基于NX軟件的畢業設計選題與實踐

其木格，崔昭霞，李宗學

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基于NX軟件的畢業設計選題與實踐

其木格，崔昭霞，李宗學*

（內蒙古工業大學機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

針對近幾年隨著本科院校的招生規模的擴大和教師資源的缺少，再加上好多學校針對本、專科畢業設計提出了“一人一題”的要求，導致年輕教師畢業設計選題與實踐成為難題。本文提出了基于NX全壽命周期軟件設計確定畢業設計課題的思路，將現代的、先進的計算機輔助設計方法和思路，結合各自專業特點融入到畢業設計中，從拓展知識和解決實際問題出發，衍生出學生畢業設計的課題，并在機械設計制造和機械制造及其自動化兩個專業的畢業學生中實踐和驗證了本方法的可行性和優越性。

畢業設計選題；NX軟件；全壽命周期設計

0 引言

畢業設計和畢業論文是高校本科、專科培養方案中的重要組成部分，是在大學畢業和走上工作崗位之前的最后的一個教學環節。是前面所學的所有教學環節的一個繼續、深化和檢驗，目的在于培養學生綜合運用所學知識和技能，得到分析和解決實際問題能力，其實踐性和綜合性是其它環節所不能替代的。

畢業設計和畢業論文選題應符合人才培養目標要求，具有相當程度的綜合性和專業知識覆蓋面，應當力求有利于鞏固、深化和擴大學生所學的專業知識，有利于培養學生的實踐能力與創新精神[1]。畢業設計的選題應當結合生產、科研和實驗室建設等實際任務，也可以選擇從實際中提煉出的題目。從學生實際出發，合理安排課題的性質、難度、份量和綜合訓練要求。

近年來，各高校本科生的規模都有不同程度的擴增，學生人數的增加造成教學資源的嚴重緊張，尤為突出的是高水平、有經驗的指導畢業設計教師的短缺。為提高學生畢業設計質量，避免畢業設計題目重復，內容雷同，部分高校提出一個人一個題目，且要求各不相同、各具特色的要求[2]。這雖然可以提高學生獨立思考的能力，有助獨立解決實際問題的能力，但也使指導教師任務加重，更加劇了一些缺乏經驗的教師指導畢業設計的難度。由此導致一些高校的畢業設計存在不同程度地的質量下降的趨勢，本科畢業設計正面臨著一定程度的困難局面[2]。而且目前國內現狀更是很難滿足普通高校的本、專科畢業設計達到實際操作機械裝置或設計出實際機械產品的目的。但是對工程類畢業生的熟練掌握先進設計方法（高端軟件工具）的需求旺盛。為了達到畢業設計目標，并培養適合市場急需的人才，本文基于NX軟件提出，選擇靈活結合NX PLM(全壽命周期)軟件各個模塊,到從設計、裝配、出圖到運動仿真、加工仿真或仿真分析，甚至機床仿真加工到實際加工代碼的生成，從而達到近乎現實的產品設計及加工操作等來掌握先進的設計方法，完成靈活的畢業設計的目的。也可嘗試由不同專業學生組成的跨專業聯合設計題目，學生各自承擔課題中與自己專業培養目標相關的部分。

1 基于NX軟件的畢業設計選題的探討

NX是西門子公司推出的一款涉及產品全壽命周期的軟件，可以解決產品概念設計到工程制造的各個方面，包含了企業中應用最廣泛的集成應用套件。除了用于計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）和計算機輔助制造（CAM）的工具集以外，NX 還支持組織之間進行協同，可以為畢業設計小組的每一位同學提供集成式數據管理、自動化的流程、決策支持以及其他有助于優化開發流程的工具。為畢業設計中的產品設計及加工過程提供數字化造型和驗證手段，也可以為實際產品驗證提供前期的優化和解決方案。

畢業設計可以涉及的NX主要工具集有：

（1）NX CAD工具集

NX CAD模塊作為NX最基本模塊，是其他各個模塊的基礎和引入，與其他所有模塊數據實時鏈接和共享。具有高效的機械建模，裝配建模和制圖功能，注重靈活，細節以滿足設計任何復雜產品的需要。NX優于一般的設計軟件工具在于其可以做到工業造型設計、曲面建模、機械結構設計、工裝卡具設計及其參數化驅動和相關裝配及其出圖上。建模思路基于機械加工工藝，并遵循機械加工過程，從毛坯建模到粗加工特征建模到再到精加工特征建模的過程。參數化建模中包含其后續加工或者加工方法屬性。例如一個圓柱形結構設計在其參數化建模中為其后續加工方法奠定了是鉆孔加工還是螺紋孔加工方法，在加工中我們可以通過參數化特征識別自動生成加工工藝參數和相關加工方法和刀具等。

（2）NX專業設計模塊的工具集

NX專業設計模塊例如模具設計模塊，可以做到吹塑模具設計、注塑模具設計及其標準件模板化調用。基于最初的CAD設計產品做到型腔、型芯設計，分型面創建，澆注口、分流道、型腔布局的設計，動模、定模、頂出等等都在專業模塊下輕松做到。

NX可以說涉及制造業的各個方向，就鈑金設計模塊來說、一般鈑金設計、航空鈑金設計直到沖壓鈑金設計及其驗證，再到沖壓機床運動仿真，甚至還有專用船舶設計，汽車設計自動化工具等可以即專業又形象的進行設計。

NX管線布局工具集也可以從邏輯管線布局到電器管線布局和機械管線布局各有特點和優勢。為實現虛擬產品更加一碼特色。

（3）NX CAE工具集

NX CAE工具集主要包括仿真、確認和優化產品的強度、振動和熱力學分析，可以執行與多物理場合耦合有關的高端分析。例如，可以做到抗疲勞耐久分析、動力傳動分析、散熱分析、震動和相應分析、熱/流耦合分析、灰塵和濕度分析等，可以做到車身NVH分析、電子冷卻系統、引擎系統分析等等。

（4）NX CAM工具集

NX CAM是加工基礎模塊，提供聯接NX所有加工模塊的基礎框架，適用于目前世界上幾乎所有主流 NC機床和加工中心。主要包括有通用的點位加工編程功能，可用于鉆孔、攻絲和鏜孔等加工編程，還有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。還可以實現基于特征的加工、高速銑、渦輪銑削、CMM數控測量編程、多功能編程、機床刀具仿真、后處理及基于控制器的G代碼生成。該模塊交互界面可按用戶需求進行靈活的用戶化修改和剪裁，并可定義標準化刀具庫、加工工藝參數樣板庫使初加工、半精加工、精加工等操作常用參數標準化，以減少使用培訓時間并優化加工工藝。

而且NX軟件所有模塊都可在實體模型上直接生成加工程序，并保持與實體模型全相關[3]。 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[3-4]。

（5）NX二次開發

可以通過以最簡單的Open Grip/Open API/ Open C++等等解釋性語言，可以完成絕大多數曲線，實體CAD操作功能，生成的文件可以被UI Styler二次開發的菜單.men文件調用，也可被Open API(C語言)或者Open C++調用[5]。通過Open Grip函數調用,Open C，是最強大的二次開發工具，可以實現草圖，三維實體曲面，產品裝配，汽車模塊，模具模塊，知識工程，CAM加工，有限元FEM，數據庫操作等所有NX功能的二次開發[6]。一般情況下，不需要做任何修改。例如UG后處理模塊（Postbuilder）中，機床類型、主軸、機床各軸，進給率，刀具描述等都已經由Java生成的工具語言完成。在Postbuilder窗口中的任何可視化修改，都會自動修改這些工具語言。也可以使用VB，Java等語言，通過對NX安裝目錄的.set, .template, .dat,.dlg,. men文件和數據庫進行操作來達到上述二次開發工具同樣的效果。這也是UG二次開發工具強大之處[7]。

2 基于NX軟件的畢業設計選題的實踐

NX與西門子PLM的其他解決方案的完全無縫連接對于CAD、CAM和CAE在可控環境下的協同、產品數據管理、數據轉換、數字化實體模型和可視化都是一個補充。特別對于工程類院校的機械工程，材料工程和汽車、航空工程的畢業設計來說，目前國內廣泛引進和應用的NX軟件，可以滿足畢業設計通過熟練掌握高端軟件工具達到掌握和應用先進設計方法的目的。

2.1 基于NX的畢業設計基本思路

由于NX幾乎涉制造業的每一個環節，即產品的全壽命周期，小到一個零件設計，大到一個產品的每一個組件及其相關設計和加工方式都可以用于本/專科畢業設計環節。

基于NX的畢業設計基本思路如圖1，①從一個產品的基本思路開始，例如給定大體形狀參數、容量參數、材質要求做到設計一款洗衣液瓶的模具設計及其仿真加工，②NX CAD下基本建模或通過逆向工程獲得（NX有相關的支持），③NX shape studio下優化形狀參數，④NX Mold Wizard創建數模的吹/注塑模具設計（可以根據零部件數據的多少分給幾位同學協同工作），⑤相關零部件進行裝配,例如塑料瓶蓋或模具裝配，⑥加工件或相關零件出圖（例如：型腔或型芯）⑦XN CAE進行有限元結構分析，例如型腔壁厚結構力學分析，⑧NX CAD環境下為進一步加工設計工裝卡具，設計專用刀具等等，⑨NX CAM對指定加工零部件進行計算機輔助設計和刀具路徑驗證，⑩NX CAM 進行后處理生成NC/G代碼，?進一步在的NX ISV指定機床進行機床仿真或NX Motion做零件加工運動仿真，?控制器選定，機床相同的情況下可以進一步實物驗證。

可以根據指導老師的經驗和學生設計的專業、人數、產品數據量大小及可提供的條件，將一些相關虛框的內容選擇做或者不做。以機械專業的畢業設計來說方案多種多樣，例如最簡單的思路可以是①②⑤⑥⑨幾步模塊做出幾套畢業設計題目，或者①②③⑤⑥⑦和①②③④⑥⑨，還有①②⑤⑧⑨⑩?直至最后的實物驗證，都可以分配出好多種組合方式，其中④⑦⑨大量的發展方向和設計可以做，例如做一個輪胎模具，然后將工廠指定機床導入NX ISV機床庫，實現xxx模具的公/母模在xxx機床上虛擬仿真加工并導出該機床加工G代碼。

第③④步中的工業設計和注塑模具設計可以換成其他專業重點研究方向，例如汽車或航空專業的選擇鈑金模具設計或者NX其他設計模塊等等。

圖1 基于NX的畢業設計基本思路

2.2 基于NX軟件的畢業設計實踐

實踐一：基于NX可以實現任何機械加工零部件的建模設計及數控加工編程。

二級齒輪減速器的設計是為高等院校機械類和近機類專業的本、專科學生在學完機械設計課程后所設置的一個重要課程設計[2]，畢業設計可以基于前面所學的內容進一步在NX CAD設計繪制減速器的零部件，如，主動齒輪、從動齒輪的結構設計，傳動軸承、傳動軸及聯軸器和連接鍵等關鍵傳動結構的設計。并在NX裝配（Assembly）完成整體二級齒輪減速箱的裝配。再進一步用NX CAE對某一個零件進行有限元（Structure）分析，例如主動齒輪的動態力學分析和傳動部分的運動（Motion）機構分析，如圖2，通過分析合理的產品進一步計算機輔助加工，即NX CAM（Manufacturing）下進行刀軌驗證和NC代碼(NC Code)的生產，同時在制圖（Drafting）模塊下實現指定零件或部件的圖紙生成（Drawing）。

圖2 基于NX CAD/CAE/CAM產品設計思路結構

實踐二：基于NX某款產品模具設計及其仿真加工

注塑模具設計在NX環境通過注塑模具向導（NX Mold Wizard）來實現。整個流程包括產品的設計任務、項目初始化、分模設計、模架加載、澆注系統、頂出系統設計和冷卻系統設計等等。整個設計過程非常直觀、快捷，它的應用設計讓普通設計者也能完成一些中、高難度的模具設計[8]。

例如在NX Mold Wizard模塊對類似水杯/可樂瓶/洗手液/洗發水瓶等等常見生活用品進行吹塑模具設計，或者一些電器面殼進行壓注塑模具設計，其產品建模部分可以結合NX CAD和NX Shape studio模塊進行設計。

最后在NX Drafting 出圖相關圖紙，包括型腔、型芯，澆注口等等。并根據設計量的大小進一步加NX CAM的刀具路徑加工驗證。

實踐三：XXX機床虛擬機床建模及仿真加工

對于沒有條件實際生產的產品，可以如圖3[9]，xxx產品基于NX的xxx虛擬機床仿真加工,可以做到近乎實際加工過程的仿真并導出其系統直接應用的加工G代碼。其中數控機床的基本參數、必要的刀/卡具可以自己創建數模，放置到機床庫、刀具庫或創建加工模板并激活。

其中CSE采用通用仿真引擎，NC代碼驅動的數控程序進行仿真，不依賴于后置輸出的擴展，CSE驅動數控程序仿真可基于產品加工刀具軌跡或NC代碼進行仿真模擬。但由于它不針對特定機床，因而加工時間的模擬沒有VNCK精確。

圖3 基于UG NX的虛擬機床仿真加工結構

VNCK驅動的控制系統是將Siemens 840D控制器的內核VNCK集成到NX CAM中，真實的控制系統，它直接作用于機床，專門用于控制機床的程序，解釋機床代碼（比如G代碼、M代碼等等）、并控制機床所有運動包括快速運動、孔加工固定循環等都可進行精確模擬[10]，其模擬結果與在真實機床加工一樣。其使用方法是將加工刀軌經過后置處理成為NC代碼，基于NC代碼來進行仿真。仿真的NC代碼會將被讀入到虛擬NC控制器內核內進行驗證和語法查，然后再被傳送到前端的VNCK顯示面板進行仿真。

實踐四：基于NX的XXX產品加工設計裝配及運動仿真

例如XXXX沖壓機床的建模及運動仿真，其中包含刀庫、刀架和機械手建模及運動仿真。一般應選擇有結構關系的一套產品，基于NX CAD進行設計，裝配，干涉或間隙分析，最后通過NX Motion運動仿真和分析，結合沖壓設計工具集進一步設計鈑金產品并在NX下實現鈑金沖壓驗證。

3 結論

目前國內外用高端軟件工具熟練掌握先進設計方法的人才需求旺盛。針對高校機械設計專業畢業設計中存在選題難的問題，本文提出基于NX軟件的CAD/CAE/CAM工具集結合NX其他功能模塊，如Mold Wizard/NX Motion/ISV機床仿真等等，結合先進的設計理念和方法確定一組學生的畢業設計題目并進行實踐。結果證明，學生能夠很快進入課題，熟悉并掌握優化設計方法、三維建模、計算機仿真加工和有限元分析軟件幾種現代設計方法，同時培養了學生的團結協作精神和嚴謹的科研態度，使學生具備了加強專業知識，提高專業技能和適應市場需求的技能[2]。

[1] 樸敏. 論提高工科畢業論文設計質量的若干思考[J]. 才智, 2009(30): 226-226.

[2] 崔朝霞, 賀向新, 那日蘇. 基于課程設計內容確定畢業設計課題的探討與實踐[J]. 教內蒙古師范大學學報(教育科學版), 2012(5): 157-159.

[3] 宿永起. 200L物料桶中空吹塑模具CADCAECAM關鍵技術研究[D]. 遼寧工業大學, 2013.

[4] 薛輝, 李家浦, 丁超. UG宇龍數控仿真軟件在數控加工中的應用[J]. 科技展望, 2015(18): 13-13.

[5] 武云東. 蝸輪蝸桿—圓錐齒輪減速器虛擬裝配的研究[D]. 華北電力大學, 2012.

[6] 張濤. 數控旋切機典型件三維造型設計及有限元分析[D]. 河北工業大學, 2011.

[7] 李黎. 污水處理廠尾水發電站水輪機全流場的CFD分析[D]. 西華大學, 2010.

[8] 陳青夏建生. 基于NX的注塑模設計[M]?電子工業出版社, 2014(3): 5-6

[9] 李曉東. 基于UGNX/ISV的數控加工仿真 [J]. 機床與液壓, 2010(3): 121-123.

[10] 李海泳楊楠. NX加工仿真在航空制造企業的實施與應用[D]. CAD/CAM與制造業信息化, 2013.

Topic Selection and Practice of Graduation Design Based On NX Software

QI Mu-ge, CUI Zhao-xia, LI Zong-xue*

(College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Inner Mongolia Hohhot 010051, China)

In recent years, with the expansion of college enrollment and the lack of teacher resources, in addition, many college ask of "one person, one subject" for the graduation design，Lead to difficulty Among young teachers in topic selection and practice. this paper propose an idea of the design based on the NX PLM software to determine graduation project, with the modern advanced computer aided design ideas and methods into the graduation design. The subject of graduation design is derived from expanding professional knowledge and solving practical problems, also it is proved in the graduation design to verify practicability and superiority of this method on the mechanical design’ students and manufacturing automatic’ students.

Topic selection of graduation design; NX software; NX PLM design

TP319.9;G642.477;G712

B

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.004

內蒙古工業大學科學研究項目(X201404)-《數控機床》實驗仿真平臺的建立與應用

其木格(1978-)，女，碩士研究生，主要研究計算機輔助設計及制造；崔昭霞(1973-)，女，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究領域為計算機輔助工程分析、機械設計。

李宗學(1979-)，男，主要研究方向：機械制造及其自動化。

其木格，崔昭霞，李宗學. 基于NX軟件的畢業設計選題與實踐[J]. 軟件，2018，39（12）：14-18