革设想。论述了产品设计技术的发展演变历程，从技术发展及工程应用角度，阐述了三维标注技术、参数化设计技术、关联设计技术、知识工程技术的内涵、特点，分析了这四项技术在制造企业工程实践应用中的重要意义，以及在课程中讲授这些技术的必要性。最后，提出了讲授这四项技术的具体课程内容。通过课程内容改革，将培养出更符合技术发展及企业需求的创新型和应用型人才。

关键词：三维建模;三维标注;参数化设计;关联设计;知识工程

中图分类号：H191                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）08-0243-02

0  引言

随着计算机与软件技术的发展，产品定义技术经历了从工程制图技术到二维CAD技术，再到三维建模技术的发展历程。早期的数字化产品定义技术，即计算机辅助设计（CAD）技术的目标是创建工程图，用计算机代替图板进行产品设计。二维工程图采用投影理论将产品的三维空间几何转换成平面图形，而在使用时又需在大脑中将平面图形构建成三维立体空间几何，导致工程技术人员需要在三维到二维、二维再到三维之间不停地转换，转换过程中容易因理解不一致造成出错[1];同时，它在表达复杂的空间曲线、曲面时又存在很大的局限性。三维建模技术是一项所见即所得的数字化产品定义技术，它直观地表达出了产品真实的三维实体结构，从根本上改变了工程设计的方法。由于三维建模技术的巨大优势，它在一出现就被欧美等发达国家的众多制造企业所接受，广泛应用于内燃机等众多高端制造业，形成了成熟的三维设计技术体系。相比发达国家，由于知识产权及软件成本的因素，我国制造企业在三维建模技术的普及上还存在较大差距，特别是中小企业当前仍广泛的以二维工程图设计为主、三维设计为辅。但在当前全球化协作分工的大背景下，我国制造企业广泛、深入地应用三维设计技术必是大势所趋[2]。因此，我国各大工科院校在机械类专业中除了继续开展传统的《工程制图》课程教学外，都增加了《三维建模技术》课程的教育[3]，并在力度上需要不断加大。

虽然我国制造业正在对三维建模及设计技术开展广泛应用，并在工科类院校中的机械专业教学中普遍开设了《三维建模技術》课程，但是在对三维建模及设计软件的应用方式和方法上，与国外发达国家相比存在很大差异。当前，我国制造企业并没有普遍建立起以三维数字模型为中心的设计制造体系，绝大部分仍然沿用基于二维工程图的设计制造体系，三维建模技术只是二维设计技术的一个辅助，只是在需要对产品或零件做计算机辅助分析时，或其它特殊需要时，才会采用三维建模技术建立三维数字模型。因此，三维设计技术的优势并没有被完全发挥出来。在教学中，《三维建模技术》课程的教学内容主要围绕三维建模软件中的常用功能模块展开，包括草图设计、零件设计特征命令操作、装配设计、工程制图生成等[4]，并没有完全展现软件的先进功能，同时也没有有效结合当前国内外总结得到的最佳工程实践，导致课堂教学与工程应用的脱节，没有实现因需施教，没能为产业的发展起到推动与支撑作用。

鉴于此，本文从技术发展及工程实践应用的角度，对三维建模过程中的重点应用技术进行阐述，并具体说明《三维建模技术》课程教学内容的改革方向，以适应创新型人才培育的目标。

1  三维标注技术

三维标注技术是在三维数字化实体模型上对产品尺寸、公差、制造技术要求等非几何制造信息进行组织、表达、操作管理的一项技术，改变了传统由三维数字化实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图来定义尺寸、公差和制造工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，三维标注技术使三维数字化实体模型成为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图作为主要制造依据，而三维数字化实体模型仅仅作为辅助参考依据的制造模式。三维标注技术开启了全三维数字化设计与制造时代，真正实现了三维数字化、无图纸设计制造技术，使二维工程图或工程图纸成为历史，即使有也不再是制造的主要依据，只是在特定条件下作为数据的一种辅助表达形式。三维标注技术的应用将引起产品制造过程的根本变化，彻底改变传统的产品设计、制造模式，简化产品设计和管理过程，引起设计制造技术的变革。

基于三维标注技术的诸多优点，该技术从1997年由美国机械工程师协会（ASME）联合制造业巨头共同发起三维标注标准起草制定工作起，到UG、PTC、Dassault等公司于2003年前后在其软件系统实现该功能，再到波音公司于2004年左右在其最新研制的波音787项目中首次实现产业应用，只经历了短短的几年时间。当前，三维标注技术已在国外的众多制造企业得到广泛应用，且在我国的航空航天等国防军工行业也得到了大规模推广。因此，三维标注技术必将是未来制造企业产品建模时的通用手段，在《三维建模技术》课程教学中增加三维标注技术相关的教学内容，是行业应用发展的必然要求。

为使学生完整的掌握三维标注技术及功能，《三维建模技术》课程中应增加的教学内容包括：①标注平面建立;②非几何信息标注;③捕获建立;④标注信息管理;⑤标注信息在工程图上的投影。

2  参数化设计技术

参数化设计方法又叫尺寸驱动法，它是在零件内部特征要素之间建立起尺寸约束方程式，从而通过改变其中的几个尺寸参数来达到控制整个零件结构形状的一种自动化设计技术。参数化设计理念于20世纪60年代诞生，现已具有成熟的理论与方法体系，并成功地应用于当前CATIA、UG、CROE等主流三维建模软件中。参数化设计使设计人员从大量繁琐的设计、计算、建模工作中解脱出来，大大提高了模型生成和修改的速度。

在当前的产品设计活动中，创新型设计所占的比重很少，绝大部分都是产品的系列设计、相似设计或改型设计，并且大约70%的产品设计信息可以在设计时被重用。参数化设计技术正是在这样的需求和背景下应运而生，从诞生之日起就极大的被技术开发人员所关注，并被广泛地应用于各种工程实践中，已成为加快新产品开发速度，缩短产品上市周期的利器。因此，掌握参数化设计技术已成为学生的必备技能，而在《三维建模技术》课程教学中增加参数化设计技术相关的教学内容，是必须的、必要的。

为使学生完整的掌握参数化设计技术及功能，《三维建模技术》课程中应增加的教学内容包括：①变量定义;②变量与特征参数或几何尺寸的关联;③关系式建立;④规则制定;⑤零件系列规格表的设计。

3  关联设计技术

关联设计是在产品自上向下设计过程中，实现产品设计信息从产品项层向下游零部件自动传导、传递的一种设计技术。它属于参数化设计技术范畴，是一种特殊形式的参数化设计方法。与参数化设计技术相比，关联设计技术有两大特殊之处：一是驱动参数形式不一样，前者只能是数值或字符串类型的变量，而后者拓展上升为点、线、面等几何要素;二是技术范围不一样，前者表达的是在同一个零件模型中变量与特征之间的驱动关系，而后者则是产品中零件模型与模型之间几何元素的依赖关系。

关联设计技术在产品开发过程中的作用是巨大的。当设计上游专业的设计对象发生变更时，相关几何元素的设计更改能够自动地传递给下游关联要素，实现自动更新，无需再走常规的更改流程。这就可以实现各设计对象间的快速迭代机制，减少设计错误，在更好地保证产品设计质量的同时，大大缩短产品开发周期。当前，关联设计技术在国外制造企业的应用已较普遍，但在我国只有国防军工等少数行业开展了推广应用。因此，高校有必要在《三维建模技术》课程教学中增加关联设计技术相关的教学内容，使学生掌握这项技能，并在今后的工作岗位中应用推广这项技术，推动国家整体制造水平的提升，实现教育引领和推动产业进步的历史使命。

为使学生完整的掌握关联设计技术及功能，《三维建模技术》课程中应增加的教学内容包括：①产品整体结构及关联要素分析;②骨架模型及参考要素建立与发布;③关联机制建立及使用;④关联机制的管理。

4  知识重用技术

知识工程是人工智能技术在工程设计领域的发展与延伸，是人工智能与计算机技术、CAD技术不断发展和融合的结果。将知识工程技术融合于产品设计开发领域，以工程知识驱动产品设计过程，实现设计决策的智能化与设计过程自动化，从而通过知识重用大幅度地提高设计效率与设计质量，缩短产品开发周期、提升制造企业的产品开发能力。基于知识工程的产品开发技术已成为促进工程设计智能化的重要途径，受到了世界各国政府、研究机构、工业界的高度重视。从上世纪80年代开始，美国、日本和欧洲等西方发达国家将研究、开发和应用知识工程技术视为国家发展战略的重要课题，以提高本国制造企业在产品设计和开发方面的创新能力，从而在越来越残酷的全球化市场竞争中获得优势和可持续发展的能力。在当前主流的三维CAD系统中，都有解决知识重用方案的知识工程模块，如UG的Knowledge Fusion、CATIA的Knowledge Expert等。

在現代产品设计中，全新产品开发往往较少，绝大部分部分设计活动是在已有产品基础上的改型、改进设计，存在着大量设计过程、设计模型的相似并重用。因此，将设计经验、设计知识与通用三维CAD系统有机结合，最大限度地减少低效的重复性工作，实现产品设计过程的自动化、智能化，具有重要的现实意义。

为使学生完整的掌握知识重用技术及功能，《三维建模技术》课程中应增加的教学内容包括：

①参数定义;

②关系构建;

③超级副本;

④用户特征;

⑤控制规则。

5  结束语

广泛、深入地应用三维设计技术是我国制造企业的大势所趋。大学教学要担负起为社会培养创新型和应用型人才的重任，必须紧跟当前科学技术发展步伐，将最先进与前沿的科学技术成果纳入教学过程中。本文从技术发展及工程实践应用的角度，对三维设计中的重点应用技术进行阐述，并阐明了《三维建模技术》课程教学内容的改革方向，使该课程能适应先进设计制造技术的发展，为社会培养出满足需求的机械类人才的目标，推动产业的发展。

参考文献：

[1]赵慧清，安瑛，冯连勋.机械专业本科生全程三维设计能力培养模式[J].工程图学学报，2004，25（3）：116-119.

[2]朱琳，寇小希，胡国田，等.基于三维设计的制图类课程改革与实践[J].教育教学论坛，2017（38）：120-121.

[3]罗云霞，唐艳丽，曲建俊，等.三维设计能力培养的系列课程改革与探索[J].机械设计，2018，35（7）：11-13.

[4]武立波，宋若冰，蔡卫国，等.三维实体建模与设计课程教学改革[J].装备制造技术，2017（8）：273-274.