GEN-A005 喜悦与展望-欧特克助力中国出征国际顶级CAD竞技擂台 北航副教授 杨伟群

主持人：感谢伍穗颖先生的精彩演讲，下面有请北京航空航天大学副教授杨伟群先生，掌声有请。
    杨伟群：尊敬的欧特克高层管理团队，尊敬的来宾大家上午好，我非常荣幸地受到邀请来到AU的主会场，来和欧特克的新老朋友分享数字设计的精彩和美妙。我给大家演讲的题目是前不久我代表国家选手到伦敦参加的41届Worldskills机械CAD大赛。通过这次大赛我们有很多收获，我就讲两个故事，一个高兴的事情，我们获得了一个奖项，我想跟大家分析一下来龙去脉，二是我们也有一些忧虑，我们通过参加国际大赛，我们也发现国家的工程教育、职业教育和世界水平的差距，主要是我们和整个教育行业它还比较滞后。

    首先我给大家简单地节介绍一下WorldSkills CAD的简介，这个项目在全球有60年的历史，今年10月份是41届，在英国伦敦举办的，我们国家去年正式加入了WorldSkills。WorldSkills目前总共有46个赛项、58个成员国，46个赛项里面其中有一个非常具有技术含量的赛项，叫机械工程CAD，这个赛项主要针对的是职业能力的培养，是针对企业的需求，它涵盖机械制造行业、设计加工从业人员在建立工程产品加工的时候所需要的模型、图纸以及开发这些新产品所需要的文档工作，这些信息模型必须遵循目前的行业和ISO标准。我们设计大赛指定软件是Autodesk Inventor，同时这个大赛也是由欧特克全部赞助的。

    下面我简单介绍一下我们比赛哪些内容。比赛的时间比较恐怖，4天，我们国内没有这样的比赛。第二，比赛的内容有四个模块，一天考一个模块。这里面是分数的分配，大家可以看到一下，第一天考的是2D和3D的集成设计，也包括复杂装配。第二天考的是针对钣金和结构件的制造，里面包括设计，也包括一些工艺，比如焊接的工艺、装配的工艺。第三天是针对Mechannical design challenge，Challenge是针对让选手对一些原有的设计做一些更改，做一些反应化，比如有一些东西是干涉的，是不符合工艺要求的，我们要求选手进行更改并修改，而且工作量非常大。第三天一般是分水岭，很多选手在第三天，高水平和低水平就出现了差距。第四天是一个反求，考官会给你一个已经做好的零件，这个零件比较复杂，主要是它有很多精度、空隙、台阶，给选手很短的时间，要把它测量出来，把物理世界的东西变成数字世界的东西。这个试题的来源也是从欧特克授权的一个公司开发的。

    下面我们来看一下我们选手训练的一些作品。（播放视频）
    刚才2分钟的视频，所有的画面，基本上都是用Inventor产生的，但是我们做了合成。刚才我们看到的画面是我所在的中国国家队的选手平时的训练以及在国外参赛的一些片段。下面我再简单介绍一下近两期40届和41届大赛的一些介绍。比如在2009年，在加拿大卡阿加力进行了四天的比赛。第一天是设计一个发动机，我们国家的学校老师教得非常好。第二天比赛是钣金的双结构，是一个在企业的物流线上把物品从低处运送到高处。第三天设计更改，考的也是在企业的车间，比如说化工或者是罐装的车间，给你模型了，但是模型里面不完整，甚至有个别地方有错误。第四天考的零件的反求设计，通过手工的测量，最后产生一个精确的三维模型。

    今年10月份，在伦敦我们的考题，这个考题是我们国家选手亲自去做的，第一天也是2D、3D混合设计，设计工作量大概在30-40个零件左右，第二天是流水装置，第三天工作量比较大，是一个计量泵和升降机的设计，是一个设计变更。第四天的反求测量，我的选手在前三天都运作得非常好，可是第四天因为他自己的一些经验和心理运用，的不是太理想。最后的结果是，我们拿了一个优胜奖，总分在第八名。但是我的选手在所有国家中训练是最短的，不到6个月时间，其他选手训练时间在2-3年左右。在伦敦的比赛，巴西得了金牌、新加坡银牌，瑞士、日本、德国共同获得铜牌。回国以后我们的选手也获得了政府的奖励，比如广州市对他进行奖励，可能在后面，我得到消息，我们国家的部委也会有所奖励。

    我总结一下它的特点，WorldSkills的特点，它和我们现在大学里或者职业院校教的内容相比，工作量和知识量特别广，涉及设计、加工、读图、识图、测量、仿真分析，我们整个方向是向数字样机发展。由于遵循的是ISO标准，对我们挑战比较大，因为我们国家的标准也是在向ISO靠，但是永远都是跟在后面，所以我们的选手在训练过程当中，发现我们国家企业拿出来的图纸往往跟ISO标准有很大的差距，所以这点对我们挑战很大。试题工作量很大，对选手的体能、心理素质是一种极大的考验。最主要的是后两点，我通过比较发现，WorldSkills的技术标准和赛题，和我们国家高校，我来自北航，和重点院校机械工程里面的机械设计、机械理论相比，专业知识相比，他的知识量、完成WorldSkills赛题的40-50%，对比我们国家的职业标准，针对企业的技师评定和职业院校职业技能鉴定，最高等级的技师也只能覆盖WorldSkills试题的30-40%，所以可以看到我们跟企业的需求差距很大。

    下面我提出一个论点，我们如何破解工程教育和企业需求脱节的问题，有三个问题非常重要：一是我们职业能力的认定，目前还是教育部门自产自销，在欧洲很多国家，工科毕业生走向社会之前，要经过认证。二是教师的素质和实践条件，我们大部分的高等院校和职业院校都是从学校转移的，没有企业经验，怎么办？所以他抓住了学生的弱点，这种恶性循环是不利于我们的工程教育发展的。

    我提出了一个论点，我们要引进数字样机技术来改善教学条件和实训载体和实训条件。简单说，数字样机技术有三个要求，一是要有产品的数字模型；二是要求针对设计流程，比如传统的CAX技术，从概念到工程设计，最后到加工设计，这三个过程往往是割裂的，这个锯齿状的，这就说明不同的部门，比如工业设计师和电业设计师存在壁垒，如果采用数字样机就可以实现流程的无缝对接。三是数字样机必须要有知识的自动获取和知识的继承和传承作用，这是人工智能的概念。我们选手做了一个针对世界非常著名的八架车模的设计，主要用到这样几个要求，一是我们实现了Inventor从概念到产品全流程参数关联，比如在发动机的草图阶段，到零件、装配、约束，整个过程每一个环节参数都是关联的，不同的工程师在设计的时候，你在任何一个环节修改数据，所有的流程全都得同步修改。还有设计也是自动化的，比如设计加速器就可以让我们的工程师集中注意力搞创新、搞开发，而不用花很多时间查手册、查计算公式。这里面模块非常多，钣金的设计、管线的设计等等集成在一个环节里，最后我们发现得到一个很大的装配。

    我们把Inventor从仿真到渲染，实现真正的“未造先得”，为制造提供决策。连杆的刚性不够，通过有限元分析它的刚性到底怎么不够，最后进行优化设计，最后通过五轴的加工做出来，模量提高了1.2倍，最后整个车，我们设计出来的车模和真正的车模从外观上看不出区别，所以渲染效果也是很好的。还有一个很重要的地方，我们做了一个试验，我们把Inventor和加工联系起来，因为Inventor本身就是一个设计工具，但是我们设计完之后就要加工，刚才那个三角插件要在五轴机器上加工，要仿真，就要用到大量刀具，刀具里面最关键的就是怎么选择刀具，选择刀具里有一个很细的问题，怎么选择刀片。在Inventor建立了系列化刀片，驱动这个刀片很简单，就是这个草图，拉伸就行了。但是刀片里面有这样几个参数很重要，刀尖的半径，刀片的内切圆，这两个数据在Inventor是一个参数，学生选这个参数的时候不知道，随便选，你随便选的数据是没有用的，因为刀片的数据是不连续的，你必须要告诉它你为什么这么选。所以我们运用Inventor里一个比较新的工具，你选这个参数是用加工规则来驱动，比如你在粗加工、精加工的时候，分别会选不同系列的刀尖半径，因为我们知道刀尖半径跟表面粗糙是有关系的，加工效率是有关系的，会不会发生碰撞有关系的，最后这样一个刀片的模型是靠我们的加工规则来驱动的，学生可以不看参数，他可以说我要什么样的加工条件，最后你可以得到刀片的三维模型。也就是说，刀片的三维模型本身不是一个几何数据，里面还内嵌了一些加工的知识。我认为CAD软件如果能够自动获取知识、重用知识，本身就是一个人工智能的技术，就带有一定的智能设计。所以我希望Inventor在这方面可以做得更好。

    通过刚才我讲的前三点我得到了结论，我认为我们整个数字样机的技术可以用在工程实训和工程教育上，主要有三个结论：一是可以代替物理样机，但是物理样机很贵，我学飞机的，我非要拿飞机到学校里来吗？非常贵。它可以代替物理样机，低成本、低风险，而且你的产品和企业同步，企业的产品可以在学校里看得见。二是可以帮助职业院校不要花太多精力买设备，你可以把精力放在创新上，放在个性化的培训上，不同的行业有不同需求，一个学校可以针对不同的行业培训学生。三是整个工程设计里有两种知识很重要，一是成熟性的，一个是过程性的。过程性的很难获取，如果Inventor软件可以帮助人们获得加工知识，这种加工知识往往是经验性的，我们可以减少对有经验人的依赖，可以靠数字样机帮助你获得经验。这三点非常重要。

    时间差不多了，我就给大家讲这些，最后我再次感谢欧特克给我提供这样一个很好的机会，我也再次感谢大家的聆听。谢谢各位。