梁莉，黃春燕，楊文超

（廣西大學(xué) 行健文理學(xué)院，廣西 南寧 530005）

0 引 言

UG 其縮寫為Unigraphics，是由美國UGS 公司研發(fā)的三維CAD/CAM/CAE 軟件系統(tǒng)。該軟件功能強(qiáng)大，可用于產(chǎn)品從三維造型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、仿真模擬、工程圖輸出，直至模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)等生產(chǎn)加工的全過程。在強(qiáng)調(diào)制造業(yè)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展基礎(chǔ)的大環(huán)境下，UG 的應(yīng)用范圍涉及汽車、船舶、航空等領(lǐng)域。隨著版本的不斷更新，其功能越來越完備，更能滿足人性化設(shè)計(jì)的需求，提高設(shè)計(jì)的效率，并縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。本文從UGNX8.0 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合其優(yōu)勢，并基于該軟件設(shè)計(jì)了一款手機(jī)后蓋，具體闡述了利用UGNX8.0 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路與流程。

1 UG NX8.0 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的常用模塊

UGNX8.0 的多種功能是通過不同模塊來實(shí)現(xiàn)的，各模塊之間既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，可以通過“開始”下拉菜單進(jìn)行切換。下面簡要介紹UGNX8.0 中涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的常用模塊及功能。

1）基本環(huán)境。這是一個(gè)交互環(huán)境，主要用于打開、創(chuàng)建、保存部件文件，工程圖創(chuàng)建、模塊選擇等一般性功能；提供視圖顯示操作、工作坐標(biāo)系操控、屏幕布局和層功能、對象信息和分析等。

2）零件建模。主要可分為實(shí)體建模、曲面建模、特征建模和鈑金特征建模。用戶可通過實(shí)體建模進(jìn)行二維和三維的參數(shù)化或非參數(shù)化模型的創(chuàng)建及相關(guān)編輯。曲面設(shè)計(jì)模塊主要用于設(shè)計(jì)造型復(fù)雜的產(chǎn)品，由于曲面的創(chuàng)建方法和過程具有一定的特殊性與技巧性，對于初級用戶而言不太容易掌握。特征建?？捎糜诳?、螺紋、凸起等特征的創(chuàng)建與編輯；允許實(shí)體面相對于指定的拔模方向成一角度，以便于部件與模具分離；可通過抽殼創(chuàng)建有一定壁厚值的殼體；可對特征進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)有規(guī)律性的關(guān)聯(lián)復(fù)制，如線性布局、圓形布局、多邊形布局等。鈑金特征建模主要用于創(chuàng)建基本鈑金特征、附加鈑金特征。在鈑金模塊下可進(jìn)行鈑金彎邊、折彎、沖孔、拐角等操作。用戶可針對所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的建模方式，同時(shí)不同建模方式下所對應(yīng)的工具欄下拉菜單或工具條按鈕中均有具體的命令，操作簡單、快捷，使建模效率得以提高。

3）裝配。產(chǎn)品往往是由一定數(shù)量的零件和部件組成的。如需按照設(shè)計(jì)要求，將這些零件和部件按一定方式組合成產(chǎn)品，則需要用到裝配模塊。UGNX8.0 可支持“自頂向下”和“自底向上”的裝配方式。所謂的自頂向下裝配是從裝配體中展開設(shè)計(jì)工作，直接創(chuàng)建新的零件。而自底向上裝配是較為常用的設(shè)計(jì)方法，是先將零件設(shè)計(jì)好，然后再按順序插入到裝配體中。用戶可通過裝配導(dǎo)航器查詢、編輯、刪除組件和約束；利用爆炸圖工具可生成裝配圖爆炸圖，清楚地反映裝配體的結(jié)構(gòu)，判斷裝配的合理性；而虛擬裝配功能可有效定位組件和設(shè)置組件間所對應(yīng)的位置關(guān)系，縮短設(shè)計(jì)周期。

4）工程圖。該模塊出圖功能強(qiáng)大，可快捷地將三維模型直接轉(zhuǎn)換為二維工程圖?！耙晥D”功能可根據(jù)圖紙頁的大小創(chuàng)建基本、標(biāo)準(zhǔn)等視圖，同時(shí)也支持自動(dòng)生成圖紙布局，并能按ISO 標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)標(biāo)注尺寸、表面粗糙度符號和注釋等；能直接對模型做簡單/階梯剖、半剖、旋轉(zhuǎn)剖、軸測剖、局部剖等操作以生成各類剖視圖。同時(shí)可通過插入“表格”功能，創(chuàng)建標(biāo)題欄、孔表、明細(xì)表等。

2 UG NX8.0 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢與特點(diǎn)

1）草圖功能完備，便于對象的繪制與修改。在創(chuàng)建模型拉伸、回轉(zhuǎn)等特征時(shí)，截面形狀需在草圖環(huán)境中進(jìn)行繪制、編輯與約束。在進(jìn)行二維草圖繪制時(shí)，草圖對象(如直線、矩形、圓、樣條曲線、圓角等)的繪制與AutoCAD 的二維繪圖功能操作基本相當(dāng)，熟悉AutoCAD 操作的用戶可輕松上手。UGNX8.0 的“約束”功能可對對象進(jìn)行定位或確定對象之間的相互關(guān)系，如：固定長度、相切、等半徑、共線等，有效提高了繪圖的精準(zhǔn)性。用戶對對象進(jìn)行標(biāo)注后，可直接修改標(biāo)注尺寸值從而改變對象的大小。而利用AutoCAD 進(jìn)行二維繪圖與編輯時(shí)，不能通過直接修改尺寸值改變對象的大小，因此需首先確定對象的相對位置和精確繪制對象的尺寸，否則會(huì)導(dǎo)致后期的修改困難。與AutoCAD 不同的是，利用UGNX8.0 可首先繪制出對象的大致輪廓，再利用約束和尺寸關(guān)聯(lián)對象的功能確定對象的精準(zhǔn)位置和尺寸，從而大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性、節(jié)省了修改的時(shí)間。

2）與Pro/E 相比較，UG 的建模優(yōu)勢在于可以進(jìn)行復(fù)合建模，支持傳統(tǒng)的顯示建模、參數(shù)化建模、基于約束的建模，并將這些工具匯集在同一建模環(huán)境下，體現(xiàn)了操作的便捷性。在三維建模中曲線是建模的基礎(chǔ)，將關(guān)系到生成曲面和實(shí)體的精度質(zhì)量。在曲面造型方面，UG 的曲面功能更為突出，提供了更為豐富的曲面構(gòu)造工具與曲面分析工具，曲面的創(chuàng)建方法有20 多種，方便用戶設(shè)計(jì)不規(guī)則曲面的產(chǎn)品。與3ds Max 相比，UG 設(shè)計(jì)出的是實(shí)體，而3ds Max 只是設(shè)計(jì)圖像，主要用于工業(yè)設(shè)計(jì)、廣告、影視制作、裝飾設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，如動(dòng)畫、角色、效果圖渲染等，無法用于制造領(lǐng)域。AutoCAD 雖然也有三維建模功能，但功能不夠完備，僅能創(chuàng)建一些簡單的三維模型，因此該軟件多用于二維平面圖的繪制。

3）能有效創(chuàng)建三維模型的二維工程圖，并與之相關(guān)聯(lián)。二維工程圖是便于工程技術(shù)人員相互溝通的一種重要圖樣形式。目前，行業(yè)中大部分仍利用AutoCAD 軟件設(shè)計(jì)出產(chǎn)品并按照裝配關(guān)系進(jìn)行二維工程圖的繪制，這樣不僅設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大且不直觀、易出錯(cuò)。而UGNX8.0 制圖界面簡潔、歸類清晰直觀，能夠?qū)⑷S模型準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為二維工程圖，插入父視圖后，系統(tǒng)可自動(dòng)對齊其余視圖，并能生成軸測視圖。且三維模型中所做的更改可自動(dòng)關(guān)聯(lián)至二維工程圖中，有效防止轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的錯(cuò)漏和不規(guī)范，增強(qiáng)了繪制二維工程圖的準(zhǔn)確性、快捷性，使用戶能夠?qū)⒏嗟臅r(shí)間與精力投入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身而非繁雜的二維工程圖繪制上。對于習(xí)慣利用AutoCAD 繪制二維工程圖的用戶而言，可先用UG 軟件進(jìn)行三維建模，轉(zhuǎn)換為二維工程圖后以dwg 格式導(dǎo)出，最后在AutoCAD 上添加符合要求的標(biāo)注、圖框和表格等內(nèi)容。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（英文縮寫為CAD）技術(shù)的發(fā)展，CAD 技術(shù)越來越多的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)者僅通過電腦的鼠標(biāo)操作便可干凈、高效、直觀地完成繁瑣的設(shè)計(jì)工作，從而掀起了一場“無紙化設(shè)計(jì)”革命。本文以手機(jī)后蓋為例，詳細(xì)介紹了利用UGNX8.0 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程。

3.1 設(shè)計(jì)流程與建模方式

產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程會(huì)根據(jù)不同的產(chǎn)品類型、特點(diǎn)、工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)軟件有所不同，下面提供利用UGNX8.0 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程與建模方式以供參考。

首先，進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，形成設(shè)計(jì)模型，把握好設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)與約束；其次，理順三維建模思路，以盡可能少的建模步驟、更直觀的建模過程、更易修改的模型為前提，提取產(chǎn)品的細(xì)節(jié)特征、草圖特征、設(shè)計(jì)特征。在平面內(nèi)完成二維草圖截面或軌跡繪制后，利用拉伸、回轉(zhuǎn)、掃掠等方式完成三維建模，各特征之間可以通過布爾操作進(jìn)行組合；然后，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行產(chǎn)品的分析、優(yōu)化與外觀處理，如疲勞分析、應(yīng)力分析、NC 仿真及優(yōu)化、動(dòng)態(tài)仿真等。最后，進(jìn)入工程圖環(huán)境，進(jìn)行圖紙頁的創(chuàng)建。在基本視圖創(chuàng)建完成后可適當(dāng)?shù)貏?chuàng)建剖視圖、局部放大圖等高級視圖，再添加標(biāo)注、注釋、表格等內(nèi)容，完成三維模型向二維工程圖的轉(zhuǎn)換。

在建模方式上，主要運(yùn)用“特征添加”的方式。這是一種更有效、更直觀、更易提取關(guān)鍵要素、表達(dá)更符合設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)習(xí)慣的方式。各特征之間是相互獨(dú)立的，可以根據(jù)需要隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù)，但各特征之間又是相互關(guān)聯(lián)的，可通過布爾操作組合，且建模的過程與后續(xù)的加工過程可以共通，在添加特征時(shí)，可順帶添加與之相關(guān)的工程制造等信息。

3.2 設(shè)計(jì)步驟

手機(jī)后蓋的整體設(shè)計(jì)尺寸為121 mm×60 mm×8 mm，在UGNX8.0 中選擇［建模］模塊進(jìn)行三維造型，具體步驟如下：

1）創(chuàng)建長方體特征。選擇［拉伸］命令，在繪制截面中選擇YZ 基準(zhǔn)平面為草圖平面繪制尺寸為60 mm×8 mm的矩形，完成草圖后選擇結(jié)束的距離值為121 mm，拉伸矢量為X 軸，得到一個(gè)符合設(shè)計(jì)尺寸的長方體。

2）選擇［邊倒圓］命令，對長方體的邊分別進(jìn)行半徑為3 mm 和10 mm 的邊倒圓操作，以完成邊倒圓特征的創(chuàng)建，如圖1 所示。

3）創(chuàng)建抽殼特征。選擇［偏置/縮放］中的抽殼命令，抽殼類型為移除面，然后抽殼，抽殼厚度為1 mm，確保手機(jī)后蓋的整體殼厚為1 mm，如圖2 所示。

4）手機(jī)后蓋上各類型特征的創(chuàng)建。后蓋上需設(shè)計(jì)有攝像頭、閃光燈、耳機(jī)、開關(guān)等功能孔。這些孔特征可通過［拉伸］命令創(chuàng)建，以功能孔所在平面為草圖平面進(jìn)行草圖的繪制后，選擇結(jié)束的距離值為2 mm，然后對殼體進(jìn)行布爾求差，完成各特征的創(chuàng)建，如圖3 所示。值得注意的是拉伸矢量會(huì)根據(jù)草圖平面方位的不同而有所不同，在選擇矢量方向的時(shí)候要視具體的方位而定。后蓋內(nèi)卡扣的創(chuàng)建操作基本如前，選擇結(jié)束的距離值為0.3 mm，然后對殼體進(jìn)行布爾求和，如圖4 所示。為確?？墼趦蓚?cè)邊的對稱性，在完成一邊的卡扣特征創(chuàng)建后，可選擇[關(guān)聯(lián)復(fù)制]中的鏡像特征命令，以XZ 為鏡像平面進(jìn)行鏡像操作。

5）外觀處理。這一步驟主要是對手機(jī)后蓋進(jìn)行著色、凹凸和透明度等參數(shù)的設(shè)置，以得到符合該產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念、時(shí)尚、流行的外觀造型。本產(chǎn)品的外表面采用具有皮革質(zhì)感的防刮花設(shè)計(jì)，制品材料為ABS+PC。選擇[可視化]中的材料/紋理命令后，在“部件中的材料”選項(xiàng)卡空白處右擊新建可視化材料，對材料外觀進(jìn)行相應(yīng)的常規(guī)、凹凸、透明度等設(shè)置，以得到所需的外觀效果，如圖5 所示。

4 結(jié) 語

“三維設(shè)計(jì)”已逐步成為設(shè)計(jì)行業(yè)中的主流，對于設(shè)計(jì)師而言要與時(shí)俱進(jìn)，具備先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)理念。UGNX8.0 的功能強(qiáng)大，通過手機(jī)后蓋設(shè)計(jì)實(shí)例可知，該軟件有著模塊分類清晰、操作直觀、相互轉(zhuǎn)換方便、建?？焖俚忍攸c(diǎn)，是一款值得學(xué)習(xí)與運(yùn)用的軟件。利用UGNX8.0設(shè)計(jì)手機(jī)后蓋為本項(xiàng)目的前段工作與成果，設(shè)計(jì)好的模型可直接導(dǎo)入到該軟件中進(jìn)行后階段的注射模具設(shè)計(jì)。

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