UGNX 在CAD/CAM 技术课程教学中的应用研究

万宇杰 毕翔

（江汉大学机电与建筑工程学院湖北武汉430056）

UGNX 在CAD/CAM 技术课程教学中的应用研究

万宇杰 毕翔

（江汉大学机电与建筑工程学院湖北武汉430056）

《CAD/CAM技术》课程是高校机械类应用型本科人才培养的一门主要专业课。依据CAD/CAM技术课程内容与UGNX软件关系，针对课程教学中普遍存在重点内容难于取舍的实际问题,本文以UGNX软件在该课程中的应用为背景,提出了运用理论与实践相结合的方法和措施解决问题。多年教学实践证明，提高了学生运用理论解决工程实际问题的能力,毕业生综合能力得到用人企业的好评。

CAD/CAMUGNX教学实践

引言

通过对目前国内高校开设的《CAD/CAM技术》课程调研发现,教学课时大都在32-40学时，其内容主要集中在CAD/CAM系统介绍、CAD/CAM软件开发方法、图形处理技术、建模技术、计算机辅助工程分析、计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助数控加工编程、计算机辅助质量、计算机辅助生产管理与运行控制、CAD/CAM系统集成等方面。表现出内容多，重难点突出，上课后效果差。主要原因是课程涉及学科广，学生在十分有限的课堂时间和上机时间里把握不好重点，根本不可能掌握众多复杂知识，上机实验时，有时还需要在好几个应用软件之间切换，对实验室人员及设备要求都很高，导致该课程实施后的教学效果不理想，由此可见必须提出有效的解决办法，通过教学实践证明，解决的主要办法是：针对不同层次的学生采用不同的教学内容，我国是一个生产制造大国，要让培养的人才能在现阶段能快速充实到先进的设计和生产第一线是当前主要任务，国内应用型本科人才的培养就是为了解决此类问题提出的，此类学生数量十分庞大，解决好该课程的教学改革意义十分重大。目前,我国在机械CAD/CAM技术的研究与应用方面与世界先进的制造业国家相比还有较大差距,为我国现代机械制造业培养一大批具备CAD/CAM技术的人才成为了高校机械类专业人才培养的重要任务。针对高校整体学时压缩的现状，如何正确科学合理的开展《CAD/CAM技术》课程教学就成为这项重要任务中的当务之急，让学生在有限的学时里获益最大是一个非常值得研究的课题。本文正是基于这些原因,研究了UGNX在教学中的应用与实践,重点研究解决在实际教学中内容取舍的等问题。

一、CAD/CAM技术课程内容与UGNX软件关系

CAD/CAM技术即计算机辅助设计和计算机辅助制造技术,是一门应用计算机来协助人们进行产品设计和制造的综合性技术。CAD主要指以计算机为核心工具来辅助进行产品设计过程中的各项工作,如草图绘制、几何造型、虚拟装配设计和模拟仿真及分析计算等,从而提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本。CAM是指利用计算机完成从生产准备到产品制造过程中的相关活动,包括计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。其CAD/CAM作业过程图见图1。

图1 CAD/CAM作业过程图

UGNX是目前产品设计领域的主流软件之一，UG NX是下一代数字化产品开发系统，是一个由西门子UGS PLM软件开发，集CAD/CAM于一体的产品生命周期管理软件，UGNX支持产品开发的整个过程，从概念（CAID），到设计（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。UGNX具有完备的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要；UG允许以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程；运用数字化仿真性能来改善产品质量，减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，提供联接UG所有加工模块的基础框架，可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改，定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，优化加工工艺；UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～4轴的车削加工和电火花线切割。UG主要客户包括：汽车、航空航天、造船以及美国军方，几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG进行设计，充分体现UGNX在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力。可见，将UG软件应用在《CAD／CAM技术》课程教学中，前景看好，特别是学生熟练掌握了该软件后就有进入一流大公司工作的机会。

二、结合UGNX软件确定《CAD／CAM技术》课程的重点教学内容

针对应用型本科机械类学生，教授内容应该不同，结合CAD/CAM技术课程实际,确定重点教学内容。CAD/CAM技术课程从课程体系上主要分为三个模块，一是CAD/CAM基础理论,主要包括:CAD/CAM的基本概念、技术的应用与发展，基本结构、基本原理和CAD/CAM系统硬件、软件组成、软件系统、应用与发展;计算机图形学的基础知识，图形的几何变换、图形裁剪技术、消隐技术、真实感技术等计算机图形学基础；程序化处理技术、文件化处理技术、数据库技术等数据处理技术；三维建模知识，以线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模为主的三维建模技术；二是CAD/CAM应用技术,主要包括:有限元分析为主的计算机辅助工程；计算机辅助工艺过程设计;计算机辅助数控编程和逆向工程原理、逆向工程系统组成及逆向工程应用实例。三是CAD/CAM系统集成与新技术，从CAD/CAM作业过程图（图1）可见,产品的设计及生产牵涉的内容多,难点多，对人才素质要求高。

图2 UG CAD/CAM工作流程

UG NX是CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。UGS NX支持产品开发的整个过程，从设计到制造的完整流程。它的包括概念设计、工程设计、工程分析和自动化制造等功能，UGNX软件的功能主要有:①CAD模块,包含了实体建模、特征建模、自由曲面建模、工程图、装配建模及模具设计模块。②CAE模块,该模块涵盖了有限元分析、机构仿真和注塑模分析等许多与常用CAE设计功能相关的子功能模块。③CAM模块,该模块涵盖了加工基础、后处理、车削加工、铣削加工和电火花加工等子功能模块；④主模型的数据管理方法，从主模型直接转到其他应用模块中，实现在各个模块中共享产品设计数据。

从图2可以看出，CAM模块与实际生产紧密相关，提高UGNX软件的学习就能很好将理论与实践结合，从而实现全数字化制造。

图3 UGNX 8.0数控加工信息流

图3为UGNX 8.0数控加工信息流图，由图2和图3可见,CAD/CAM的相关技术在UGNX软件中大都有所体现和应用,因此可以将CAD/CAM技术基本知识与UGNX软件应用结合起来,通过UGNX来辅助CAD/CAM技术课程教学内容的开展是十分有效的一件工作。

课程教学重点集中在二维草图、三维造型、工程图形成、零部件装配、运动学仿真、有限元分析、数控加工等内容上。

三、结合UGNX软件探讨课程教学重点内容取舍

3.1 重点突出三维造型模块核心构图功能

如图4所示,在学习“图形视图”时,可用UGNX软件进行复杂实体的三维造型,对实体模型进行剖切的动态观察,从而加深学生对模型结构的理解,直观的认识CAD/CAM中剖切技术的应用和实现，提高学生的学习兴趣。

图4产品零件三维视图及任意截面剖切视图

图5旋转剖工程图实例

3.2 明确制图模块在实际生产中的价值及作用

UGNX的制图功能是将三维模型转换为二维工程图，以满足传统加工手段的需要。由于UG的工程图与三维模型是完全关联的，因此，修改三维模型，二维工程图会自动做相应的修改，这就保证了三维模型与二维图的一致性，减少了工程技术人员的劳动量，降低了错误率。值得注意的是，工程图引用三维模型数据，而不能通过修改工程图来达到修改相应的三维模型的数据的目的。

3.3 熟练掌握装配模块

图6减速器装配实例

产品的三维模型设计完成后，就要进行三维装配，而三维装配可以进行绝对定位装配，UG中还提供了约束装配,就是通过对两个要装配的对象使用多种约束，以保证对象间的相对位置。图6为学生进行上机实验的减速器装配效果图。

3.4 加工模块的仿真意义领会

图7数控机床多轴加工零件仿真画面图

在学习CAM技术中“数控程序编制”时,可以通过播放UGNX加工模块中动画来验证CAM技术在实际工程加工中的意义。图7是五轴联动加工中心仿真截图,其是研究了五轴联动加工中心坐标变换的后置处理算法，根据刀轴矢量推导各角度的计算公式、刀位点在新的工件坐标系中坐标值的计算后得到仿真效果图。

3.5 学生上机实践成果示例

在CAD/CAM技术课程实践教学中,可以采用UGNX任务引领的方法来提高学生的实践能力。课程开始时,可以给定某些复杂机构设计任务书,学生在CAD/CAM技术课程学习中所接到的零件部件的实践任务书，此任务要求学生在上机实验时,通过应用课堂上所学理论知识,依次完成典型零件的实体造型、辅助分析、加工仿真等任务,最后学生在综合运用前面所掌握的实践技巧基础上,对零件进行装配及运动仿真,最终完成任务。图6为学生部分作品。

图8学生部分产品三维造型图

四、结语

《CAD/CAM技术》课程体系的突破口在于现代计算机技术、机械设计和机械制造技术的有机融合，强化与工程实际结合较紧密的重点内容，突出的观念首先要跟上时代的步伐，要以本课程体系的优化为目标，以现代CAD/CAM技术为平台，针对当今世界制造业的发展现状，努力适应现代设计、现代分析、现代制造技术对专业人才的需求；改善与CAD/CAM相关联的一系列课程，最终实现在无纸环境中的设计与加工、虚拟样机的制作，努力提高现代化教学层次和教学目标，为学生高层次就业提高重要的砝码。

[1]王隆太.机械CAD/CAM[M].机械工业出版社,2010.

[2]曹建树,王殿君,代峰燕,等.应用型本科“CAD/CAM”课程的教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2010,29(5):106～107.

[3]江洪,郦祥林.UGNX8.0典型实例解析[M].机械工业出版社, 2012.5

Research on Application of UG In Teaching CAD/CAM Course

WAN yujie，BI xiang，(School of Electro-mechanical and Architectural Engineering,Janghang University,Wuhan 430056,China;)

The CAD/CAM technology course is a mechanical type of application-oriented talents cultivation in colleges and universities is a branch of the main courses.Based on UGNX software relationship with CAD/CAM technology course content,In view of the curriculum teaching in the universal existence key content difficulty with choices actual problem,this article take the UGNX software in this curriculum application as a background,proposed a combination of theory and practice of using methods and measures to solve the problem.Years of practice shows,improved students'ability to apply theory to solve practical problems, praised graduates ability to get employers.

CAD/CAM;UG;teaching practice

万宇杰男（1969-），男，湖北孝感人，江汉大学机电与建筑工程学院副教授，主要研究方向为工程材料、CAD/CAM、机电一体化。

项目支持：1.武汉市属高校教学研究重点项目（项目编号2013002）2.江汉大学机电与建筑学院项目(项目编号JD008-2013)