UG軟件輔助教學(xué)及建設(shè)3D模型資源庫的研究

趙海彬 伏彩建 侯玉潔

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 江蘇·徐州 221011）

0 引言

UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。UG軟件功能強(qiáng)大，是交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造)系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)，創(chuàng)建仿真動畫，生成加工程序。廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、模具、家電、玩具、電子、汽車、造船等行業(yè)[1]。

我校高職機(jī)械專業(yè)必修課程主要有《機(jī)械制圖》《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《數(shù)控加工工藝》《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-UG》，課程均具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。高職層次的學(xué)生缺乏實(shí)踐性認(rèn)識，不能學(xué)以致用，舉一反三，在知識學(xué)習(xí)積累過程中，理論與實(shí)踐脫節(jié)，同時，學(xué)生理論課堂的參與程度不高，有畏難情緒，學(xué)習(xí)興趣不高，基于以上學(xué)情分析，在專業(yè)課程的授課過程中，部分知識點(diǎn)的教學(xué)建議采用“項(xiàng)目引領(lǐng)，任務(wù)為驅(qū)動”的教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，用實(shí)踐反補(bǔ)理論，增強(qiáng)學(xué)生理論知識[2]。在教學(xué)過程合理利用UG軟件創(chuàng)建教學(xué)輔助模型，能提高學(xué)生的識圖繪圖的能力，形成三維建模思維，運(yùn)用3D模型（動畫）直觀、形象、具體的呈現(xiàn)在學(xué)生面前，借助UG參數(shù)化建模的可編輯型，實(shí)時對模型的參數(shù)、數(shù)據(jù)、尺寸進(jìn)行修改，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加深對理論知識的理解，從而提高教學(xué)效果。

1 UG軟件在課程中的應(yīng)用

1.1 UG軟件在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械制圖是機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)會識圖、繪圖，培養(yǎng)學(xué)生三維空間想象力，提取零件的關(guān)鍵幾何元素，以三維的角度去考慮零件，在UG軟件中構(gòu)建三維教學(xué)模型，零件具體化、形象化，便于觀察隱藏的邊線、剖析內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以幫助學(xué)生快速、準(zhǔn)確的識圖，提高教學(xué)效果。

機(jī)制制圖中表面交線主要有截交線、相貫線，是教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，采用取點(diǎn)法繪制交線難度較大，如繪制兩個互相垂直的圓柱體相交處的相關(guān)線，可以在UG軟件總采用參數(shù)驅(qū)動的方法進(jìn)行建模，如圖1所示，立體的展示兩圓柱相交時相貫線的形狀，通過改變圓柱直徑這個參數(shù)，讓學(xué)生對相交線有直觀、立體、清晰的了解，讓相貫線這個知識點(diǎn)立體化，降低學(xué)習(xí)難度。

圖1：兩圓柱相交時相貫線

圖2：組合體及3D剖視圖

繪制組合體三視圖，考查學(xué)生的思考能力及空間想象力，完整準(zhǔn)確的繪制復(fù)雜組合體的三視圖，僅依靠投影、空間想象力，學(xué)生很難想象出組合體的三維形態(tài)，在UG中繪制三維模型，如圖2右側(cè)圖所示，用三維模型指導(dǎo)二維平面圖，對于培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象力非常有幫助，特別是型腔類零件，如圖2左側(cè)圖所示，通過剖切視圖查看其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效果。

繪制零件圖單純的依靠空間想象力，部分學(xué)生會漏畫隱藏線，局部特征表達(dá)不完整，在UG軟件中繪制三維模型，可幫助觀察零件結(jié)構(gòu)特征，并借助于視圖（主視圖、俯視圖、左視圖）選項(xiàng)，清晰繪制零件圖的三視圖；對應(yīng)復(fù)雜裝配圖，學(xué)生理解難度較大，課堂教學(xué)不方便進(jìn)行現(xiàn)場裝配，在UG軟件中創(chuàng)建裝配體，可以利用裝配體的爆炸視圖清晰、直觀、形象的理解各個零部件之間的配合關(guān)系，教學(xué)效果顯著。

1.2 UG軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是高職機(jī)械類專業(yè)核心課程，主要講授機(jī)構(gòu)中常見的傳動方式，其中平面連桿機(jī)構(gòu)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，其機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于活塞式發(fā)電機(jī)、縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)、顎式破碎機(jī)、儀表指示等機(jī)構(gòu)[3]，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，在滿足一定的桿長條及確定的機(jī)架可分為：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)；在理論課的教學(xué)過程中僅憑PPT課件、教學(xué)動畫，學(xué)生理解較難，缺乏主動的思考認(rèn)知。在UG軟件中進(jìn)行四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模如圖3所示，設(shè)置桿件的尺寸約束為主要參數(shù)變量，四個桿件長度命名為L1，L2，L3，L4，并將長度參數(shù)存儲于對應(yīng)的桿件上，按照實(shí)際的約束關(guān)系進(jìn)行虛擬裝配，讓學(xué)生參與修改構(gòu)件長度值，演化為其他四桿機(jī)構(gòu)，并在仿真模塊中進(jìn)行動畫仿真，讓學(xué)生真正的參與到四桿結(jié)構(gòu)的構(gòu)建中，理解桿長條件，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的互動，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[4]。

圖3：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

圖4：UG軟件標(biāo)準(zhǔn)件庫

機(jī)構(gòu)設(shè)備中必不可少標(biāo)準(zhǔn)件的使用，常用標(biāo)準(zhǔn)件有螺栓、平鍵、軸承等，這些零部件都是設(shè)備中使用最多的，但課堂教學(xué)很難能將標(biāo)準(zhǔn)件的所有規(guī)格、型號等進(jìn)行全面講解，可以利用UG軟件重用庫如圖4所示，不需要創(chuàng)建模型，直接調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行講解，通過下拉列表，能全面查看標(biāo)準(zhǔn)件的型號、規(guī)格。

1.3 UG軟件在數(shù)控課程中的應(yīng)用

職業(yè)教育培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才，數(shù)控課程是一門實(shí)踐性、綜合性要求較高的課程，要求學(xué)生掌握零件的加工工藝，學(xué)會編制復(fù)雜零件的加工程序。UG軟件中的CAM模塊，依據(jù)零件圖的要求，選擇合理的加工工藝，設(shè)置加工參數(shù)，優(yōu)化刀具路徑，最后生成零件的加工仿真動畫，通過后處理生成加工數(shù)控加工程序，通過UG軟件的模擬加工仿真過程，快速了解加工工藝，強(qiáng)化工藝規(guī)程，解決設(shè)備不足，實(shí)訓(xùn)課時較少的難題，操作計(jì)算機(jī)比操作機(jī)床安全、便捷，節(jié)省加工時間，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新能力[5]。

1.4 UG軟件在畢業(yè)論文中的應(yīng)用

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高職畢業(yè)前需要完成的最重要的一項(xiàng)任務(wù)，撰寫論文對高職學(xué)生是很大的挑戰(zhàn)，理論性的論文難度更大，可借助強(qiáng)大UG軟件展開，例，基于UG的某機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動態(tài)仿真，基于UG某零件的工藝分析及加工仿真。筆者曾指導(dǎo)過學(xué)生的畢業(yè)論文“基于UG一種新式液壓虎鉗與鉗口的設(shè)計(jì)”，應(yīng)用UG軟件設(shè)計(jì)了一款新型虎鉗，并對局部進(jìn)行優(yōu)化，在UG軟件中完成了零件的建模及虎鉗的整體裝配，并進(jìn)行了簡單的運(yùn)動仿真，體現(xiàn)了學(xué)生對本專業(yè)綜合知識的運(yùn)用能力，將想法付諸圖上，立體的展示與表達(dá)，提高了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

2 創(chuàng)建在線教學(xué)資源庫

UG軟件主要功能有三維模型、部件裝配、二維制圖、運(yùn)動仿真、加工仿真、有限元分析等，在機(jī)械類專業(yè)教學(xué)過程中，通過引入UG軟件，繪制輔助教學(xué)模型，發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，讓學(xué)生參與模型的創(chuàng)建，邊學(xué)邊思考，避免“滿堂灌”的教學(xué)方式，提高學(xué)生空間想象力，提高學(xué)習(xí)效果[6]。

鑒于UG軟件在課程教學(xué)中諸多優(yōu)點(diǎn)，新冠肺炎疫情下，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)成為常態(tài)化。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有一定便捷性，在智慧職教（職教云）網(wǎng)絡(luò)平臺上建設(shè)3D教學(xué)模型資源庫，將機(jī)械專業(yè)涉及的教學(xué)圖例進(jìn)行匯總，在三維軟件UG中創(chuàng)建3D模型，并在智慧職教平臺創(chuàng)建教學(xué)資源庫，可充分利用UG軟件及“職教云”平臺的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)教學(xué)資源的局限，多學(xué)科共建、共享，以創(chuàng)新教學(xué)模式，改進(jìn)教學(xué)方法，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生隨時隨地自主學(xué)習(xí)，交互學(xué)習(xí)，不僅僅局限于課堂學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

利用“職教云”平臺搭建資源庫，采用UG軟件創(chuàng)建3D模型[7]，從教學(xué)模型表達(dá)入手，符合人們的認(rèn)知規(guī)律及設(shè)計(jì)活動順序，同時也符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的要求。從機(jī)械制圖/機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)/CAD等課程教材教參中的圖例入手，并結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)案例，考慮學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，將3D模型資源庫分為四個子資源庫，分別是：典型零件庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、裝配庫、運(yùn)動仿真庫，專業(yè)教師在課堂教學(xué)時，可以通過職教云平臺直接調(diào)用教學(xué)模型，在今后的教學(xué)過程中，任課教師，企業(yè)輔導(dǎo)教師可根據(jù)實(shí)際需求對資源庫進(jìn)行添加新的教學(xué)案例，完善教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)共建、共享，使資源庫創(chuàng)建的模型庫滿足多學(xué)科教學(xué)需求。

3 總結(jié)

隨著時代發(fā)展，教學(xué)手段多樣化、信息化程度不斷提高，利用UG軟件繪制3D教學(xué)模型，三維立體化的教學(xué)模式是將專業(yè)點(diǎn)與3D模型相結(jié)合，通過教學(xué)實(shí)踐證明，在教學(xué)過程中采用3D模型，可大大增加課堂的吸引力和趣味性，提高學(xué)生的三維空間的想象力；共建、共享型3D模型教學(xué)資源庫，為教師的教學(xué)提供了便利和參考，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，為培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型人才提供基礎(chǔ)。