UG NX軟件在《工程圖學(xué)》求立體表面交線教學(xué)中的應(yīng)用

崔 寧

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 珠海 519041）

UG NX軟件在《工程圖學(xué)》求立體表面交線教學(xué)中的應(yīng)用

崔 寧

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 珠海 519041）

利用UG NX軟件建立截切體與相貫體以及截交線與相貫線形成與投影作圖原理的動(dòng)態(tài)立體演示模型，并將其應(yīng)用于《工程圖學(xué)》教學(xué)過程中，有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，提高教學(xué)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。

UG NX軟件；工程圖學(xué)；立體表面交線；三維建模；截交線；相貫線

截交線與相貫線的投影作圖，對(duì)學(xué)生的空間想象能力和形象思維能力要求較高，是《工程圖學(xué)》課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于這類知識(shí)點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師在課堂上講授投影作圖題目時(shí)，先為學(xué)生演示實(shí)物模型，再配合講解多媒體課件中的立體圖樣或動(dòng)畫。通過實(shí)物模型能夠使學(xué)生直觀地看清截切立體或相貫立體的形狀，以及截交線和相貫線的形狀特征，對(duì)于立體表面交線的投影作圖有一定的幫助。多媒體課件通過展示事先已制作好的立體圖樣或動(dòng)畫，在某種程度上也起到輔助和補(bǔ)充作用。但是，上述方法對(duì)截交線和相貫線的投影作圖原理與過程卻難以直觀而動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生難以理解和掌握。

UG NX是原美國 UGS（Unigraphics Solutions）公司推出的產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）軟件，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的主流計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件之一。UG NX軟件功能強(qiáng)大，涵蓋了從概念設(shè)計(jì)、工程分析、加工制造到產(chǎn)品發(fā)布的產(chǎn)品開發(fā)全過程，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機(jī)械和電器電子等諸多工業(yè)領(lǐng)域。我們只需借助UG NX軟件最基本的三維建模（Modeling）模塊就可以很好地完成對(duì)《工程圖學(xué)》相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)演示。使用UG NX軟件創(chuàng)建的三維模型，不但能夠清晰、直觀地表現(xiàn)切割立體、相貫立體甚至組合體的結(jié)構(gòu)形狀，以及截交線、相貫線的形狀特征，從而取代實(shí)物教學(xué)模型和多媒體課件中部分立體插圖及動(dòng)畫的基本功能；借助其強(qiáng)大的渲染功能，還可淋漓盡致地表現(xiàn)實(shí)際形體的表面特性，如顏色、材質(zhì)、光澤等，給人以更逼真的實(shí)物感和立體感。另外，借助其部件導(dǎo)航器及相關(guān)操作命令，還能動(dòng)態(tài)演示切割體和相貫體的形成過程、截交線和相貫線的詳細(xì)形狀特征及其投影特征，甚至投影作圖的原理與過程。

截交線與相貫線作圖題目

現(xiàn)分別就求截交線和相貫線兩類問題，結(jié)合實(shí)例給出具體的應(yīng)用方法。兩題目及相應(yīng)答案如圖1~圖4所示。其中，圖1和圖2為作截交線投影題目與答案，圖3和圖4為作相貫線投影題目與答案。

圖1 截交線作圖題目圖

圖2 截交線作圖答案圖

動(dòng)態(tài)演示模型的建立

應(yīng)用UG NX軟件的三維建模模塊，根據(jù)題意分別建立截切體和相貫體的演示模型。建立教學(xué)演示模型與在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)零件建模的方法和步驟有所不同。設(shè)計(jì)建模時(shí)，要考慮設(shè)計(jì)過程的科學(xué)性、規(guī)范性與合理性，必須遵循一些基本規(guī)則，如建模前應(yīng)確定正確的建模策略（綜合考慮模型的相關(guān)性與參數(shù)化問題）；在一個(gè)獨(dú)立模型中只能使用一個(gè)基本體素特征（柱、錐、球、塊等）并且只能將其作為第一個(gè)根特征（毛坯）；建模的先后次序也應(yīng)盡量遵循實(shí)際加工次序等等。而教學(xué)演示模型主要作為教學(xué)過程中的輔助工具，其目的是達(dá)到直觀、動(dòng)態(tài)、自然、逼真的演示效果，建模過程則不必完全遵循設(shè)計(jì)建模規(guī)則，而應(yīng)以更利于體現(xiàn)形體的構(gòu)型過程（疊加式、切割式或綜合式）及投影作圖原理為原則。因此，在建模過程中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)基本體素特征，而且也不一定會(huì)考慮到加工的先后順序，但是對(duì)于相關(guān)性與參數(shù)化問題還是要盡量保證，以便于編輯與修改。由此可確定對(duì)教學(xué)演示模型建模的總體思路：不僅要完成截切或相貫后的最終立體模型，更重要的是要體現(xiàn)立體的形成過程。為此，可充分利用UG NX軟件的草圖、基本體素特征（柱、錐、球、塊）、布爾運(yùn)算（求和、求差、求交）、掃描特征（拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠）、基準(zhǔn)特征（基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面、點(diǎn)）、修剪體、相交曲線等常用工具來完成模型。

兩演示模型的建模基本過程如圖5和圖6所示。模型一（截切體）的建模順序?yàn)椋航⒒倔w素特征（Cone）→截平面的母線草圖繪制（Sketch）及拉伸（Extrude）生成截平面→生成截平面與立體表面的交線（Intersection Curves）→截切立體（Trim Body）→作截交線上的特殊點(diǎn) （Sphere）→作假想截平面（Fixed Datum Plane）→確定截平面與截切體的表面交線（Intersection Curves）→作表面交線上的一般點(diǎn)（Sphere）。模型二（相貫體）的建模順序?yàn)椋航⒒倔w素特征（Cone）→圓柱體的母線草圖繪制（Sketch）→拉伸(Extrude)并求和形成相貫體→生成相貫體表面的交線 （Intersection Curves）→在不同高度位置做多個(gè)假想截平面 （Fixed Datum Plane）→分別確定各截平面與相貫兩基本立體的表面交線 （Intersection Curves）→作兩表面交線的交點(diǎn)（Sphere）得到表面交線上的一系列特殊點(diǎn)與一般點(diǎn)。按上述步驟完成后的兩演示模型分別如圖7和圖8所示。

圖7 截切體演示模型圖

圖8 相貫體演示模型圖

圖3 相貫線作圖題目圖

圖4 相貫線作圖答案圖

圖5 截切體部件導(dǎo)航器圖

圖6 相貫體部件導(dǎo)航器圖

另外，若要模型的外觀效果更加逼真，還可以借助UG NX軟件視圖菜單——可視化下的工具，見圖9，如光源、陰影、材料/紋理、視覺效果等進(jìn)行渲染和處理，也可生成高質(zhì)量的圖像、藝術(shù)畫像或創(chuàng)建動(dòng)畫等，此處不再復(fù)述。

教學(xué)演示過程

在課堂講授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師可適時(shí)打開教學(xué)模型進(jìn)行演示。演示過程一般可分兩步：第一步，演示立體的形成過程。打開模型文件及其“部件導(dǎo)航器”，先抑制除基本體素特征（圓錐體）外的所有特征，然后按照建模的先后順序（即立體形成過程）逐一反抑制（顯示）相應(yīng)特征，直至完整顯示整個(gè)截切體或相貫體。第二步，演示立體表面交線投影作圖原理和過程。對(duì)于表面交線（截交線或相貫線）上的特殊點(diǎn)，可以直接反抑制相應(yīng)的基本體素特征（Sphere）；對(duì)于一般點(diǎn)，需先反抑制相應(yīng)位置的輔助基準(zhǔn)面（即假想的截平面），再反抑制基準(zhǔn)面與立體表面的交線，最后反抑制代表一般點(diǎn)的基本體素特征（Sphere）。在進(jìn)行上述操作過程中，配合必要的講解即可。

在求立體表面交線的教學(xué)過程中，教師上課時(shí)只需借助裝有UG NX軟件的計(jì)算機(jī)和多媒體設(shè)備，就可以為學(xué)生動(dòng)態(tài)展示截切立體與相貫立體的三維模型，以及截交線與相貫線的形成過程和投影作圖原理。與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，本文所述方法更易于理解和接受，學(xué)生反映作圖的思路比較清晰，不再像以前那樣困難。另外，由于在課堂中對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件的引入，使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生了比較直觀的認(rèn)識(shí)，并激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，很多學(xué)生對(duì)《工程圖學(xué)》課程以及本專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)興趣越來越濃厚。這說明使用UG NX軟件建立的這種虛擬演示模型完全可以取代教學(xué)實(shí)物模型以及部分多媒體課件的立體插圖和動(dòng)畫，采用這種教學(xué)方式對(duì)于學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)是行之有效的。

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[2]黃愛華，劉燕蓉.運(yùn)用三維建模是改革制圖教學(xué)的有效途徑[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，9（3）：33-34.

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G712

A

1672-5727（2011）05-0167-02

圖9 可視化工具圖

崔寧（1973—），男，吉林省吉林市人，碩士，吉林大學(xué)珠海學(xué)院講師，研究方向?yàn)閳D學(xué)和機(jī)電一體化應(yīng)用。