UGNX 在CAD/CAM 技術課程教學中的應用研究

萬宇杰 畢翔

（江漢大學機電與建筑工程學院湖北武漢430056）

UGNX 在CAD/CAM 技術課程教學中的應用研究

萬宇杰 畢翔

（江漢大學機電與建筑工程學院湖北武漢430056）

《CAD/CAM技術》課程是高校機械類應用型本科人才培養(yǎng)的一門主要專業(yè)課。依據(jù)CAD/CAM技術課程內容與UGNX軟件關系，針對課程教學中普遍存在重點內容難于取舍的實際問題,本文以UGNX軟件在該課程中的應用為背景,提出了運用理論與實踐相結合的方法和措施解決問題。多年教學實踐證明，提高了學生運用理論解決工程實際問題的能力,畢業(yè)生綜合能力得到用人企業(yè)的好評。

CAD/CAMUGNX教學實踐

引言

通過對目前國內高校開設的《CAD/CAM技術》課程調研發(fā)現(xiàn),教學課時大都在32-40學時，其內容主要集中在CAD/CAM系統(tǒng)介紹、CAD/CAM軟件開發(fā)方法、圖形處理技術、建模技術、計算機輔助工程分析、計算機輔助工藝規(guī)程設計、計算機輔助數(shù)控加工編程、計算機輔助質量、計算機輔助生產(chǎn)管理與運行控制、CAD/CAM系統(tǒng)集成等方面。表現(xiàn)出內容多，重難點突出，上課后效果差。主要原因是課程涉及學科廣，學生在十分有限的課堂時間和上機時間里把握不好重點，根本不可能掌握眾多復雜知識，上機實驗時，有時還需要在好幾個應用軟件之間切換，對實驗室人員及設備要求都很高，導致該課程實施后的教學效果不理想，由此可見必須提出有效的解決辦法，通過教學實踐證明，解決的主要辦法是：針對不同層次的學生采用不同的教學內容，我國是一個生產(chǎn)制造大國，要讓培養(yǎng)的人才能在現(xiàn)階段能快速充實到先進的設計和生產(chǎn)第一線是當前主要任務，國內應用型本科人才的培養(yǎng)就是為了解決此類問題提出的，此類學生數(shù)量十分龐大，解決好該課程的教學改革意義十分重大。目前,我國在機械CAD/CAM技術的研究與應用方面與世界先進的制造業(yè)國家相比還有較大差距,為我國現(xiàn)代機械制造業(yè)培養(yǎng)一大批具備CAD/CAM技術的人才成為了高校機械類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要任務。針對高校整體學時壓縮的現(xiàn)狀，如何正確科學合理的開展《CAD/CAM技術》課程教學就成為這項重要任務中的當務之急，讓學生在有限的學時里獲益最大是一個非常值得研究的課題。本文正是基于這些原因,研究了UGNX在教學中的應用與實踐,重點研究解決在實際教學中內容取舍的等問題。

一、CAD/CAM技術課程內容與UGNX軟件關系

CAD/CAM技術即計算機輔助設計和計算機輔助制造技術,是一門應用計算機來協(xié)助人們進行產(chǎn)品設計和制造的綜合性技術。CAD主要指以計算機為核心工具來輔助進行產(chǎn)品設計過程中的各項工作,如草圖繪制、幾何造型、虛擬裝配設計和模擬仿真及分析計算等,從而提高產(chǎn)品設計質量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本。CAM是指利用計算機完成從生產(chǎn)準備到產(chǎn)品制造過程中的相關活動,包括計算機輔助工藝過程設計(CAPP)、工裝設計、計算機輔助數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計劃、制造過程控制、質量檢測與分析等。其CAD/CAM作業(yè)過程圖見圖1。

圖1 CAD/CAM作業(yè)過程圖

UGNX是目前產(chǎn)品設計領域的主流軟件之一，UG NX是下一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，是一個由西門子UGS PLM軟件開發(fā)，集CAD/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件，UGNX支持產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，從概念（CAID），到設計（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。UGNX具有完備的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產(chǎn)品的需要；UG允許以數(shù)字化的方式仿真、確認和優(yōu)化產(chǎn)品及其開發(fā)過程；運用數(shù)字化仿真性能來改善產(chǎn)品質量，減少或消除對于物理樣機的昂貴耗時的設計、構建，提供聯(lián)接UG所有加工模塊的基礎框架，可以在圖形方式下觀測刀具沿軌跡運動的情況并可對其進行圖形化修改，定義標準化刀具庫、加工工藝參數(shù)樣板庫使初加工、半精加工、精加工等操作常用參數(shù)標準化，優(yōu)化加工工藝；UG NX的加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊適用于目前世界上幾乎所有主流NC機床和加工中心，該模塊在多年的應用實踐中已被證明適用于2～5軸或更多軸的銑削加工、2～4軸的車削加工和電火花線切割。UG主要客戶包括：汽車、航空航天、造船以及美國軍方，幾乎所有飛機發(fā)動機和大部分汽車發(fā)動機都采用UG進行設計，充分體現(xiàn)UGNX在高端工程領域，特別是軍工領域的強大實力?？梢?，將UG軟件應用在《CAD／CAM技術》課程教學中，前景看好，特別是學生熟練掌握了該軟件后就有進入一流大公司工作的機會。

二、結合UGNX軟件確定《CAD／CAM技術》課程的重點教學內容

針對應用型本科機械類學生，教授內容應該不同，結合CAD/CAM技術課程實際,確定重點教學內容。CAD/CAM技術課程從課程體系上主要分為三個模塊，一是CAD/CAM基礎理論,主要包括:CAD/CAM的基本概念、技術的應用與發(fā)展，基本結構、基本原理和CAD/CAM系統(tǒng)硬件、軟件組成、軟件系統(tǒng)、應用與發(fā)展;計算機圖形學的基礎知識，圖形的幾何變換、圖形裁剪技術、消隱技術、真實感技術等計算機圖形學基礎；程序化處理技術、文件化處理技術、數(shù)據(jù)庫技術等數(shù)據(jù)處理技術；三維建模知識，以線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模為主的三維建模技術；二是CAD/CAM應用技術,主要包括:有限元分析為主的計算機輔助工程；計算機輔助工藝過程設計;計算機輔助數(shù)控編程和逆向工程原理、逆向工程系統(tǒng)組成及逆向工程應用實例。三是CAD/CAM系統(tǒng)集成與新技術，從CAD/CAM作業(yè)過程圖（圖1）可見,產(chǎn)品的設計及生產(chǎn)牽涉的內容多,難點多，對人才素質要求高。

圖2 UG CAD/CAM工作流程

UG NX是CAD/CAE/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。UGS NX支持產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，從設計到制造的完整流程。它的包括概念設計、工程設計、工程分析和自動化制造等功能，UGNX軟件的功能主要有:①CAD模塊,包含了實體建模、特征建模、自由曲面建模、工程圖、裝配建模及模具設計模塊。②CAE模塊,該模塊涵蓋了有限元分析、機構仿真和注塑模分析等許多與常用CAE設計功能相關的子功能模塊。③CAM模塊,該模塊涵蓋了加工基礎、后處理、車削加工、銑削加工和電火花加工等子功能模塊；④主模型的數(shù)據(jù)管理方法，從主模型直接轉到其他應用模塊中，實現(xiàn)在各個模塊中共享產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)。

從圖2可以看出，CAM模塊與實際生產(chǎn)緊密相關，提高UGNX軟件的學習就能很好將理論與實踐結合，從而實現(xiàn)全數(shù)字化制造。

圖3 UGNX 8.0數(shù)控加工信息流

圖3為UGNX 8.0數(shù)控加工信息流圖，由圖2和圖3可見,CAD/CAM的相關技術在UGNX軟件中大都有所體現(xiàn)和應用,因此可以將CAD/CAM技術基本知識與UGNX軟件應用結合起來,通過UGNX來輔助CAD/CAM技術課程教學內容的開展是十分有效的一件工作。

課程教學重點集中在二維草圖、三維造型、工程圖形成、零部件裝配、運動學仿真、有限元分析、數(shù)控加工等內容上。

三、結合UGNX軟件探討課程教學重點內容取舍

3.1 重點突出三維造型模塊核心構圖功能

如圖4所示,在學習“圖形視圖”時,可用UGNX軟件進行復雜實體的三維造型,對實體模型進行剖切的動態(tài)觀察,從而加深學生對模型結構的理解,直觀的認識CAD/CAM中剖切技術的應用和實現(xiàn)，提高學生的學習興趣。

圖4產(chǎn)品零件三維視圖及任意截面剖切視圖

圖5旋轉剖工程圖實例

3.2 明確制圖模塊在實際生產(chǎn)中的價值及作用

UGNX的制圖功能是將三維模型轉換為二維工程圖，以滿足傳統(tǒng)加工手段的需要。由于UG的工程圖與三維模型是完全關聯(lián)的，因此，修改三維模型，二維工程圖會自動做相應的修改，這就保證了三維模型與二維圖的一致性，減少了工程技術人員的勞動量，降低了錯誤率。值得注意的是，工程圖引用三維模型數(shù)據(jù)，而不能通過修改工程圖來達到修改相應的三維模型的數(shù)據(jù)的目的。

3.3 熟練掌握裝配模塊

圖6減速器裝配實例

產(chǎn)品的三維模型設計完成后，就要進行三維裝配，而三維裝配可以進行絕對定位裝配，UG中還提供了約束裝配,就是通過對兩個要裝配的對象使用多種約束，以保證對象間的相對位置。圖6為學生進行上機實驗的減速器裝配效果圖。

3.4 加工模塊的仿真意義領會

圖7數(shù)控機床多軸加工零件仿真畫面圖

在學習CAM技術中“數(shù)控程序編制”時,可以通過播放UGNX加工模塊中動畫來驗證CAM技術在實際工程加工中的意義。圖7是五軸聯(lián)動加工中心仿真截圖,其是研究了五軸聯(lián)動加工中心坐標變換的后置處理算法，根據(jù)刀軸矢量推導各角度的計算公式、刀位點在新的工件坐標系中坐標值的計算后得到仿真效果圖。

3.5 學生上機實踐成果示例

在CAD/CAM技術課程實踐教學中,可以采用UGNX任務引領的方法來提高學生的實踐能力。課程開始時,可以給定某些復雜機構設計任務書,學生在CAD/CAM技術課程學習中所接到的零件部件的實踐任務書，此任務要求學生在上機實驗時,通過應用課堂上所學理論知識,依次完成典型零件的實體造型、輔助分析、加工仿真等任務,最后學生在綜合運用前面所掌握的實踐技巧基礎上,對零件進行裝配及運動仿真,最終完成任務。圖6為學生部分作品。

圖8學生部分產(chǎn)品三維造型圖

四、結語

《CAD/CAM技術》課程體系的突破口在于現(xiàn)代計算機技術、機械設計和機械制造技術的有機融合，強化與工程實際結合較緊密的重點內容，突出的觀念首先要跟上時代的步伐，要以本課程體系的優(yōu)化為目標，以現(xiàn)代CAD/CAM技術為平臺，針對當今世界制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，努力適應現(xiàn)代設計、現(xiàn)代分析、現(xiàn)代制造技術對專業(yè)人才的需求；改善與CAD/CAM相關聯(lián)的一系列課程，最終實現(xiàn)在無紙環(huán)境中的設計與加工、虛擬樣機的制作，努力提高現(xiàn)代化教學層次和教學目標，為學生高層次就業(yè)提高重要的砝碼。

[1]王隆太.機械CAD/CAM[M].機械工業(yè)出版社,2010.

[2]曹建樹,王殿君,代峰燕,等.應用型本科“CAD/CAM”課程的教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2010,29(5):106～107.

[3]江洪,酈祥林.UGNX8.0典型實例解析[M].機械工業(yè)出版社, 2012.5

Research on Application of UG In Teaching CAD/CAM Course

WAN yujie，BI xiang，(School of Electro-mechanical and Architectural Engineering,Janghang University,Wuhan 430056,China;)

The CAD/CAM technology course is a mechanical type of application-oriented talents cultivation in colleges and universities is a branch of the main courses.Based on UGNX software relationship with CAD/CAM technology course content,In view of the curriculum teaching in the universal existence key content difficulty with choices actual problem,this article take the UGNX software in this curriculum application as a background,proposed a combination of theory and practice of using methods and measures to solve the problem.Years of practice shows,improved students'ability to apply theory to solve practical problems, praised graduates ability to get employers.

CAD/CAM;UG;teaching practice

萬宇杰男（1969-），男，湖北孝感人，江漢大學機電與建筑工程學院副教授，主要研究方向為工程材料、CAD/CAM、機電一體化。

項目支持：1.武漢市屬高校教學研究重點項目（項目編號2013002）2.江漢大學機電與建筑學院項目(項目編號JD008-2013)