UGNX 在CAD/CAM 技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

萬宇杰 畢翔

（江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院湖北武漢430056）

UGNX 在CAD/CAM 技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

萬宇杰 畢翔

（江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院湖北武漢430056）

《CAD/CAM技術(shù)》課程是高校機(jī)械類應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的一門主要專業(yè)課。依據(jù)CAD/CAM技術(shù)課程內(nèi)容與UGNX軟件關(guān)系，針對(duì)課程教學(xué)中普遍存在重點(diǎn)內(nèi)容難于取舍的實(shí)際問題,本文以UGNX軟件在該課程中的應(yīng)用為背景,提出了運(yùn)用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法和措施解決問題。多年教學(xué)實(shí)踐證明，提高了學(xué)生運(yùn)用理論解決工程實(shí)際問題的能力,畢業(yè)生綜合能力得到用人企業(yè)的好評(píng)。

CAD/CAMUGNX教學(xué)實(shí)踐

引言

通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)高校開設(shè)的《CAD/CAM技術(shù)》課程調(diào)研發(fā)現(xiàn),教學(xué)課時(shí)大都在32-40學(xué)時(shí)，其內(nèi)容主要集中在CAD/CAM系統(tǒng)介紹、CAD/CAM軟件開發(fā)方法、圖形處理技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理與運(yùn)行控制、CAD/CAM系統(tǒng)集成等方面。表現(xiàn)出內(nèi)容多，重難點(diǎn)突出，上課后效果差。主要原因是課程涉及學(xué)科廣，學(xué)生在十分有限的課堂時(shí)間和上機(jī)時(shí)間里把握不好重點(diǎn)，根本不可能掌握眾多復(fù)雜知識(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，有時(shí)還需要在好幾個(gè)應(yīng)用軟件之間切換，對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員及設(shè)備要求都很高，導(dǎo)致該課程實(shí)施后的教學(xué)效果不理想，由此可見必須提出有效的解決辦法，通過教學(xué)實(shí)踐證明，解決的主要辦法是：針對(duì)不同層次的學(xué)生采用不同的教學(xué)內(nèi)容，我國(guó)是一個(gè)生產(chǎn)制造大國(guó)，要讓培養(yǎng)的人才能在現(xiàn)階段能快速充實(shí)到先進(jìn)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)第一線是當(dāng)前主要任務(wù)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)就是為了解決此類問題提出的，此類學(xué)生數(shù)量十分龐大，解決好該課程的教學(xué)改革意義十分重大。目前,我國(guó)在機(jī)械CAD/CAM技術(shù)的研究與應(yīng)用方面與世界先進(jìn)的制造業(yè)國(guó)家相比還有較大差距,為我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)培養(yǎng)一大批具備CAD/CAM技術(shù)的人才成為了高校機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。針對(duì)高校整體學(xué)時(shí)壓縮的現(xiàn)狀，如何正確科學(xué)合理的開展《CAD/CAM技術(shù)》課程教學(xué)就成為這項(xiàng)重要任務(wù)中的當(dāng)務(wù)之急，讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)里獲益最大是一個(gè)非常值得研究的課題。本文正是基于這些原因,研究了UGNX在教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐,重點(diǎn)研究解決在實(shí)際教學(xué)中內(nèi)容取舍的等問題。

一、CAD/CAM技術(shù)課程內(nèi)容與UGNX軟件關(guān)系

CAD/CAM技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù),是一門應(yīng)用計(jì)算機(jī)來協(xié)助人們進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的綜合性技術(shù)。CAD主要指以計(jì)算機(jī)為核心工具來輔助進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)工作,如草圖繪制、幾何造型、虛擬裝配設(shè)計(jì)和模擬仿真及分析計(jì)算等,從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本。CAM是指利用計(jì)算機(jī)完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造過程中的相關(guān)活動(dòng),包括計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP)、工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、制造過程控制、質(zhì)量檢測(cè)與分析等。其CAD/CAM作業(yè)過程圖見圖1。

圖1 CAD/CAM作業(yè)過程圖

UGNX是目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流軟件之一，UG NX是下一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，是一個(gè)由西門子UGS PLM軟件開發(fā)，集CAD/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件，UGNX支持產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程，從概念（CAID），到設(shè)計(jì)（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。UGNX具有完備的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，為制造設(shè)計(jì)提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設(shè)計(jì)任何復(fù)雜產(chǎn)品的需要；UG允許以數(shù)字化的方式仿真、確認(rèn)和優(yōu)化產(chǎn)品及其開發(fā)過程；運(yùn)用數(shù)字化仿真性能來改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少或消除對(duì)于物理樣機(jī)的昂貴耗時(shí)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建，提供聯(lián)接UG所有加工模塊的基礎(chǔ)框架，可以在圖形方式下觀測(cè)刀具沿軌跡運(yùn)動(dòng)的情況并可對(duì)其進(jìn)行圖形化修改，定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫(kù)、加工工藝參數(shù)樣板庫(kù)使初加工、半精加工、精加工等操作常用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)化加工工藝；UG 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，該模塊適用于目前世界上幾乎所有主流NC機(jī)床和加工中心，該模塊在多年的應(yīng)用實(shí)踐中已被證明適用于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。UG主要客戶包括：汽車、航空航天、造船以及美國(guó)軍方，幾乎所有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和大部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都采用UG進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)UGNX在高端工程領(lǐng)域，特別是軍工領(lǐng)域的強(qiáng)大實(shí)力。可見，將UG軟件應(yīng)用在《CAD／CAM技術(shù)》課程教學(xué)中，前景看好，特別是學(xué)生熟練掌握了該軟件后就有進(jìn)入一流大公司工作的機(jī)會(huì)。

二、結(jié)合UGNX軟件確定《CAD／CAM技術(shù)》課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)應(yīng)用型本科機(jī)械類學(xué)生，教授內(nèi)容應(yīng)該不同，結(jié)合CAD/CAM技術(shù)課程實(shí)際,確定重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。CAD/CAM技術(shù)課程從課程體系上主要分為三個(gè)模塊，一是CAD/CAM基礎(chǔ)理論,主要包括:CAD/CAM的基本概念、技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，基本結(jié)構(gòu)、基本原理和CAD/CAM系統(tǒng)硬件、軟件組成、軟件系統(tǒng)、應(yīng)用與發(fā)展;計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，圖形的幾何變換、圖形裁剪技術(shù)、消隱技術(shù)、真實(shí)感技術(shù)等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)；程序化處理技術(shù)、文件化處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等數(shù)據(jù)處理技術(shù)；三維建模知識(shí)，以線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模為主的三維建模技術(shù)；二是CAD/CAM應(yīng)用技術(shù),主要包括:有限元分析為主的計(jì)算機(jī)輔助工程；計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程和逆向工程原理、逆向工程系統(tǒng)組成及逆向工程應(yīng)用實(shí)例。三是CAD/CAM系統(tǒng)集成與新技術(shù)，從CAD/CAM作業(yè)過程圖（圖1）可見,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)牽涉的內(nèi)容多,難點(diǎn)多，對(duì)人才素質(zhì)要求高。

圖2 UG CAD/CAM工作流程

UG NX是CAD/CAE/CAM于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件。UGS NX支持產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程，從設(shè)計(jì)到制造的完整流程。它的包括概念設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程分析和自動(dòng)化制造等功能，UGNX軟件的功能主要有:①CAD模塊,包含了實(shí)體建模、特征建模、自由曲面建模、工程圖、裝配建模及模具設(shè)計(jì)模塊。②CAE模塊,該模塊涵蓋了有限元分析、機(jī)構(gòu)仿真和注塑模分析等許多與常用CAE設(shè)計(jì)功能相關(guān)的子功能模塊。③CAM模塊,該模塊涵蓋了加工基礎(chǔ)、后處理、車削加工、銑削加工和電火花加工等子功能模塊；④主模型的數(shù)據(jù)管理方法，從主模型直接轉(zhuǎn)到其他應(yīng)用模塊中，實(shí)現(xiàn)在各個(gè)模塊中共享產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

從圖2可以看出，CAM模塊與實(shí)際生產(chǎn)緊密相關(guān)，提高UGNX軟件的學(xué)習(xí)就能很好將理論與實(shí)踐結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化制造。

圖3 UGNX 8.0數(shù)控加工信息流

圖3為UGNX 8.0數(shù)控加工信息流圖，由圖2和圖3可見,CAD/CAM的相關(guān)技術(shù)在UGNX軟件中大都有所體現(xiàn)和應(yīng)用,因此可以將CAD/CAM技術(shù)基本知識(shí)與UGNX軟件應(yīng)用結(jié)合起來,通過UGNX來輔助CAD/CAM技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的開展是十分有效的一件工作。

課程教學(xué)重點(diǎn)集中在二維草圖、三維造型、工程圖形成、零部件裝配、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、有限元分析、數(shù)控加工等內(nèi)容上。

三、結(jié)合UGNX軟件探討課程教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容取舍

3.1 重點(diǎn)突出三維造型模塊核心構(gòu)圖功能

如圖4所示,在學(xué)習(xí)“圖形視圖”時(shí),可用UGNX軟件進(jìn)行復(fù)雜實(shí)體的三維造型,對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行剖切的動(dòng)態(tài)觀察,從而加深學(xué)生對(duì)模型結(jié)構(gòu)的理解,直觀的認(rèn)識(shí)CAD/CAM中剖切技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖4產(chǎn)品零件三維視圖及任意截面剖切視圖

圖5旋轉(zhuǎn)剖工程圖實(shí)例

3.2 明確制圖模塊在實(shí)際生產(chǎn)中的價(jià)值及作用

UGNX的制圖功能是將三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖，以滿足傳統(tǒng)加工手段的需要。由于UG的工程圖與三維模型是完全關(guān)聯(lián)的，因此，修改三維模型，二維工程圖會(huì)自動(dòng)做相應(yīng)的修改，這就保證了三維模型與二維圖的一致性，減少了工程技術(shù)人員的勞動(dòng)量，降低了錯(cuò)誤率。值得注意的是，工程圖引用三維模型數(shù)據(jù)，而不能通過修改工程圖來達(dá)到修改相應(yīng)的三維模型的數(shù)據(jù)的目的。

3.3 熟練掌握裝配模塊

圖6減速器裝配實(shí)例

產(chǎn)品的三維模型設(shè)計(jì)完成后，就要進(jìn)行三維裝配，而三維裝配可以進(jìn)行絕對(duì)定位裝配，UG中還提供了約束裝配,就是通過對(duì)兩個(gè)要裝配的對(duì)象使用多種約束，以保證對(duì)象間的相對(duì)位置。圖6為學(xué)生進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)的減速器裝配效果圖。

3.4 加工模塊的仿真意義領(lǐng)會(huì)

圖7數(shù)控機(jī)床多軸加工零件仿真畫面圖

在學(xué)習(xí)CAM技術(shù)中“數(shù)控程序編制”時(shí),可以通過播放UGNX加工模塊中動(dòng)畫來驗(yàn)證CAM技術(shù)在實(shí)際工程加工中的意義。圖7是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心仿真截圖,其是研究了五軸聯(lián)動(dòng)加工中心坐標(biāo)變換的后置處理算法，根據(jù)刀軸矢量推導(dǎo)各角度的計(jì)算公式、刀位點(diǎn)在新的工件坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的計(jì)算后得到仿真效果圖。

3.5 學(xué)生上機(jī)實(shí)踐成果示例

在CAD/CAM技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)中,可以采用UGNX任務(wù)引領(lǐng)的方法來提高學(xué)生的實(shí)踐能力。課程開始時(shí),可以給定某些復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)書,學(xué)生在CAD/CAM技術(shù)課程學(xué)習(xí)中所接到的零件部件的實(shí)踐任務(wù)書，此任務(wù)要求學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí),通過應(yīng)用課堂上所學(xué)理論知識(shí),依次完成典型零件的實(shí)體造型、輔助分析、加工仿真等任務(wù),最后學(xué)生在綜合運(yùn)用前面所掌握的實(shí)踐技巧基礎(chǔ)上,對(duì)零件進(jìn)行裝配及運(yùn)動(dòng)仿真,最終完成任務(wù)。圖6為學(xué)生部分作品。

圖8學(xué)生部分產(chǎn)品三維造型圖

四、結(jié)語(yǔ)

《CAD/CAM技術(shù)》課程體系的突破口在于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造技術(shù)的有機(jī)融合，強(qiáng)化與工程實(shí)際結(jié)合較緊密的重點(diǎn)內(nèi)容，突出的觀念首先要跟上時(shí)代的步伐，要以本課程體系的優(yōu)化為目標(biāo)，以現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)為平臺(tái)，針對(duì)當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，努力適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、現(xiàn)代分析、現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)專業(yè)人才的需求；改善與CAD/CAM相關(guān)聯(lián)的一系列課程，最終實(shí)現(xiàn)在無紙環(huán)境中的設(shè)計(jì)與加工、虛擬樣機(jī)的制作，努力提高現(xiàn)代化教學(xué)層次和教學(xué)目標(biāo)，為學(xué)生高層次就業(yè)提高重要的砝碼。

[1]王隆太.機(jī)械CAD/CAM[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]曹建樹,王殿君,代峰燕,等.應(yīng)用型本科“CAD/CAM”課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(5):106～107.

[3]江洪,酈祥林.UGNX8.0典型實(shí)例解析[M].機(jī)械工業(yè)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

萬宇杰男（1969-），男，湖北孝感人，江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)楣こ滩牧稀AD/CAM、機(jī)電一體化。

項(xiàng)目支持：1.武漢市屬高校教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2013002）2.江漢大學(xué)機(jī)電與建筑學(xué)院項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)JD008-2013)