UG NX在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)《工程制圖》課程改革中的應(yīng)用

王振寧　王倩

摘要：探討了UG NX軟件在《工程制圖》課程教學(xué)中的應(yīng)用，提出了基于UG NX三維設(shè)計(jì)軟件的《工程制圖》教學(xué)模式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工程制圖教學(xué)方法的一些不足之處。

關(guān)鍵詞：UG NX；工程制圖；教學(xué)改革

1.引言

《工程制圖》課程是以畫法幾何的投影理論為基礎(chǔ)，研究用投影法解決空間幾何體投影問題，在平面上表達(dá)空間物體的一門體現(xiàn)工科特點(diǎn)的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，也是工科學(xué)生必須學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。工程制圖課程主要的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和讀圖構(gòu)形能力。

要學(xué)好《工程制圖》，要求學(xué)生具有豐富的想象能力和較強(qiáng)的空間思維能力，傳統(tǒng)教學(xué)中在講解畫法幾何、機(jī)件的常用表達(dá)方法兩部分時(shí)，主要以平面圖形進(jìn)行講解，對(duì)于初次接觸工程制圖，立體思維比較差的同學(xué)來講具有不小的難度。這會(huì)直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度以及后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果。將三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件引入到《工程制圖》課堂教學(xué)中，可以使學(xué)生很直觀地了解到零件的建模過程，三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件高效的建模能力、逼真的顯示效果、多角度的生動(dòng)、直觀地展示，避免了傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)物模型的成本高、數(shù)量少、直觀性較差的缺點(diǎn)，另外將三維模型導(dǎo)入制圖模塊進(jìn)行投影，實(shí)現(xiàn)了由3D到2D的轉(zhuǎn)換，訓(xùn)練了學(xué)生的空間想象能力，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.UGNX軟件簡(jiǎn)介

UG NX是集CAD/CAM/CAE于一體的三維設(shè)計(jì)軟件，可以進(jìn)行參數(shù)化和非參數(shù)化建模，具有強(qiáng)大的實(shí)體、曲面造型、虛擬裝配及工程圖等功能，廣泛的應(yīng)用在汽車、航空航天、日用消費(fèi)品、通用機(jī)械及電子工業(yè)等工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

UG NX軟件主要由四大模塊組成的，主要包括CAD、CAM、CAE、其他應(yīng)用模塊。其中CAD模塊又包括基礎(chǔ)、實(shí)體建模、特征建模、制圖、裝配等模塊。《工程制圖》教學(xué)中將會(huì)用到其中大部分子模塊。在課堂教學(xué)中，經(jīng)常需要教師快速地修改模型以適應(yīng)教學(xué)需要，UGNX獨(dú)有的同步建模技術(shù)完美的解決這一需求。

三維軟件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在導(dǎo)入其他三維軟件后，其建模記錄或特征消失，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o參數(shù)、無建模特征記錄的實(shí)體，對(duì)于這樣的模型，要對(duì)其進(jìn)行編輯和修改。大多數(shù)三維軟件都無能為力，另外比較復(fù)雜且關(guān)聯(lián)程度較高的模型，想要通過龐雜的特征記錄找到需要修改的特征，且能保證相關(guān)聯(lián)的其他特征也能按照設(shè)定修改成功是比較困難的。而UG NX 6.0加入的同步建模功能完美的解決了上述問題。

同步建模技術(shù)又稱直接建模技術(shù)，是Siemens PLM Software推出基于Parasolid實(shí)體建模內(nèi)核的編輯修改模型工具。同步建模是基于面的建模方法。通過對(duì)面的操作、約束、重用來建立和修改模型；而無須考慮該模型的建模思路、方法和關(guān)聯(lián)性。通過采用簡(jiǎn)單快捷的同步建模命令，無需考慮零件設(shè)計(jì)過程和關(guān)聯(lián)性，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有參或無參零件模型快速的編輯和修改。

3.UG NX軟件在《工程制圖》課程重點(diǎn)教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用技巧

3.1點(diǎn)、線、面投影教學(xué)環(huán)節(jié)

在點(diǎn)、線、面投影的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生初步接觸投影知識(shí)，空間想象能力較弱，此時(shí)不應(yīng)在三維軟件中單獨(dú)做點(diǎn)、線、面的造型，而應(yīng)將點(diǎn)、線、面與三維立體模型相結(jié)合，使學(xué)生學(xué)習(xí)中有較強(qiáng)空間立體感。增加學(xué)習(xí)的興趣，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的效果，從而為學(xué)習(xí)后續(xù)的課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

可以通過對(duì)三維立體模型中相應(yīng)的點(diǎn)、線、面賦予不同的顏色，以突出顯示這些要素。同時(shí)調(diào)整整個(gè)立體所有面的透明度，使得學(xué)生能“看透”整個(gè)立體。另外結(jié)合工程圖中“長(zhǎng)對(duì)正、高平齊、寬相等”的三視圖，來強(qiáng)化學(xué)生對(duì)點(diǎn)、線、面投影規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

3.2截交線投影部分教學(xué)環(huán)節(jié)

在截交線投影的教學(xué)環(huán)節(jié)，可以將已經(jīng)創(chuàng)建好的三維模型通過“拆分體”命令或者拉伸求差的方式，使用平面（截平面）將幾何體分割成兩個(gè)或多個(gè)部分。隱藏多余的部分。留下教學(xué)需要的主體部分，對(duì)截交線賦予突出的顏色，以使學(xué)生從立體中更直觀的認(rèn)識(shí)截交線，配合工程圖中的三視圖理解被截切的立體投影的畫法。另外，使用同步建模中的“移動(dòng)面”命令，可以隨時(shí)改變截平面的位置，從而動(dòng)態(tài)的觀察截平面位置的變化對(duì)截交線形狀、大小及其投影的影響（圖1）。

3.3相貫線投影部分教學(xué)環(huán)節(jié)

對(duì)于相貫線的投影可以采用截交線教學(xué)中類似的做法輔助教學(xué)：

（1）賦予相貫線突出的顏色，并把整個(gè)立體設(shè)置一定的透明度，從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相貫線的空間形狀的認(rèn)識(shí)。

（2）結(jié)合工程圖模塊中的三視圖，學(xué)習(xí)并理解相貫線的投影。

（3）使用同步建模中“調(diào)整面大小”命令，可以快速修改圓柱體和球體直徑，從而讓學(xué)生很直觀地了解兩立體體積變化引起的相貫線形狀的變化。

（4）使用同步建模中“移動(dòng)面”命令或者“剪切面”命令，可以通過選中某個(gè)立體所有面并拖動(dòng)，從而改變?cè)摿Ⅲw的位置，以實(shí)時(shí)觀察兩立體位置變化引起的相貫線形狀的變化（圖2）。

3.4組合體投影部分教學(xué)環(huán)節(jié)

3.4.1繪制疊加型組合體

在繪制疊加型組合體投影時(shí)，要按照投影規(guī)律逐個(gè)畫出組成組合體的各基本立體的三視圖。但在繪圖時(shí)需考慮下列問題：

（1）因?yàn)榛玖Ⅲw之間遮擋引起的粗實(shí)線變細(xì)虛線問題。

（2）兩基本立體相交，因?yàn)槠烬R、相切的表面連接關(guān)系引起的消線問題。

（3）兩基本立體相交，因?yàn)橄嘟坏谋砻孢B接關(guān)系引起的補(bǔ)畫相貫線的問題。

（4）兩基本立體相交，原屬立體的部分表面，因?yàn)樽兂蓪?shí)體內(nèi)部引起的消線問題。

上述實(shí)虛轉(zhuǎn)換、消線、補(bǔ)線等問題，如果只看書中給出的組合體軸測(cè)圖，是很難全部想象出其二維投影中的這些問題。

針對(duì)這一情況，可以在教學(xué)中采用下列步驟和方法：

步驟一：在UG NX中提前創(chuàng)建好該組合體的各基本立體（保持每個(gè)基本立體都是獨(dú)立的實(shí)體對(duì)象）；

步驟二：在工程圖中創(chuàng)建該組合體的三視圖；

步驟三：隱藏全部基本立體；

步驟四：顯示第一個(gè)主要基本立體，觀察工程圖中的圖形；

步驟五：顯示第二個(gè)主要基本立體，觀察工程圖中圖形的變化；

步驟六：通過求和的布爾運(yùn)算，使第二個(gè)和第一個(gè)基本立體成為一個(gè)實(shí)體，結(jié)合實(shí)體觀察工程圖中圖形的變化；

步驟七：按照步驟五、步驟六，完成整個(gè)組合體的繪制。

通過上述步驟可以使學(xué)生充分地理解疊加型組合體畫法中的實(shí)虛轉(zhuǎn)換、消線、補(bǔ)線等問題。

3.4.2看組合體視圖

在組合體例題和習(xí)題中，題型多為已知兩個(gè)視圖。補(bǔ)畫第三視圖。需要學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有兩個(gè)已知視圖想出立體的空間形狀，并且畫出第三視圖投影。

在講解教材中組合題畫圖和讀圖的相關(guān)例題時(shí)。需要依次畫出組合體各組成部分的投影，并需要考慮多方面因素，修改部分粗實(shí)線實(shí)線為細(xì)虛線，或者擦除部分線條，或者補(bǔ)畫部分線條。許多課件對(duì)這些過程的展示，或不夠細(xì)致，課件將繪圖過程中的多個(gè)步驟一次性展示出來，或步驟混亂，不符合繪圖順序，無法滿足教師本人的教學(xué)要求。同時(shí)這些課件或?yàn)镕lash課件無法修改，或?yàn)镻PT課件，可以修改，但作出整個(gè)解題過程的動(dòng)畫相當(dāng)復(fù)雜。耗時(shí)。書中大量例題動(dòng)畫的制作，對(duì)教師本人的PPT使用技巧和耐心都是極大的考驗(yàn)。另外對(duì)于習(xí)題冊(cè)中大量的習(xí)題根本沒有現(xiàn)成的課件可以用。

對(duì)于這些情況，一種授課方式可以預(yù)先繪制出該組合體三維模型，并在工程圖中創(chuàng)建該組合體的三視圖，在授課過程中通過建模環(huán)境下的特征重復(fù)命令依次播放建模的各個(gè)過程，同時(shí)隨時(shí)切換到工程圖觀察第三視圖的變化。這種方式是以展示的方式，把結(jié)果呈現(xiàn)在學(xué)生面前，但學(xué)生印象不夠深刻。

要想加深學(xué)生的印象，許多教師通過傳統(tǒng)板書、AutoCAD軟件或電子教鞭等方式通過一步步繪圖展示解題過程，這些方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)板書繪圖：直接在黑板上繪圖，需要教師具有較強(qiáng)的徒手繪圖能力，且繪制圖形較小，大班上課時(shí)后排同學(xué)很難看清；

（2）電子教鞭繪圖：通過該軟件提供的直線工具直接在屏幕上繪制圖形，繪圖時(shí)需控制所繪圖形和已知圖形大體上保持長(zhǎng)對(duì)正。高平齊，寬相等，一旦繪錯(cuò)，很難或無法修改，且虛線和圓弧曲線很難繪制；

（3）AutoCAD軟件繪圖：克服了上述缺點(diǎn)。但在繪制過程中。需要確定整個(gè)組合體的尺寸才能繪圖，否則不精確繪圖很難控制圖形“長(zhǎng)對(duì)正、高平齊、寬相等”，如果沒有滿足上述條件，則后續(xù)很難調(diào)整，這一缺點(diǎn)使得該方式很難用于教學(xué)過程；

（4）三維軟件草圖繪制：因?yàn)楸３謳缀渭s束，因此繪圖過程只需繪制出已知視圖的大概形狀，然后通過拖動(dòng)線條以微調(diào)圖形具體的形狀、各部分大小。使圖形基本符合書中或例題中所給圖形即可，拖動(dòng)線條的過程中，幾何約束關(guān)系保持不變，繪制過程中也可以通過“水平”、“豎直”、“相切”等幾何約束確保了圖形的正確繪制。

在繪制其他視圖時(shí)，則可以根據(jù)解題步驟依次繪制和修改各部分圖形。繪制過程中與上述方式相同，但可以通過“共線”、“點(diǎn)在線上”、“等長(zhǎng)”、“等半徑”等幾何約束以保證多個(gè)視圖中的圖形“長(zhǎng)對(duì)正、高平齊、寬相”等。

作為繪圖工具，三維軟件草圖繪制的方法在解題繪圖過程中高效、準(zhǔn)確，建議在工程制圖課程中廣泛使用。

3.5剖視圖投影部分教學(xué)環(huán)節(jié)

剖視圖教學(xué)過程中，僅從二維投影視圖講解，多數(shù)同學(xué)對(duì)全剖、半剖、局部剖的使用范圍及其區(qū)別不能理解，針對(duì)這種情況，可以預(yù)先作出3種剖切方式的模型以供教學(xué)使用。教師可以通過3種零件不同的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有針對(duì)性地講解3種剖視圖在使用范圍上的不同之處。

傳統(tǒng)教學(xué)中一般先繪制出幾何體的基本視圖，再由基本視圖轉(zhuǎn)化為剖視圖，這也是大量習(xí)題和考試中采用的解題方法。由視圖轉(zhuǎn)為剖視圖需要完成下列四個(gè)步驟：

步驟一：擦除部分粗實(shí)線或細(xì)虛線；

步驟二：將余下的細(xì)虛線轉(zhuǎn)化為粗實(shí)線；

步驟三：繪制剖面線；

步驟四：添加視圖標(biāo)注。

其中上述步驟中，難點(diǎn)在于第一步擦除哪部分粗實(shí)線或細(xì)虛線。針對(duì)這一問題，教師可以預(yù)先創(chuàng)建一個(gè)綜合了去除粗實(shí)線和細(xì)虛線多種情況的立體模型用于課堂教學(xué)，同時(shí)針對(duì)剖視圖中經(jīng)常出現(xiàn)的漏線或多線問題。采用剖切的立體模型逐一示范教學(xué)，使學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到剖視圖繪制過程中容易犯的錯(cuò)誤。

3.6裝配圖投影部分教學(xué)環(huán)節(jié)

多數(shù)教材和課件中的“裝配圖的畫法”這一小節(jié)，一般按照裝配示意圖——裝配圖——拆畫零件圖的設(shè)計(jì)過程及順序（三維機(jī)械設(shè)計(jì)中自頂向下的設(shè)計(jì)方法）講解，這種設(shè)計(jì)過程即便是工作多年的制圖教師或工廠技術(shù)人員都很難完成，因此多數(shù)學(xué)生都很難理解，通過三維設(shè)計(jì)軟件，可以簡(jiǎn)化繪制裝配圖的過程，使得設(shè)計(jì)人員無需關(guān)注立體投影的結(jié)果，而把關(guān)注的重點(diǎn)放在機(jī)械設(shè)計(jì)工作本身，在授課過程中，老師可以針對(duì)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件“自底向上”以及“自頂向下”的兩種設(shè)計(jì)方法，分別給學(xué)生做介紹，使得學(xué)生認(rèn)識(shí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。同時(shí)針對(duì)“自底向上”的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)舉例講解。

4.結(jié)束語

通過UG Nx的輔助教學(xué)手段，不僅能夠使抽象、枯燥的教學(xué)模式變得生動(dòng)有趣，富有情境化。還能夠幫助學(xué)對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題的學(xué)習(xí)困難，更重要的是這一輔助教學(xué)手段培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力、空間思維能力，使學(xué)生的讀圖、識(shí)圖能力增強(qiáng)，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，進(jìn)而提升創(chuàng)新能力，使工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)《工程制圖》課程能夠真正成為為其他專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)圖形基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容。