UG NX在工业设计专业《工程制图》课程改革中的应用

王振宁　王倩

摘要：探讨了UG NX软件在《工程制图》课程教学中的应用，提出了基于UG NX三维设计软件的《工程制图》教学模式，弥补了传统工程制图教学方法的一些不足之处。

关键词：UG NX；工程制图；教学改革

1.引言

《工程制图》课程是以画法几何的投影理论为基础，研究用投影法解决空间几何体投影问题，在平面上表达空间物体的一门体现工科特点的专业基础学科，也是工科学生必须学习的专业基础课程之一，该课程具有很强的实践性。工程制图课程主要的任务是培养学生的空间想象能力和读图构形能力。

要学好《工程制图》，要求学生具有丰富的想象能力和较强的空间思维能力，传统教学中在讲解画法几何、机件的常用表达方法两部分时，主要以平面图形进行讲解，对于初次接触工程制图，立体思维比较差的同学来讲具有不小的难度。这会直接影响学生的学习态度以及后续内容的学习效果。将三维机械设计软件引入到《工程制图》课堂教学中，可以使学生很直观地了解到零件的建模过程，三维机械设计软件高效的建模能力、逼真的显示效果、多角度的生动、直观地展示，避免了传统教学实物模型的成本高、数量少、直观性较差的缺点，另外将三维模型导入制图模块进行投影，实现了由3D到2D的转换，训练了学生的空间想象能力，同时激发了学生的学习兴趣。

2.UGNX软件简介

UG NX是集CAD/CAM/CAE于一体的三维设计软件，可以进行参数化和非参数化建模，具有强大的实体、曲面造型、虚拟装配及工程图等功能，广泛的应用在汽车、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域。

UG NX软件主要由四大模块组成的，主要包括CAD、CAM、CAE、其他应用模块。其中CAD模块又包括基础、实体建模、特征建模、制图、装配等模块。《工程制图》教学中将会用到其中大部分子模块。在课堂教学中，经常需要教师快速地修改模型以适应教学需要，UGNX独有的同步建模技术完美的解决这一需求。

三维软件的设计数据在导入其他三维软件后，其建模记录或特征消失，转变为无参数、无建模特征记录的实体，对于这样的模型，要对其进行编辑和修改。大多数三维软件都无能为力，另外比较复杂且关联程度较高的模型，想要通过庞杂的特征记录找到需要修改的特征，且能保证相关联的其他特征也能按照设定修改成功是比较困难的。而UG NX 6.0加入的同步建模功能完美的解决了上述问题。

同步建模技术又称直接建模技术，是Siemens PLM Software推出基于Parasolid实体建模内核的编辑修改模型工具。同步建模是基于面的建模方法。通过对面的操作、约束、重用来建立和修改模型；而无须考虑该模型的建模思路、方法和关联性。通过采用简单快捷的同步建模命令，无需考虑零件设计过程和关联性，即可实现对有参或无参零件模型快速的编辑和修改。

3.UG NX软件在《工程制图》课程重点教学环节的应用技巧

3.1点、线、面投影教学环节

在点、线、面投影的教学环节，学生初步接触投影知识，空间想象能力较弱，此时不应在三维软件中单独做点、线、面的造型，而应将点、线、面与三维立体模型相结合，使学生学习中有较强空间立体感。增加学习的兴趣，强化学习的效果，从而为学习后续的课程打下坚实的基础。

可以通过对三维立体模型中相应的点、线、面赋予不同的颜色，以突出显示这些要素。同时调整整个立体所有面的透明度，使得学生能“看透”整个立体。另外结合工程图中“长对正、高平齐、宽相等”的三视图，来强化学生对点、线、面投影规律的认识。

3.2截交线投影部分教学环节

在截交线投影的教学环节，可以将已经创建好的三维模型通过“拆分体”命令或者拉伸求差的方式，使用平面（截平面）将几何体分割成两个或多个部分。隐藏多余的部分。留下教学需要的主体部分，对截交线赋予突出的颜色，以使学生从立体中更直观的认识截交线，配合工程图中的三视图理解被截切的立体投影的画法。另外，使用同步建模中的“移动面”命令，可以随时改变截平面的位置，从而动态的观察截平面位置的变化对截交线形状、大小及其投影的影响（图1）。

3.3相贯线投影部分教学环节

对于相贯线的投影可以采用截交线教学中类似的做法辅助教学：

（1）赋予相贯线突出的颜色，并把整个立体设置一定的透明度，从而增强学生对相贯线的空间形状的认识。

（2）结合工程图模块中的三视图，学习并理解相贯线的投影。

（3）使用同步建模中“调整面大小”命令，可以快速修改圆柱体和球体直径，从而让学生很直观地了解两立体体积变化引起的相贯线形状的变化。

（4）使用同步建模中“移动面”命令或者“剪切面”命令，可以通过选中某个立体所有面并拖动，从而改变该立体的位置，以实时观察两立体位置变化引起的相贯线形状的变化（图2）。

3.4组合体投影部分教学环节

3.4.1绘制叠加型组合体

在绘制叠加型组合体投影时，要按照投影规律逐个画出组成组合体的各基本立体的三视图。但在绘图时需考虑下列问题：

（1）因为基本立体之间遮挡引起的粗实线变细虚线问题。

（2）两基本立体相交，因为平齐、相切的表面连接关系引起的消线问题。

（3）两基本立体相交，因为相交的表面连接关系引起的补画相贯线的问题。

（4）两基本立体相交，原属立体的部分表面，因为变成实体内部引起的消线问题。

上述实虚转换、消线、补线等问题，如果只看书中给出的组合体轴测图，是很难全部想象出其二维投影中的这些问题。

针对这一情况，可以在教学中采用下列步骤和方法：

步骤一：在UG NX中提前创建好该组合体的各基本立体（保持每个基本立体都是独立的实体对象）；

步骤二：在工程图中创建该组合体的三视图；

步骤三：隐藏全部基本立体；

步骤四：显示第一个主要基本立体，观察工程图中的图形；

步骤五：显示第二个主要基本立体，观察工程图中图形的变化；

步骤六：通过求和的布尔运算，使第二个和第一个基本立体成为一个实体，结合实体观察工程图中图形的变化；

步骤七：按照步骤五、步骤六，完成整个组合体的绘制。

通过上述步骤可以使学生充分地理解叠加型组合体画法中的实虚转换、消线、补线等问题。

3.4.2看组合体视图

在组合体例题和习题中，题型多为已知两个视图。补画第三视图。需要学生根据现有两个已知视图想出立体的空间形状，并且画出第三视图投影。

在讲解教材中组合题画图和读图的相关例题时。需要依次画出组合体各组成部分的投影，并需要考虑多方面因素，修改部分粗实线实线为细虚线，或者擦除部分线条，或者补画部分线条。许多课件对这些过程的展示，或不够细致，课件将绘图过程中的多个步骤一次性展示出来，或步骤混乱，不符合绘图顺序，无法满足教师本人的教学要求。同时这些课件或为Flash课件无法修改，或为PPT课件，可以修改，但作出整个解题过程的动画相当复杂。耗时。书中大量例题动画的制作，对教师本人的PPT使用技巧和耐心都是极大的考验。另外对于习题册中大量的习题根本没有现成的课件可以用。

对于这些情况，一种授课方式可以预先绘制出该组合体三维模型，并在工程图中创建该组合体的三视图，在授课过程中通过建模环境下的特征重复命令依次播放建模的各个过程，同时随时切换到工程图观察第三视图的变化。这种方式是以展示的方式，把结果呈现在学生面前，但学生印象不够深刻。

要想加深学生的印象，许多教师通过传统板书、AutoCAD软件或电子教鞭等方式通过一步步绘图展示解题过程，这些方式各有优缺点：

（1）传统板书绘图：直接在黑板上绘图，需要教师具有较强的徒手绘图能力，且绘制图形较小，大班上课时后排同学很难看清；

（2）电子教鞭绘图：通过该软件提供的直线工具直接在屏幕上绘制图形，绘图时需控制所绘图形和已知图形大体上保持长对正。高平齐，宽相等，一旦绘错，很难或无法修改，且虚线和圆弧曲线很难绘制；

（3）AutoCAD软件绘图：克服了上述缺点。但在绘制过程中。需要确定整个组合体的尺寸才能绘图，否则不精确绘图很难控制图形“长对正、高平齐、宽相等”，如果没有满足上述条件，则后续很难调整，这一缺点使得该方式很难用于教学过程；

（4）三维软件草图绘制：因为保持几何约束，因此绘图过程只需绘制出已知视图的大概形状，然后通过拖动线条以微调图形具体的形状、各部分大小。使图形基本符合书中或例题中所给图形即可，拖动线条的过程中，几何约束关系保持不变，绘制过程中也可以通过“水平”、“竖直”、“相切”等几何约束确保了图形的正确绘制。

在绘制其他视图时，则可以根据解题步骤依次绘制和修改各部分图形。绘制过程中与上述方式相同，但可以通过“共线”、“点在线上”、“等长”、“等半径”等几何约束以保证多个视图中的图形“长对正、高平齐、宽相”等。

作为绘图工具，三维软件草图绘制的方法在解题绘图过程中高效、准确，建议在工程制图课程中广泛使用。

3.5剖视图投影部分教学环节

剖视图教学过程中，仅从二维投影视图讲解，多数同学对全剖、半剖、局部剖的使用范围及其区别不能理解，针对这种情况，可以预先作出3种剖切方式的模型以供教学使用。教师可以通过3种零件不同的外观和内部结构特点，有针对性地讲解3种剖视图在使用范围上的不同之处。

传统教学中一般先绘制出几何体的基本视图，再由基本视图转化为剖视图，这也是大量习题和考试中采用的解题方法。由视图转为剖视图需要完成下列四个步骤：

步骤一：擦除部分粗实线或细虚线；

步骤二：将余下的细虚线转化为粗实线；

步骤三：绘制剖面线；

步骤四：添加视图标注。

其中上述步骤中，难点在于第一步擦除哪部分粗实线或细虚线。针对这一问题，教师可以预先创建一个综合了去除粗实线和细虚线多种情况的立体模型用于课堂教学，同时针对剖视图中经常出现的漏线或多线问题。采用剖切的立体模型逐一示范教学，使学生能够认识到剖视图绘制过程中容易犯的错误。

3.6装配图投影部分教学环节

多数教材和课件中的“装配图的画法”这一小节，一般按照装配示意图——装配图——拆画零件图的设计过程及顺序（三维机械设计中自顶向下的设计方法）讲解，这种设计过程即便是工作多年的制图教师或工厂技术人员都很难完成，因此多数学生都很难理解，通过三维设计软件，可以简化绘制装配图的过程，使得设计人员无需关注立体投影的结果，而把关注的重点放在机械设计工作本身，在授课过程中，老师可以针对三维机械设计软件“自底向上”以及“自顶向下”的两种设计方法，分别给学生做介绍，使得学生认识现代设计方法。同时针对“自底向上”的设计，重点举例讲解。

4.结束语

通过UG Nx的辅助教学手段，不仅能够使抽象、枯燥的教学模式变得生动有趣，富有情境化。还能够帮助学对重点和难点问题的学习困难，更重要的是这一辅助教学手段培养了学生的空间想象能力、空间思维能力，使学生的读图、识图能力增强，从而激发学生对专业的学习兴趣，培养学生学习的主动性和创造性，进而提升创新能力，使工业设计专业《工程制图》课程能够真正成为为其他专业课程学习奠定坚实图形基础的教学内容。