邢秀琴，邢秀娟，葉志忠，高春強(qiáng)

（1．中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051；2．山西晉緣網(wǎng)絡(luò)有限公司，山西 太原030000；3．太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

在工程圖學(xué)的教學(xué)過程中，模型作為必不可少的教具可以輔助學(xué)生圖學(xué)能力的培養(yǎng)［1］。傳統(tǒng)的教學(xué)模型因其容易損壞、不便攜帶、不能修改、不能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能很好地滿足教學(xué)要求，教學(xué)模型軟件的設(shè)計(jì)、制作已成為工程圖學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。本文采用UG軟件設(shè)計(jì)、制作教學(xué)模型，輔助工程圖學(xué)的教學(xué)，更好地培養(yǎng)學(xué)生的圖學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)新模型軟件的功能

工程圖學(xué)的教學(xué)中模型能輔助從三維形體到二維圖形或者二維圖形到三維形體的想象，有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和圖學(xué)素養(yǎng)［2，3］。要制作模型需要掌握如下三維設(shè)計(jì)軟件：AutoCAD、SolidWorks、UG、Pro／Engineer等，對(duì)于剛?cè)雽W(xué)的學(xué)生來說很快掌握這些軟件很不現(xiàn)實(shí)，如果只是將生成的模型展示在學(xué)生的面前發(fā)揮不出學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力，調(diào)動(dòng)不了學(xué)生的積極性。針對(duì)這些情況，為了創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，本文的模型制作軟件要達(dá)到以下要求：

（1）模型制作應(yīng)有真實(shí)感、制作過程應(yīng)能體現(xiàn)操作者的動(dòng)手能力，能輔助工程制圖教學(xué)。通過生成的模型使得課程中的難點(diǎn)變得容易理解，能有效提高操作者的空間思維能力和創(chuàng)造思維能力。

（2）軟件應(yīng)簡單、容易操作。在沒有掌握三維繪圖軟件的前提下就能經(jīng)過簡單的操作生成相應(yīng)的模型。

（3）軟件應(yīng)能讓學(xué)生進(jìn)行較簡單的構(gòu)形設(shè)計(jì)，并生成相應(yīng)的立體模型和三視圖。

（4）應(yīng)有一定數(shù)量的基本模型庫及其二維視圖庫，供參考和學(xué)習(xí)。

三維模型軟件的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維模型軟件的組成結(jié)構(gòu)圖

2 UG的二次開發(fā)

模型軟件的制作主要依靠三維設(shè)計(jì)軟件，本文通過C＋＋語言對(duì)UG軟件進(jìn)行二次開發(fā)來設(shè)計(jì)模型軟件。

UG軟件是由美國 Unigraphics Solutions of EDS公司開發(fā)的 CAD／CAM／CAE 一體化軟件［4，5］，UG／OpenAPI是Unigraphics軟件中的一個(gè)重要模塊，是UG的二次開發(fā)工具之一。UG／OpenAPI是UG與外部應(yīng)用程序之間的接口，是UG軟件為用戶提供的最主要的開發(fā)工具。UG／Open API工具功能比較強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)UG的絕大部分操作，易于進(jìn)行交互操作，UG軟件的二次開發(fā)工具關(guān)系圖如圖2所示。UG／Open支持C、C＋＋、NX C＋＋、GRIP、．NET、Java六種語言，其中C＋＋既支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)也支持面向過程的程序設(shè)計(jì)，所以UG軟件的二次開發(fā)常用C＋＋集成環(huán)境進(jìn)行編譯［6］。

圖2 UG二次開發(fā)工具關(guān)系圖

3 UG軟件二次開發(fā)在教學(xué)模型軟件制作中的應(yīng)用

由于操作對(duì)象是沒有掌握UG軟件的學(xué)生，因此模型軟件生成的模型只是借助UG軟件來間接生成立體模型，而不是直接通過對(duì)UG操作來生成模型。

3．1 人機(jī)交互界面的建立

本文利用C＋＋開發(fā)工具對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)，建立方便快捷的人機(jī)交互界面，在UG原有功能的基礎(chǔ)上增加了新的功能，如立體截切、基本體疊加等選項(xiàng)，如圖3所示。通過對(duì)這些選項(xiàng)的操作借助UG軟件生成三維模型，擺脫了只有掌握UG軟件的操作才能生成三維模型的限制。由于不會(huì)涉及到UG軟件的其他操作，相應(yīng)界面的操作變得簡單、容易。這里具體到每一個(gè)選項(xiàng)的功能設(shè)置應(yīng)根據(jù)UG對(duì)每一功能實(shí)現(xiàn)的具體方法而定。

圖3 模型軟件的菜單制作

3．2 基于UG的三維模型制作過程

為實(shí)現(xiàn)生成模型不依賴于直接操作UG軟件而是通過C＋＋在后臺(tái)調(diào)用UG軟件的方法，首先對(duì)要求制作的模型進(jìn)行分類，然后設(shè)置相應(yīng)的功能選項(xiàng)。此模型主要是為教學(xué)用，所以模型的分類應(yīng)與課堂內(nèi)容相結(jié)合。

以工程圖學(xué)課程中立體截切部分的內(nèi)容為例，來研究教學(xué)模型的建立。在脫離使用UG軟件操作的前提下，先調(diào)出基本立體模型，然后直接在界面上選取截切位置點(diǎn)來生成相應(yīng)截切操作的模型是不可能實(shí)現(xiàn)的。為此提出了設(shè)置約束點(diǎn)參數(shù)來確定截切位置，生成相應(yīng)的三維模型的方法。具體操作步驟如下：①建立基本立體模型的數(shù)據(jù)庫；②設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)，通過程序調(diào)用基本立體；③對(duì)操作的內(nèi)容以及截切的相關(guān)模式進(jìn)行分析，設(shè)置約束點(diǎn)轉(zhuǎn)換成UG上能實(shí)現(xiàn)的操作。設(shè)置的約束點(diǎn)應(yīng)具有一定范圍的適用性，能概括某一類或某幾類截切操作。

為了更好地配合教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量，軟件中約束點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)與立體截切部分的教學(xué)思路相一致。

在立體截切部分，約束點(diǎn)是根據(jù)截切種類來設(shè)置的，每種約束方式適應(yīng)一種及以上的截切種類。由于不能直接用UG生成模型，為了能通過UG軟件間接地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的模型，先對(duì)截切樣式進(jìn)行了分析，然后通過分析選取合適的、能概括某一種或幾種截切類型的約束點(diǎn)。圖4是為了實(shí)現(xiàn)圓柱截切模型的界面，根據(jù)3種截切樣式設(shè)置的相應(yīng)約束點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)。選取截切樣式，并對(duì)約束點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行合理的賦值后，由程序控制利用UG軟件生成如圖5所示的立體模型和相應(yīng)的三視圖。

圖4 約束點(diǎn)的設(shè)置

圖5 生成的立體模型圖和三視圖

4 結(jié)論

本文利用C＋＋開發(fā)UG軟件，主要針對(duì)工程圖學(xué)的教學(xué)進(jìn)行了不同于以往的功能的開發(fā)。對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)后的軟件不僅可以使圖形或三維模型的生成有直觀性的操作、發(fā)揮了學(xué)生的構(gòu)形設(shè)計(jì)能力，而且操作過程擺脫了須掌握UG軟件的限制。此軟件通過設(shè)置約束點(diǎn)參數(shù)在UG上成功地生成了相應(yīng)的三維模型，解決了在沒有掌握三維繪圖軟件UG的前提下生成立體模型的難題。利用此軟件操作者可以自己動(dòng)手操作生成相關(guān)的模型，使得課程中的難點(diǎn)變得容易理解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效地提高了學(xué)生的空間思維能力和創(chuàng)新能力，為更好地提高教學(xué)質(zhì)量提供了技術(shù)前提。

［1］ 李虹．畫法幾何及機(jī)械制圖網(wǎng)CAI教學(xué)系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：164－169．

［2］ 趙國霞．工程圖學(xué)虛擬模型庫系統(tǒng)的開發(fā)與研究［D］．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2006：1－3．

［3］ 祝錫晶．超聲光整加工及表面成型技術(shù)［M］．北京：中國科學(xué)文化出版社，2005．

［4］ 童秉樞．談工程圖學(xué)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008（6）：1－6．

［5］ 史麗媛．基于UG參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究［J］．圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：108－112．

［6］ 何麗．基于UG的 Web三維零件庫系統(tǒng)開發(fā)［J］．機(jī)床與液壓，2012，40（11）：91－94．