基于NX软件的毕业设计选题与实践

其木格，崔昭霞，李宗学



基于NX软件的毕业设计选题与实践

其木格，崔昭霞，李宗学*

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

针对近几年随着本科院校的招生规模的扩大和教师资源的缺少，再加上好多学校针对本、专科毕业设计提出了“一人一题”的要求，导致年轻教师毕业设计选题与实践成为难题。本文提出了基于NX全寿命周期软件设计确定毕业设计课题的思路，将现代的、先进的计算机辅助设计方法和思路，结合各自专业特点融入到毕业设计中，从拓展知识和解决实际问题出发，衍生出学生毕业设计的课题，并在机械设计制造和机械制造及其自动化两个专业的毕业学生中实践和验证了本方法的可行性和优越性。

毕业设计选题；NX软件；全寿命周期设计

0 引言

毕业设计和毕业论文是高校本科、专科培养方案中的重要组成部分，是在大学毕业和走上工作岗位之前的最后的一个教学环节。是前面所学的所有教学环节的一个继续、深化和检验，目的在于培养学生综合运用所学知识和技能，得到分析和解决实际问题能力，其实践性和综合性是其它环节所不能替代的。

毕业设计和毕业论文选题应符合人才培养目标要求，具有相当程度的综合性和专业知识覆盖面，应当力求有利于巩固、深化和扩大学生所学的专业知识，有利于培养学生的实践能力与创新精神[1]。毕业设计的选题应当结合生产、科研和实验室建设等实际任务，也可以选择从实际中提炼出的题目。从学生实际出发，合理安排课题的性质、难度、份量和综合训练要求。

近年来，各高校本科生的规模都有不同程度的扩增，学生人数的增加造成教学资源的严重紧张，尤为突出的是高水平、有经验的指导毕业设计教师的短缺。为提高学生毕业设计质量，避免毕业设计题目重复，内容雷同，部分高校提出一个人一个题目，且要求各不相同、各具特色的要求[2]。这虽然可以提高学生独立思考的能力，有助独立解决实际问题的能力，但也使指导教师任务加重，更加剧了一些缺乏经验的教师指导毕业设计的难度。由此导致一些高校的毕业设计存在不同程度地的质量下降的趋势，本科毕业设计正面临着一定程度的困难局面[2]。而且目前国内现状更是很难满足普通高校的本、专科毕业设计达到实际操作机械装置或设计出实际机械产品的目的。但是对工程类毕业生的熟练掌握先进设计方法（高端软件工具）的需求旺盛。为了达到毕业设计目标，并培养适合市场急需的人才，本文基于NX软件提出，选择灵活结合NX PLM(全寿命周期)软件各个模块,到从设计、装配、出图到运动仿真、加工仿真或仿真分析，甚至机床仿真加工到实际加工代码的生成，从而达到近乎现实的产品设计及加工操作等来掌握先进的设计方法，完成灵活的毕业设计的目的。也可尝试由不同专业学生组成的跨专业联合设计题目，学生各自承担课题中与自己专业培养目标相关的部分。

1 基于NX软件的毕业设计选题的探讨

NX是西门子公司推出的一款涉及产品全寿命周期的软件，可以解决产品概念设计到工程制造的各个方面，包含了企业中应用最广泛的集成应用套件。除了用于计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助制造（CAM）的工具集以外，NX 还支持组织之间进行协同，可以为毕业设计小组的每一位同学提供集成式数据管理、自动化的流程、决策支持以及其他有助于优化开发流程的工具。为毕业设计中的产品设计及加工过程提供数字化造型和验证手段，也可以为实际产品验证提供前期的优化和解决方案。

毕业设计可以涉及的NX主要工具集有：

（1）NX CAD工具集

NX CAD模块作为NX最基本模块，是其他各个模块的基础和引入，与其他所有模块数据实时链接和共享。具有高效的机械建模，装配建模和制图功能，注重灵活，细节以满足设计任何复杂产品的需要。NX优于一般的设计软件工具在于其可以做到工业造型设计、曲面建模、机械结构设计、工装卡具设计及其参数化驱动和相关装配及其出图上。建模思路基于机械加工工艺，并遵循机械加工过程，从毛坯建模到粗加工特征建模到再到精加工特征建模的过程。参数化建模中包含其后续加工或者加工方法属性。例如一个圆柱形结构设计在其参数化建模中为其后续加工方法奠定了是钻孔加工还是螺纹孔加工方法，在加工中我们可以通过参数化特征识别自动生成加工工艺参数和相关加工方法和刀具等。

（2）NX专业设计模块的工具集

NX专业设计模块例如模具设计模块，可以做到吹塑模具设计、注塑模具设计及其标准件模板化调用。基于最初的CAD设计产品做到型腔、型芯设计，分型面创建，浇注口、分流道、型腔布局的设计，动模、定模、顶出等等都在专业模块下轻松做到。

NX可以说涉及制造业的各个方向，就钣金设计模块来说、一般钣金设计、航空钣金设计直到冲压钣金设计及其验证，再到冲压机床运动仿真，甚至还有专用船舶设计，汽车设计自动化工具等可以即专业又形象的进行设计。

NX管线布局工具集也可以从逻辑管线布局到电器管线布局和机械管线布局各有特点和优势。为实现虚拟产品更加一码特色。

（3）NX CAE工具集

NX CAE工具集主要包括仿真、确认和优化产品的强度、振动和热力学分析，可以执行与多物理场合耦合有关的高端分析。例如，可以做到抗疲劳耐久分析、动力传动分析、散热分析、震动和相应分析、热/流耦合分析、灰尘和湿度分析等，可以做到车身NVH分析、电子冷却系统、引擎系统分析等等。

（4）NX CAM工具集

NX CAM是加工基础模块，提供联接NX所有加工模块的基础框架，适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心。主要包括有通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程，还有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。还可以实现基于特征的加工、高速铣、涡轮铣削、CMM数控测量编程、多功能编程、机床刀具仿真、后处理及基于控制器的G代码生成。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、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，以减少使用培训时间并优化加工工艺。

而且NX软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关[3]。 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[3-4]。

（5）NX二次开发

可以通过以最简单的Open Grip/Open API/ Open C++等等解释性语言，可以完成绝大多数曲线，实体CAD操作功能，生成的文件可以被UI Styler二次开发的菜单.men文件调用，也可被Open API(C语言)或者Open C++调用[5]。通过Open Grip函数调用,Open C，是最强大的二次开发工具，可以实现草图，三维实体曲面，产品装配，汽车模块，模具模块，知识工程，CAM加工，有限元FEM，数据库操作等所有NX功能的二次开发[6]。一般情况下，不需要做任何修改。例如UG后处理模块（Postbuilder）中，机床类型、主轴、机床各轴，进给率，刀具描述等都已经由Java生成的工具语言完成。在Postbuilder窗口中的任何可视化修改，都会自动修改这些工具语言。也可以使用VB，Java等语言，通过对NX安装目录的.set, .template, .dat,.dlg,. men文件和数据库进行操作来达到上述二次开发工具同样的效果。这也是UG二次开发工具强大之处[7]。

2 基于NX软件的毕业设计选题的实践

NX与西门子PLM的其他解决方案的完全无缝连接对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。特别对于工程类院校的机械工程，材料工程和汽车、航空工程的毕业设计来说，目前国内广泛引进和应用的NX软件，可以满足毕业设计通过熟练掌握高端软件工具达到掌握和应用先进设计方法的目的。

2.1 基于NX的毕业设计基本思路

由于NX几乎涉制造业的每一个环节，即产品的全寿命周期，小到一个零件设计，大到一个产品的每一个组件及其相关设计和加工方式都可以用于本/专科毕业设计环节。

基于NX的毕业设计基本思路如图1，①从一个产品的基本思路开始，例如给定大体形状参数、容量参数、材质要求做到设计一款洗衣液瓶的模具设计及其仿真加工，②NX CAD下基本建模或通过逆向工程获得（NX有相关的支持），③NX shape studio下优化形状参数，④NX Mold Wizard创建数模的吹/注塑模具设计（可以根据零部件数据的多少分给几位同学协同工作），⑤相关零部件进行装配,例如塑料瓶盖或模具装配，⑥加工件或相关零件出图（例如：型腔或型芯）⑦XN CAE进行有限元结构分析，例如型腔壁厚结构力学分析，⑧NX CAD环境下为进一步加工设计工装卡具，设计专用刀具等等，⑨NX CAM对指定加工零部件进行计算机辅助设计和刀具路径验证，⑩NX CAM 进行后处理生成NC/G代码，⑪进一步在的NX ISV指定机床进行机床仿真或NX Motion做零件加工运动仿真，⑫控制器选定，机床相同的情况下可以进一步实物验证。

可以根据指导老师的经验和学生设计的专业、人数、产品数据量大小及可提供的条件，将一些相关虚框的内容选择做或者不做。以机械专业的毕业设计来说方案多种多样，例如最简单的思路可以是①②⑤⑥⑨几步模块做出几套毕业设计题目，或者①②③⑤⑥⑦和①②③④⑥⑨，还有①②⑤⑧⑨⑩⑪直至最后的实物验证，都可以分配出好多种组合方式，其中④⑦⑨大量的发展方向和设计可以做，例如做一个轮胎模具，然后将工厂指定机床导入NX ISV机床库，实现xxx模具的公/母模在xxx机床上虚拟仿真加工并导出该机床加工G代码。

第③④步中的工业设计和注塑模具设计可以换成其他专业重点研究方向，例如汽车或航空专业的选择钣金模具设计或者NX其他设计模块等等。

图1 基于NX的毕业设计基本思路

2.2 基于NX软件的毕业设计实践

实践一：基于NX可以实现任何机械加工零部件的建模设计及数控加工编程。

二级齿轮减速器的设计是为高等院校机械类和近机类专业的本、专科学生在学完机械设计课程后所设置的一个重要课程设计[2]，毕业设计可以基于前面所学的内容进一步在NX CAD设计绘制减速器的零部件，如，主动齿轮、从动齿轮的结构设计，传动轴承、传动轴及联轴器和连接键等关键传动结构的设计。并在NX装配（Assembly）完成整体二级齿轮减速箱的装配。再进一步用NX CAE对某一个零件进行有限元（Structure）分析，例如主动齿轮的动态力学分析和传动部分的运动（Motion）机构分析，如图2，通过分析合理的产品进一步计算机辅助加工，即NX CAM（Manufacturing）下进行刀轨验证和NC代码(NC Code)的生产，同时在制图（Drafting）模块下实现指定零件或部件的图纸生成（Drawing）。

图2 基于NX CAD/CAE/CAM产品设计思路结构

实践二：基于NX某款产品模具设计及其仿真加工

注塑模具设计在NX环境通过注塑模具向导（NX Mold Wizard）来实现。整个流程包括产品的设计任务、项目初始化、分模设计、模架加载、浇注系统、顶出系统设计和冷却系统设计等等。整个设计过程非常直观、快捷，它的应用设计让普通设计者也能完成一些中、高难度的模具设计[8]。

例如在NX Mold Wizard模块对类似水杯/可乐瓶/洗手液/洗发水瓶等等常见生活用品进行吹塑模具设计，或者一些电器面壳进行压注塑模具设计，其产品建模部分可以结合NX CAD和NX Shape studio模块进行设计。

最后在NX Drafting 出图相关图纸，包括型腔、型芯，浇注口等等。并根据设计量的大小进一步加NX CAM的刀具路径加工验证。

实践三：XXX机床虚拟机床建模及仿真加工

对于没有条件实际生产的产品，可以如图3[9]，xxx产品基于NX的xxx虚拟机床仿真加工,可以做到近乎实际加工过程的仿真并导出其系统直接应用的加工G代码。其中数控机床的基本参数、必要的刀/卡具可以自己创建数模，放置到机床库、刀具库或创建加工模板并激活。

其中CSE采用通用仿真引擎，NC代码驱动的数控程序进行仿真，不依赖于后置输出的扩展，CSE驱动数控程序仿真可基于产品加工刀具轨迹或NC代码进行仿真模拟。但由于它不针对特定机床，因而加工时间的模拟没有VNCK精确。

图3 基于UG NX的虚拟机床仿真加工结构

VNCK驱动的控制系统是将Siemens 840D控制器的内核VNCK集成到NX CAM中，真实的控制系统，它直接作用于机床，专门用于控制机床的程序，解释机床代码（比如G代码、M代码等等）、并控制机床所有运动包括快速运动、孔加工固定循环等都可进行精确模拟[10]，其模拟结果与在真实机床加工一样。其使用方法是将加工刀轨经过后置处理成为NC代码，基于NC代码来进行仿真。仿真的NC代码会将被读入到虚拟NC控制器内核内进行验证和语法查，然后再被传送到前端的VNCK显示面板进行仿真。

实践四：基于NX的XXX产品加工设计装配及运动仿真

例如XXXX冲压机床的建模及运动仿真，其中包含刀库、刀架和机械手建模及运动仿真。一般应选择有结构关系的一套产品，基于NX CAD进行设计，装配，干涉或间隙分析，最后通过NX Motion运动仿真和分析，结合冲压设计工具集进一步设计钣金产品并在NX下实现钣金冲压验证。

3 结论

目前国内外用高端软件工具熟练掌握先进设计方法的人才需求旺盛。针对高校机械设计专业毕业设计中存在选题难的问题，本文提出基于NX软件的CAD/CAE/CAM工具集结合NX其他功能模块，如Mold Wizard/NX Motion/ISV机床仿真等等，结合先进的设计理念和方法确定一组学生的毕业设计题目并进行实践。结果证明，学生能够很快进入课题，熟悉并掌握优化设计方法、三维建模、计算机仿真加工和有限元分析软件几种现代设计方法，同时培养了学生的团结协作精神和严谨的科研态度，使学生具备了加强专业知识，提高专业技能和适应市场需求的技能[2]。

[1] 朴敏. 论提高工科毕业论文设计质量的若干思考[J]. 才智, 2009(30): 226-226.

[2] 崔朝霞, 贺向新, 那日苏. 基于课程设计内容确定毕业设计课题的探讨与实践[J]. 教内蒙古师范大学学报(教育科学版), 2012(5): 157-159.

[3] 宿永起. 200L物料桶中空吹塑模具CADCAECAM关键技术研究[D]. 辽宁工业大学, 2013.

[4] 薛辉, 李家浦, 丁超. UG宇龙数控仿真软件在数控加工中的应用[J]. 科技展望, 2015(18): 13-13.

[5] 武云东. 蜗轮蜗杆—圆锥齿轮减速器虚拟装配的研究[D]. 华北电力大学, 2012.

[6] 张涛. 数控旋切机典型件三维造型设计及有限元分析[D]. 河北工业大学, 2011.

[7] 李黎. 污水处理厂尾水发电站水轮机全流场的CFD分析[D]. 西华大学, 2010.

[8] 陈青夏建生. 基于NX的注塑模设计[M]｡电子工业出版社, 2014(3): 5-6

[9] 李晓东. 基于UGNX/ISV的数控加工仿真 [J]. 机床与液压, 2010(3): 121-123.

[10] 李海泳杨楠. NX加工仿真在航空制造企业的实施与应用[D]. CAD/CAM与制造业信息化, 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

内蒙古工业大学科学研究项目(X201404)-《数控机床》实验仿真平台的建立与应用

其木格(1978-)，女，硕士研究生，主要研究计算机辅助设计及制造；崔昭霞(1973-)，女，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究领域为计算机辅助工程分析、机械设计。

李宗学(1979-)，男，主要研究方向：机械制造及其自动化。

其木格，崔昭霞，李宗学. 基于NX软件的毕业设计选题与实践[J]. 软件，2018，39（12）：14-18