高校的CAD教学应从三维开始.doc

高校的高校的 CAD 教学应从三维开始教学应从三维开始 全部分类 我的日志 我的文章 星期一星期一 2008 年年 01 月月 21 日日 高校的高校的 CAD 教学应从三维开始教学应从三维开始 0 0 引言引言 我国高校普遍开设 CG CAD 教学以有近 20 年的历史 在绘图方式上经 历了编程绘图 使用交互式绘图软件绘图的阶段 在教学内容上基本上为绘 制二维图形 绘制三维线框模型的范围 最近几年 计算机自身的性能大大 提高 原来用于工作站上的各种基于特征造型 参数化 变量化的三维设计 软件全部有了微机版本 高等院校的培养目标是高级专门人才 CG CAD 课 程应向广度和深度上拓展 应尽快增加基于特征造型 参数化 变量化的三 维设计绘图教学内容 1 目前国内 外高校开设目前国内 外高校开设 CG CAD 的状况的状况 CG CAD 课程的内容如果仅就图形处理而言应包括 2 维和三维两个基本 部分 这些年来国内院校在开设 CG CAD 类的课程中大部分只讲 2 维部分 三维 几乎不涉及 在讲授三维内容时多采用 AutoCAD 中的实体造型功能 AutoCAD 的实体造型功能极不适合于设计绘图与教学 根本的原因是它所 建立的实体不是基于特征造型 参数化的 不能作编辑修改 更不能把除图形 信息以外的东西传递给它下游的分析和加工系统 如 CAE CAPP CAM 而这 些正是 面向产品 的现代设计 制造的所必需的 国外先进的工业国家的大学已经开始了基于特征造型 参数化的三维设计 绘图教学 如美国的 AUSTIN 的得克萨斯州立大学计算机辅助设计与绘图 CADD 课程 其主要内容为教授实体造型绘图 1 自 2000 年 3 月开始 美 国的 22 个州的一千多所大学全面使用三维 CAD 软件 Autodesk Inventor 让 学生使用最先进的 CAD 软件学习工程设计 为今后的工作做好更充分的准备 2 2 设计 制图应逐渐从三维开始设计 制图应逐渐从三维开始 1 二维设计图样的作用 如图 1 a b c 所示 人们的最原始的设计构思都是从三维形象开始 的 设计制造的结果也是三维的实体 但在这 开始 和 结果 两者之间传 递的信息却是二维图形 这实在是一种迫不得已的 颠倒 在必须用手工绘制图样的时代 不要说绘制装配体的三维图 就是绘制一 个稍复杂零件的三维外形图都是一件很困难的事情 此外 三维图还不足以清 晰地表示加工 安装 维修零 部件时所必须的技术条件 所以 几百年来 人们一直是在按投影的原理和按一定的规范 在图纸上 画出产品的二维图样 用以表达产品的工作原理 结构形状和技术要求等 人 们称工程图样是工程界的语言 用计算机绘制二维图可以节省时间 提高设计绘图的效率等 对于普及 CAD 技术曾经起到了重要的作用 对 CAD 的更高层次的应用 作了十分必要 的技术准备 在计算机技术和三维造型软件技术高速发展的今天 用手工和计算机绘制 二维的工程图样 仍然是需要的 这是因为 1 过去的图纸大多是用二维图形表达的 而新的设计又多是在参照原 来图纸的基础上进行的 2 现代的自动加工方法还没有达到普及的程度 还需要二维图样 3 人们的设计传统和习惯不可能一下子改变 4 三维造型软件的性能和价格还不能被大多数的设计单位和个人接受 软件的使用性能还没有达到 大众化 但是 在工程界立足于 产品设计 的时代 CAD 的应用结果更应当 体现在提高设计质量 缩短产品的设计周期 降低试制成本 传播和保存 设计经验 提高设计管理水平等方面 总之 是源于传统设计 高于传统 设计 遗憾的是二维的 CAD 技术不能解决这些问题 二维设计绘图在现在和未来较长的一段时间内 仍然是工程师设计产品 的主要手段 图 1 产品的设计构思与制造结果的关系 2 基于特征的三维参数化模型是产品设计的基础 设计模型的建立 就是设计数据库的数据填充过程 建立数据库的目 的 是在将来的设计配凑过程中引用和修改其中的数据 最后完成设计 因此不能进行参数驱动的三维模型 即便是 看 起来很像 很真实的模 型 也是没有使用价值的 几年来国内工程界大力提倡设计从三维开始 其中的三维模型是基于 特征设计的 全参数化的 这里所说的参数驱动 包括对于新设计的零件 引用的标准件 也包 括对各个零件之间的装配关系 位置关系甚至运动关系 所谓特征设计 简单的说就是设计者可以通过组合常见的结构 如孔 轴 槽 筋凸台等 来完成产品的设计 这些被赋予了几何形状 尺寸大 小 材料 精度及运动和动力属性的结构被称为特征 全参数化意味着软件系统可以自动记录设计的整个过程 特征的每一 个属性都是可以被一个参数定义 参数是可以随时修改的 每一个设计步 骤是关联的 如相配合的孔和轴 三维模型和它的二维投影也是关联的 改变其中一个要素 另一个可自动关联变化 这一类软件系统可以支持产品设计和制造的全过程 AutoCAD 中的三维实体是基于几何信息建立的 计算机记录的只是表 示实体模型的点 线 面信息 它不具备上述的两个特点 尽管 设计从三维开始 目前还是少数设计师的事情 但它真正的意义还不在于使用它的人数的多与少 设计从三维开始 具有 二维图纸设计 不可替代的深远的意义 1 在计算机上直接用三维图形表达设计意图 直观地 任意的观察设 计结果 自动地将三维的设计模型的特征数据传递给 CAPP CAM 软 件接收 可以由计算机模拟加工过程 最终由数控机床直接加工制 造出来 实现 无图纸作业 2 如果需要二维工程图纸则由可三维模型自动地生成二维工程图纸 3 三维设计的软件具有参数化的功能 用尺寸驱动三维实体模型 修 改设计极其 方便 可以从三维的装配设计入手修改 修改的结果自动影响三维的 零件模型 三维实体的修改 也会直接引起二维工程图的改变 4 二维设计难以表达清楚的复杂产品结构和自由曲面外形 装配干涉 运动干涉以及产品的重量 形心 体积等物性信息 用三维设计软 件可轻松的解决 5 三维的设计模型可以直接提供给后续的分析系统如运动学动力学仿 真 有限元分析与仿真等有效的设计数据 6 由上述及图 1 c 可知 只要设计师把他头脑中的三维构思 表 达成为计算机中的三维模型 就可以得到真实的三维实物 完全可 以绕过 二维 的图样的步骤 可以把那个迫不得已的 颠倒 再 颠倒 过来 应该说这是设计史上认识规律的大变革 2 高等院校应开设基于特征的三维高等院校应开设基于特征的三维 CADCAD 课程课程 1 开设三维开设三维 CADCAD 课程的必要性课程的必要性 我国 高等教育法 3 第五条规定 高等教育的任务是培养具有创新精 神和实践能力的高级专门人才 这是我过第一次以法律条文的形式明确了大 学培养创新人才的任务 工程图学教育中一直在强调 培养对三维形状与相关位置的逻辑思维和 形象思维的能力 这也是一种迫不得已的 错位 在三维软件环境中 一切都是 空间 的 它已经为学生搭建好了 创 新 设计的 空间 舞台 实在没有必要花很多学时强迫学生在毫无生气的二 维平面内培养这种能力 把重点转向教授给学生 创新设计 的理论和方法上 是转变教学观念 改革教学内容的重大课题 高等院校的三维教学应以基于特征设计的 全参数化的软件系统为基 础 高校的设计制图教育应有紧迫感和超前意识 尽早组织 开展三维的制 图和设计教学 2 2 开设三维开设三维 CADCAD 课程的基本条件已经具备课程的基本条件已经具备 1 软件条件 国外的基于特征造型 参数化 变量化的三维设计软件价格在 4 20 万 元 套以上 国内的同类软件价格有的不足 1 万元 套 无论购置国外还是 国内的软件 对于学校来说都会望而却步 但学校可以通过接受赠送 使用教学版等方法得到这类软件 例如 Autodesk UG 公司已向国内 100 多所大学赠送的 MDT 及 Solid Edge 就是这 类软件 不少学校已开始把这类软件系统应用于教学 2 已经有一批院校率先开设了这类课程 取得了一些教学经验 培养了一批教师 3 已经内部出版或公开出版的具有较高水平的相应教材 3 开设三维 CAD 课程应定位于几个软件系统 这类软件目前有 高端产品 PRO E 美国 PTC 公司 UGII 美国 UG 公司 CATIA 美国 IBM 公司 法国 DASO 公司 I DEAS 美国 SDRC 公司 中端产品 MDT 美国 AUTODESK 公司 Inventor 美国 AUTODESK 公司 SOLID WORKS 美国 SOLIDWORKS 公司 SOLID EDGE 美国 UG 公司 金银花 北航 CAXA 北航 适于高校教学用的软件应定位在中端挡产品上 而中端挡产品中应选择 MDT 软件最为适宜 理由是至少有 100 多所院校已经拥有了 MDT 的正版软件 很多学校已用它开出了课程 此外 还有一个十分重要的条件 MDT 是和 AutoCAD 的二维绘图融为一体 的 学生有了 AutoCAD 的二维绘图基础 学习起来很容易 4 4 我学校开设三维我学校开设三维 CADCAD 教学的情况教学的情况 我校从 1997 接受了 Autodesk 公司赠送的 MDT3 0 中文板 当年开始在 本科生和研究生中使用它开设了三维 CAD 课程 目前使用的是 MDT5 0 中文版 机械类的学生使用它完成了三维减速器的课程设计 三维飞剪机 轧钢机的 设计分析 不少研究生利 MDT 建立的三维模型解决了一些运动学 动力学 有 限元分析等方面的研究课题 效果非常之好 为解决教材问题 编写了一本 MDT3 0 应用与开发教程 已由北京理工 大学出版社出版 在讲授三维 CAD 课程时从零件的三维建模开始 在需要绘制二维草图时 插入讲解几个二维命令的使用 高校的学生接受能力很强 有较好的计算机应 用的基础 二维部分的课堂学时有 2 4 个学时足够 5 5 结论结论 1 培养 2 基于特征的三维参数化模型是产品设计的基础 设计模型的建立 就是设计数据库的数据填充过程 建立数据库的目 的 是在将来的设计配凑过程中引用和修改其中的数据 最后完成设计 因此不能进行参数驱动的三维模型 即便是 看 起来很像 很真实的模 型 也是没有使用价值的 几年来国内工程界大力提倡设计从三维开始 其中的三维模型是基于 特征设计的 全参数化的 这里所说的参数驱动 包括对于新设计的零件 引用的标准件 也包 括对各个零件之间的装配关系 位置关系甚至运动关系 所谓特征设计 简单的说就是设计者可以通过组合常见的结构 如孔 轴 槽 筋凸台等 来完成产品的设计 这些被赋予了几何形状 尺寸大 小 材料 精度及运动和动力属性的结构被称为特征 全参数化意味着软件系统可以自动记录设计的整个过程 特征的每一 个属性都是可以被一个参数定义 参数是可以随时修改的 每一个设计步 骤是关联的 如相配合的孔和轴 三维模型和它的二维投影也是关联的 改变其中一个要素 另一个可自动关联变化 这一类软件系统可以支持产品设计和制造的全过程 AutoCAD 中的三维实体是基于几何信息建立的 计算机记录的只是表 示实体模型的点 线 面信息 它不具备上述的两个特点 尽管 设计从三维开始 目前还是少数设计师的事情 但它真正的意义还不在于使用它的人数的多与少 设计从三维开始 具有 二维图纸设计 不可替代的深远的意义 1 在计算机上直接用三维图形表达设计意图 直观地 任意的观察设 计结果 自动地将三维的设计模型的特征数据传递给 CAPP CAM 软 件接收 可以由计算机模拟加工过程 最终由数控机床直接加工制 造出来 实现 无图纸作业 2 如果需要二维工程图纸则由可三维模型自动地生成二维工程图纸 3 三维设计的软件具有参数化的功能 用尺寸驱动三维实体模型 修 改设计极其 方便 可以从三维的装配设计入手修改 修改的结果自动影响三维的 零件模型 三维实体的修改 也会直接引起二维工程图的改变 4 二维设计难以表达清楚的复杂产品结构和自由曲面外形 装配干涉 运动干涉以及产品的重量 形心 体积等物性信息 用三维设计软 件可轻松的解决 5 三维的设计模型可以直接提供给后续的分析系统如运动学动力学仿 真 有限元分析与仿真等有效的设计数据 6 由上述及图 1 c 可知 只要设计师把他头脑中的三维构思 表 达成为计算机中的三维模型 就可以得到真实的三维实物 完全可 以绕过 二维 的图样的步骤 可以把那个迫不得已的 颠倒 再 颠倒 过来 应该说这是设计史上认识规律的大变革 2 高等院校应开设基于特征的三维高等院校应开设基于特征的三维 CAD 课程课程 1 开设三维开设三维 CADCAD 课程的必要性课程的必要性 我国 高等教育法 3 第五条规定 高等教育的任务是培养具有创新精 神和实践能力的高级专门人才 这是我过第一次以法律条文的形式明确了大 学培养创新人才的任务 工程图学教育中一直在强调 培养对三维形状与相关位置的逻辑思维和 形象思维的能力 这也是一种迫不得已的 错位 在三维软件环境中 一切都是 空间 的 它已经为学生搭建好了 创 新 设计的 空间 舞台 实在没有必要花很多学时强迫学生在毫无生气的二 维平面内培养这种能力 把重点转向教授给学生 创新设计 的理论和方法上 是转变教学观念 改革教学内容的重大课题 高等院校的三维教学应以基于特征设计的 全参数化的软件系统为基 础 高校的设计制图教育应有紧迫感和超前意识 尽早组织 开展三维的制 图和设计教学 2 2 开设三维开设三维 CADCAD 课程的基本条件已经具备课程的基本条件已经具备 1 软件条件 国外的基于特征造型 参数化 变量化的三维设计软件价格在 4 20 万 元 套以上 国内的同类软件价格有的不足 1 万元 套 无论购置国外还是 国内的软件 对于学校来说都会望而却步 但学校可以通过接受赠送 使用教学版等方法得到这类软件 例如 Autodesk UG 公司已向国内 100 多所大学赠送的 MDT 及 Solid Edge 就是这 类软件 不少学校已开始把这类软件系统应用于教学 2 已经有一批院校率先开设了这类课程 取得了一些教学经验 培养了一批教师 3 已经内部出版或公开出版的具有较高水平的相应教材 3 开设三维 CAD 课程应定位于几个软件系统 这类软件目前有 高端产品 PRO E 美国 PTC 公司 UGII 美国 UG 公司 CATIA 美国 IBM 公司 法国 DASO 公司 I DEAS 美国 SDRC 公司 中端产品 MDT 美国 AUTODESK 公司 Inventor 美国 AUTODESK 公司 SOLID WORKS 美国 SOLIDWORKS 公司 SOLID EDGE 美国 UG 公司 金银花 北航 CAXA 北航 适于高校教学用的软件应定位在中端挡产品上 而中端挡产品中应选择 MDT 软件最为适宜 理由是至少有 100 多所院校已经拥有了 MDT 的正版软件 很多学校已用它开出了课程 此外 还有一个十分重要的条件 MDT 是和 AutoCAD 的二维绘图融为一体 的 学生有了 AutoCAD 的二维绘图基础 学习起来很容易 4 4 我学校开设三维我学校开设三维 CAD 教学的情况教学的情况 我校从 1997 接受了 Autodesk 公司赠送的 MDT3 0 中文板 当年开始在 本科生和研究生中使用它开设了三维 CAD 课程 目前使用的是 MDT5 0 中文版 机械类的学生使用它完成了三维减速器的课程设计 三维飞剪机 轧钢机的 设计分析 不少研究生利 MD