UG NX在工業(yè)設計專業(yè)《工程制圖》課程改革中的應用

王振寧　王倩

摘要：探討了UG NX軟件在《工程制圖》課程教學中的應用，提出了基于UG NX三維設計軟件的《工程制圖》教學模式，彌補了傳統(tǒng)工程制圖教學方法的一些不足之處。

關(guān)鍵詞：UG NX；工程制圖；教學改革

1.引言

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

要學好《工程制圖》，要求學生具有豐富的想象能力和較強的空間思維能力，傳統(tǒng)教學中在講解畫法幾何、機件的常用表達方法兩部分時，主要以平面圖形進行講解，對于初次接觸工程制圖，立體思維比較差的同學來講具有不小的難度。這會直接影響學生的學習態(tài)度以及后續(xù)內(nèi)容的學習效果。將三維機械設計軟件引入到《工程制圖》課堂教學中，可以使學生很直觀地了解到零件的建模過程，三維機械設計軟件高效的建模能力、逼真的顯示效果、多角度的生動、直觀地展示，避免了傳統(tǒng)教學實物模型的成本高、數(shù)量少、直觀性較差的缺點，另外將三維模型導入制圖模塊進行投影，實現(xiàn)了由3D到2D的轉(zhuǎn)換，訓練了學生的空間想象能力，同時激發(fā)了學生的學習興趣。

2.UGNX軟件簡介

UG NX是集CAD/CAM/CAE于一體的三維設計軟件，可以進行參數(shù)化和非參數(shù)化建模，具有強大的實體、曲面造型、虛擬裝配及工程圖等功能，廣泛的應用在汽車、航空航天、日用消費品、通用機械及電子工業(yè)等工程設計領域。

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

三維軟件的設計數(shù)據(jù)在導入其他三維軟件后，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體，對于這樣的模型，要對其進行編輯和修改。大多數(shù)三維軟件都無能為力，另外比較復雜且關(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。通過采用簡單快捷的同步建模命令，無需考慮零件設計過程和關(guān)聯(lián)性，即可實現(xiàn)對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》課程重點教學環(huán)節(jié)的應用技巧

3.1點、線、面投影教學環(huán)節(jié)

在點、線、面投影的教學環(huán)節(jié)，學生初步接觸投影知識，空間想象能力較弱，此時不應在三維軟件中單獨做點、線、面的造型，而應將點、線、面與三維立體模型相結(jié)合，使學生學習中有較強空間立體感。增加學習的興趣，強化學習的效果，從而為學習后續(xù)的課程打下堅實的基礎。

可以通過對三維立體模型中相應的點、線、面賦予不同的顏色，以突出顯示這些要素。同時調(diào)整整個立體所有面的透明度，使得學生能“看透”整個立體。另外結(jié)合工程圖中“長對正、高平齊、寬相等”的三視圖，來強化學生對點、線、面投影規(guī)律的認識。

3.2截交線投影部分教學環(huán)節(jié)

在截交線投影的教學環(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或多個部分。隱藏多余的部分。留下教學需要的主體部分，對截交線賦予突出的顏色，以使學生從立體中更直觀的認識截交線，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“移動面”命令，可以隨時改變截平面的位置，從而動態(tài)的觀察截平面位置的變化對截交線形狀、大小及其投影的影響（圖1）。

3.3相貫線投影部分教學環(huán)節(jié)

對于相貫線的投影可以采用截交線教學中類似的做法輔助教學：

（1）賦予相貫線突出的顏色，并把整個立體設置一定的透明度，從而增強學生對相貫線的空間形狀的認識。

（2）結(jié)合工程圖模塊中的三視圖，學習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“移動面”命令或者“剪切面”命令，可以通過選中某個立體所有面并拖動，從而改變該立體的位置，以實時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，要按照投影規(guī)律逐個畫出組成組合體的各基本立體的三視圖。但在繪圖時需考慮下列問題：

（1）因為基本立體之間遮擋引起的粗實線變細虛線問題。

（2）兩基本立體相交，因為平齊、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，因為相交的表面連接關(guān)系引起的補畫相貫線的問題。

（4）兩基本立體相交，原屬立體的部分表面，因為變成實體內(nèi)部引起的消線問題。

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

針對這一情況，可以在教學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（保持每個基本立體都是獨立的實體對象）；

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：顯示第一個主要基本立體，觀察工程圖中的圖形；

步驟五：顯示第二個主要基本立體，觀察工程圖中圖形的變化；

步驟六：通過求和的布爾運算，使第二個和第一個基本立體成為一個實體，結(jié)合實體觀察工程圖中圖形的變化；

步驟七：按照步驟五、步驟六，完成整個組合體的繪制。

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

3.4.2看組合體視圖

在組合體例題和習題中，題型多為已知兩個視圖。補畫第三視圖。需要學生根據(jù)現(xiàn)有兩個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。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，修改部分粗實線實線為細虛線，或者擦除部分線條，或者補畫部分線條。許多課件對這些過程的展示，或不夠細致，課件將繪圖過程中的多個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要求。同時這些課件或為Flash課件無法修改，或為PPT課件，可以修改，但作出整個解題過程的動畫相當復雜。耗時。書中大量例題動畫的制作，對教師本人的PPT使用技巧和耐心都是極大的考驗。另外對于習題冊中大量的習題根本沒有現(xiàn)成的課件可以用。

對于這些情況，一種授課方式可以預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)境下的特征重復命令依次播放建模的各個過程，同時隨時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)在學生面前，但學生印象不夠深刻。

要想加深學生的印象，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：

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

（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，繪圖時需控制所繪圖形和已知圖形大體上保持長對正。高平齊，寬相等，一旦繪錯，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。但在繪制過程中。需要確定整個組合體的尺寸才能繪圖，否則不精確繪圖很難控制圖形“長對正、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，這一缺點使得該方式很難用于教學過程；

（4）三維軟件草圖繪制：因為保持幾何約束，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，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”、“點在線上”、“等長”、“等半徑”等幾何約束以保證多個視圖中的圖形“長對正、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環(huán)節(jié)

剖視圖教學過程中，僅從二維投影視圖講解，多數(shù)同學對全剖、半剖、局部剖的使用范圍及其區(qū)別不能理解，針對這種情況，可以預先作出3種剖切方式的模型以供教學使用。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，有針對性地講解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步驟：

步驟一：擦除部分粗實線或細虛線；

步驟二：將余下的細虛線轉(zhuǎn)化為粗實線；

步驟三：繪制剖面線；

步驟四：添加視圖標注。

其中上述步驟中，難點在于第一步擦除哪部分粗實線或細虛線。針對這一問題，教師可以預先創(chuàng)建一個綜合了去除粗實線和細虛線多種情況的立體模型用于課堂教學，同時針對剖視圖中經(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，使學生能夠認識到剖視圖繪制過程中容易犯的錯誤。

3.6裝配圖投影部分教學環(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——拆畫零件圖的設計過程及順序（三維機械設計中自頂向下的設計方法）講解，這種設計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)學生都很難理解，通過三維設計軟件，可以簡化繪制裝配圖的過程，使得設計人員無需關(guān)注立體投影的結(jié)果，而把關(guān)注的重點放在機械設計工作本身，在授課過程中，老師可以針對三維機械設計軟件“自底向上”以及“自頂向下”的兩種設計方法，分別給學生做介紹，使得學生認識現(xiàn)代設計方法。同時針對“自底向上”的設計，重點舉例講解。

4.結(jié)束語

通過UG Nx的輔助教學手段，不僅能夠使抽象、枯燥的教學模式變得生動有趣，富有情境化。還能夠幫助學對重點和難點問題的學習困難，更重要的是這一輔助教學手段培養(yǎng)了學生的空間想象能力、空間思維能力，使學生的讀圖、識圖能力增強，從而激發(fā)學生對專業(yè)的學習興趣，培養(yǎng)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，進而提升創(chuàng)新能力，使工業(yè)設計專業(yè)《工程制圖》課程能夠真正成為為其他專業(yè)課程學習奠定堅實圖形基礎的教學內(nèi)容。