基于数字化制造技术的机械图样读绘能力研究
[摘要] 数字化制造技术是推动制造业转型升级的有力推手，基于数字化制造技术的机械设计、制造方式在不断变化，作为产品信息载体的机械图样绘制和识读方式也随之变化，工程技术人员机械图样读绘能力需要与数字化制造技术的发展要求相适应。
[关键词] 数字化制造 机械图样 读图能力 绘图能力
数字化制造技术是数字化技术和制造技术的融合，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果。我国制造业在取得巨大成绩的同时，也面临着诸多亟待解决的问题，迫切需要实现由制造业大国向制造业强国转变，实现制造业产业升级。随着工业4.0时代的到来，国家出台“中国制造2025”规划，大力推进信息化与工业化深度融合，数字化制造技术成为推动企业产业升级的有力推手。当前，各类企业都在不同程度上应用数字化制造技术来实现生产和管理过程的信息化，提高生产效率和进行质量控制，数字化制造技术不断影响和改变着制造企业传统的生产以及管理方式。
在企业生产过程中，作为工程技术人员核心职业技能，工程图样的读绘能力是工程技术人员履职的必备能力。自工业化以来，工程图的发展即机械产品定义方式，随着计算机技术的发展和CAD软件技术的不断成熟，经历了从二维工程图到三维实体模型的三个发展阶段，即“二维设计，二维出图”阶段、“三维设计，二维出图”阶段、MBD全三维数字化设计制造阶段。工程技术人员图样读绘能力既要与当前数字化制造技术相适应，也要跟上数字化制造技术发展的步伐。
一、基于数字化制造技术的机械设计和制造
在数字化时代，三维设计和制造方式已经迅速地取代传统的二维设计和制造方式，成为产品设计和加工制造的更新换代技术，机械设计的方式也随之发生深刻变化，从图板设计到二维CAD软件设计，从二维、三维CAD软件相结合的设计模式，再到基于模型的定义（Model Based Definition,MBD）技术，建立基于MBD的产品设计、工艺、制造、维护和交付的一体化工作模式。为满足“快速设计、快速生产”的市场要求，在产品的整个生命周期中，基于模型定义（MBD）技术是数字化制造技术的发展趋势。2005年，波音787首次应用基于模型定义（MBD）技术，在国内，ARJ21、C919等飞机研制也已普遍采用MBD技术，提升了航空业快速设计、精益制造及设计制造协同研制的整体能力和水平。
当前，在国内大部分中、小型制造企业中，普通机床加工和数控机床加工并存，手工编程、计算机辅助编程手段并存，生产过程还处在二维、三维CAD软件相结合的设计与制造模式阶段，即以三维CAD软件为设计平台，二维CAD软件为制造信息表达平台，作为零部件生产和装配的技术文件，以包含轴测图的二维工程图为主，三维实体模型为辅。在面向三维模型的数字化设计条件下，对于产品结构信息的表达能力要求，即二维工程图绘图能力要求随之降低，产品信息的表达可借助数字化制造软件功能来快速实现，设计人员只需要专注于产品结构、功能、造型、工艺、性能等方面的设计，借助数字化制造软件可实现产品快速设计、快速修改、快速验证等功能。要推动企业数字化制造技术的应用，工程技术人员就要掌握基于数字化制造技术的机械设计和制造手段，从二维设计向三维设计转变，从三维实体和二维工程图独立设计向关联设计转变，从设计、工艺、制造、检验、维修的独立信息载体向基于模型定义（MBD）技术的集成化信息载体转变。
二、基于数字化制造技术的机械图样表达
随着信息技术、网络技术植入到制造业中，数字化制造技术不断发展，应用范围逐步扩大，推动制造企业技术升级、产业升级，传统制造业的技术手段、生产方式发生转变，作为产品信息载体的机械图样的表达方式也随之改变。
在产品的整个生命周期中采用MBD技术是制造业的发展趋势，MBD技术的优势在于表达和传递信息的集成和直观。在三维实体模型上附加了产品的尺寸、公差、注释等设计、工艺、制造和检验相关信息，形成单一数据源，MBD模型为数字化制造提供完整的产品定义所需的全部几何、属性和标注信息，基于MBD技术，机械图样的识读过程就是对MBD模型所集成的设计、工艺、制造和检验相关信息的识读过程，相对于传统机械图样的读图方式，发生了根本性的转变，模型的直观性、产品信息的集成性，大大降低了读图的难度，提高了信息获得的效率。
目前，大部分制造企业使用的技术文件以三维CAD模型和二维工程图共存的形式存在于设计、工艺、制造、检验、维修过程中，三维CAD模型以表达产品几何特征等设计信息为主要任务，二维工程图以表达产品尺寸、公差、粗糙度、工艺等制造信息为主要任务，产品的设计和制造关联性不强，虽然，当前主流数字化制造软件，如UG、PRO/E、CAXA等国内外具有CAD、CAM、CAE、CAPP功能的软件，在参数化设计前提下，二维工程图和三维模型之间可建立数据接口，实现单项或双向的信息转换，但各自的主要功能还不能相互取代。因此，当前需要将三维模型和二维工程图相互结合起来表达产品设计、工艺、制造、检验、维修等相关信息，其不同于传统机械图样的表达方式。
三、机械图样传统读绘技术存在的弊端
受传统技术惯性影响，面向二维机械图样的设计方法和读图方法，在一定范围内还在应用，“甩图板”的目标基本实现，而“甩图纸”的目标还没有完全达到。以二维图样为平台的产品信息表达方法，对技术人员二维图样绘制能力和读图能力要求高，熟练掌握二维图样绘图和读图方法难度大、成长周期长；对技术人员而言劳动强度大，生产过程费心、费力，对企业而言，生产过程周期长，效率低，不能适应现代制造快速化、个性化需要。随着数字化制造技术的日臻完善，以及在企业的广泛应用，面向二维图样的传统设计方法和读图方法不能适应数字化制造技术要求，将逐步被与数字化制造技术相适应的设计方法和读图方法所取代。
四、机械图样基于数字化制造技术的读绘优势
设计人员以数字化制造软件为平台，面向三维样机的直观设计，所见即所得，可专注于产品设计对象，简化了设计过程，大大提高了设计的效率；依靠信息化、网络化技术，以数字化制造软件为载体，降低了技术人员机械设计和工程图读图的学习难度，也减轻了工作强度，提高了工作协同性，提升了工作效率；企业在数字化制造技术条件下，其产品设计制造的快速响应、柔性特征，满足当前产品快速设计、快速制造、以及需求个性化的需要。
五、基于数字化制造技术的机械图样绘制方法
用三维模型来描述几何信息，而用二维工程图来定义产品尺寸、公差、工艺信息的数字化制造技术，是当前大多数企业数字化制造发展阶段。应用CAD软件面向三维的零件设计和三维样机设计，形成产品设计几何信息数据源，再根据三维模型生成二维工程图的单向数据转换技术已经基本成熟，可以十分便捷地应用产品三维模型，通过三维转二维数据接口，形成视图、剖视图等机件结构表达视图。有时由于软件功能的“机械”性特点，对生成的视图，还要根据国家标准有关机械图样表达方法的要求，再进行完善，以符合图样表达要求简洁、够用、规范的标准，在结构表达清楚的前提下，采用二维CAD绘图方法，对视图进行标注尺寸、公差、粗糙度、以及技术要求等相关信息。三维设计、二维出图数字化制造流程如图一所示。
图一 图二
基于模型定义（MBD）的数字化制造技术，其核心是用一个集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，实现面向制造的设计，MBD模型成为生产制造过程中唯一的信息来源，改变了当前用三维模型来描述产品几何信息，而用二维工程图来定义产品尺寸、公差、工艺信息的数字化制造模式，是未来企业数字化制造发展方向。采用MBD技术定义三维模型又称为MBD数据集，分为装配模型和零件模型两种，基于MBD技术模型数据集组织结构如图二所示。
在这两种数字化制造模式下，无论在设计阶段还是制造阶段，表达产品信息的机械图样都需要依赖数字化制造软件平台来形成，借助软件平台可有效提高产品设计效率、缩短生产周期。由于CAD技术的不断完善和广发应用，技术人员的正投影绘图能力不再是图样绘制的关键技术，图样绘制的标准化、机件表达方法及表达方案的合理选择，仍然是工程图绘制能力的重点。借助于CAD软件技术，图样二维和三维信息的表达，在产品设计周期中所占时间比例大幅度减少，设计者可集中精力和时间于产品结构、性能、工艺、造型等设计元素是产品设计的重点。
六、基于数字化制造技术的机械图样识读方法
在三维实体模型作为产品几何结构的辅助表达方法和加工信息载体，二维机械图样作为产品主要结构和制造信息载体的数字化制造阶段，二维工程图样的识读能力，仍然是技术技能型人才的职业能力基本功。形体分析法和线面分析法作为读图的基本方法，以及正确的读图步骤，是读懂机件几何特征信息，掌握二维工程图样中技术标注等信息的工程含义。二维工程图对机件内外结构表达更完整，而三维模型对机件内外结构表达则更直观，在识读二维工程图时，借助于三维CAD模型或者以其形成的轴测图来辅助识读二维工程图表达的几何结构，可降低二维图样识读难度，两者相辅相成，提高图样识读效率和准确性，如在富士康集团下属的精密模具制造企业中，制造精密塑胶模具零件时，技术人员在读结构复杂的零部件二维工程图时，通常借助三维CAD模型来降低读图难度，避免误读。
在识读二维工程图时，对具有复杂几何结构的表达对象进行三维建模，更有利于对二维工程图视图表达目的和技术标注含义的理解。随着MBD技术的逐步成熟和推广应用，以“面向制造的设计”和“信息集成载体”的MBD模型，对图样设计和读图方式必将产生更深刻的变化。
在当前制造业转型升级背景下，提高工程技术人员基于数字化制造技术的机械图样绘制与识读能力，是推进企业快速实现制造平台数字化的重要保障。
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