第1章

三维制图软件UG的使用

磨刀不误砍柴工。如果盲目制造出一个机器人，在它运动时才发现肩膀的设计影响了上肢的活动范围，或者大腿和小腿的长度比例或脚掌的设计影响了机器人的行走能力，是不是会感觉很失望？

因此，在实际制作机器人之前，先利用软件进行机器人的结构设计，通过在计算机上看仿真效果并相应进行结构调整之后，再进行实体机器人的制作，那样会更好一些。

常用的机械类计算机辅助设计（CAD）软件有UG*NX, Solidworks, CATIA, Pro/E, SolidEdge, inventor等。

本书所应用的计算机辅助设计软件为UG*NX。UG*NX相对来说功能齐全，主要包括工业设计、产品设计、模具设计、仿真和优化等功能。它的用户界面清晰明了，便于初学者操作。

UG*NX软件（Unigraphics NX，以下简称为UG）是Siemens PLM Software公司出品的。这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

1.1　常用命令介绍

本书所使用的UG*NX版本为8.5。打开UG的快捷方式如图1-1。

进入图1-2所示的UG启动界面。读者打开的界面可能与此有所不同，不要担心，初次使用UG时，会弹出一个欢迎界面，关闭即可。

顺利进入UG的启动界面，在界面的左侧寻找“角色”这个命令图标，即图1-3中的第五个图标。此命令用以选择使用者的角色。对于不同的角色，UG所显示的命令菜单是不同的（后面将详细解释）。

点击“角色”命令，会出现两个文件夹，如图1-4所示。“行业特定的”文件夹供专业人士使用，一般读者使用“系统默认”文件夹就足够了。

点击“系统默认”，会出现如图1-5所示的界面。此时会出现八个不同的角色，分别是：高级、具有完整菜单的高级功能、基本功能（推荐）、具有完整菜单的基本功能、I—deas、强大制图高级功能、具有完整菜单的强大制图高级功能、强大制图基本功能。

虽然UG软件本身推荐基本功能角色，但这个角色的菜单命令对于初学者来说不够清楚明了（至少目前的版本是如此）。因此建议选择“具有完整菜单的高级功能”角色，使用这个角色相对容易查找和使用。

选择角色后，会出现如图1-6所示的界面。点击“确定”即可。如果需要更换角色，重复以上操作，再次选择新角色就可以了。

完成角色选择后，就可以新建模型了。如图1-7所示，点击“新建”。

点击“新建”后，会出现界面（图1-8）。因为我们要先建立模型，所以直接选择右下角的“确定”键，即可进入UG软件工作界面，如图1-9所示。

进入UG软件的工作界面后，可以选择两种保存方式，一是画完模型再保存，二是先保存再画模型。本书选择后者，读者可根据自己的习惯选择适合自己的保存方式。

点击图1-9左上角的 图标，会出现如图1-10所示的界面。输入适当的名称和文件夹（文件保存路径），选择“确定”。完成以上操作，便回到了UG软件的工作界面。

下面简单介绍一下菜单和常用命令。菜单条如图1-11所示。“文件”具有新建、打开、关闭、保存和导出各种格式的图纸等功能。“视图”是为实体部件渲染艺术外观效果。“插入”中包含大部分的实体命令和草图命令。“格式”可对图层进行设置。“分析”中包括了一些简单的测量命令。其他菜单在本书中较为少用，如需了解，只需左键单击，便可查看其包含的命令。

常用的实体命令有拉伸、回转、打孔、抽壳、管道、布尔运算、倒圆角和倒斜角等。

拉伸命令是将二维草图转化成三维实体。举例而言，可以把矩形变成长方体，把圆形变成圆柱等。

回转命令是将二维草图以一条线为轴旋转一定的角度，从而形成有效的三维实体。

打孔命令，顾名思义，就是在三维实体上挖个圆孔。特别强调的是，UG软件的打孔命令非常强大，不仅可以打普通孔，还可以打螺纹孔和阶梯孔等。

抽壳命令是把实心三维实体转化成空心三维实体。例如，要画一个正方体的箱子，首先在草图环境下，绘制一个正方形，然后经拉伸命令拉伸后，形成一个正方体，最后使用抽壳命令，选择合适的厚度，即可完成正方形箱子的三维模型。

管道命令，操作对象为草图直线或曲线。目的是使草图直线或曲线转化成管道，可以实心或空心。管道命令属于插入中的扫掠。

布尔运算命令包括了实体求和、实体求差和实体求交三种运算。如果是实体求和，相当于将两个实体连接成一体。

倒圆角命令，将实体的边变成圆弧过度。

倒斜角命令，它与倒圆角命令类似，使实体边形成一个切角。

图1-12所示为三维实体的面命令，包括的命令有移动面、调整圆角大小、删除面和复制面。

图1-13所示为三维实体的曲面操作命令，包含了曲面网格和扫掠等命令。

图1-14所示为三维实体的装配命令，包括的命令有添加组件、移动组件、装配约束。做装配图时使用这一类命令比较多。在本书第3章将会进行详细介绍。

图1-15所示为弹簧三维模型直接调用命令，包含了三类弹簧，分别是圆柱压缩弹簧、圆柱拉伸弹簧和蝶形弹簧，最后一个图标为删除弹簧命令。

图1-16所示为调节背景和三维实体显示的命令。这些命令的作用在于选择合适的背景，选择合理的布局位置，以及选择合理的显示视图。

此外，鼠标的操作命令也是有一定技巧的。不同的键进行不同的搭配会产生不同的操作命令。

①滑动鼠标滚轮可以在视图上缩放三维实体或二维草图，但并未对其真实尺寸进行修改。

②按下鼠标滚轮，再移动鼠标，可以对三维实体或二维草图进行旋转，方便从各个角度查看模型。

③同时按下鼠标的滚轮和右键，可以平移三维实体或二维草图到指定位置。

鼠标的操作技巧要记牢，方便使用。

本节内容是使读者了解一下常用的三维实体命令，了解其作用及在界面中的位置，但并未对二维草图命令进行介绍。其实，在使用三维实体命令之前，要先绘制好二维草图。

二维草图是三维建模的基础。

掌握了以上知识，便可开始下一节的学习了。下一节将对二维草图命令进行详细讲解和实际绘制。

1.2　二维草图的绘制

进入草图环境之前，首先要把基准坐标系设为显示状态。在窗口右侧，点击部件导航器（从上向下的第三个图标），显示如图1-17所示的界面。鼠标右键点击灰色的基准坐标系，然后选择第一个“显示”命令，即可完成基准坐标系的显示（如图1-18）。

点击“创建草图”命令图标 ，会出现如图1-19所示的界面。它包括了草图平面、草图方向、草图原点和设置这四部分。

看起来好像命令比较多，也比较复杂和难以理解。事实上，如果建立一个草图环境，只需要选择一个平面，其他保持默认就可以了。我们可以选择基准坐标系的任意一个面，一般选择X-Y面。当然，选择X-Z面和Y-Z面也是可以成功创建草图的。

选择好平面，点击“确定”，即可进入草图绘制环境，如图1-20所示。

当草图环境建立好后，如图1-21所示的命令由灰暗变得明亮，表示这些命令可以调用。命令条中包含了绘制二维草图的基本命令，如线段、圆形、正方形和点等。草图的全部命令在“插入”菜单中可以找到。通过命令查找器，也可以查找出要使用的草图命令。

图1-22所示为草图辅助修改的命令。通过这些命令能够快速修改曲线，包括快速修剪、快速延伸、制作拐点、自动判断尺寸和几何约束。

UG软件还在草图环境中提供了快速获取点的命令，包括断点、交点、控制点、圆弧中心点和象限点等，如图1-23所示。

简单介绍完上面这些绘制草图的基本命令，下面就可以绘制草图了。我们可以在使用中逐步熟悉和体会各个命令的用途和含义。

练习1-1　绘制一个二维五角星图案

为了解释UG软件中更多命令的使用方法，我们选择一种比较普通，但相对繁琐一些的方式来绘制。点击直线命令 ，以坐标系原点为起点画一条长度为50mm，角度为90°（水平方向为0°）的直线，作为五角星一个角的中心线，图1-24所示。直线完成后如图1-25所示。

鼠标左键双击图1-25中的尺寸线，可以修改直线的长度。鼠标右键点击直线可将现有直线转化为参考线，可由实线变为点划线。

根据以上方法分别再画出四条直线，直线的角度是需要修改的。五角星相邻两个角的中心线夹角为360°÷5=72°，这就需要我们分别计算每个角的中心线与X轴的夹角，分别为18°、90°、162°、234°、306°。

显然，这种绘制方法比较麻烦，但这是一种最基本的方法。因此还是建议读者（特别是初学者）尝试一下。下面我们再介绍一种比较快捷的方法，即阵列曲线。

点击 图标右侧的黑色小三角，找到并点击阵列曲线命令，出现如图1-26所示的界面。编辑里面的参数，“选择曲线”为图1-25所画直线；“布局”选择圆形；“指定点”为坐标系原点；“数量”为5；“节距角”为72（也可以写成简单的表达式360/5）。

编辑好参数后点击“确定”，顺利生成阵列曲线。每条中心线的长度为50mm，相邻两条线的夹角为72°，如图1-27所示。我们默认把图1-25绘制的与Y轴重合的线称作“直线1”，并以顺时针的顺序依次称为“直线2”、“直线3”、“直线4”和“直线5”。

以“直线1”的上端点为起点，画一条垂直于“直线5”的直线，我们称这条线为“直线6”，如图1-28所示。

因为UG软件是默认自动捕捉垂直的，因此不需要我们对直线5和直线6的垂直做出约束。

利用同样的方法，我们可以画出过“直线1”上方端点且垂直于“直线2”的直线，我们把这条线称为“直线7”。当然也可以选择另一种方法，就是使用镜像命令。

点击 图标旁边的小三角，找到并点击镜像曲线命令。编辑图1-29所示参数，“选择对象”改为“直线6”，“选择中心线”为“直线1”。这种设定说明我们需要绘制一条镜像的直线，它以“直线1”为轴，对“直线6”做镜像。

点击“确定”，会出现如图1-30所示的界面，表明镜像曲线已经生成。我们把镜像出来的曲线称为“直线7”。

还记得前面利用阵列曲线命令一次性画出间隔72°的5条直线吗？同样，我们也可以利用“直线6”和“直线7”，与阵列中心线的方法相同，一次性画出五角星的5个角。请尝试一下。需要注意的是：图1-31中，一定要选择“单条曲线”，否则可能出现“多选”的情况。

阵列完成后，如图1-32所示，五角星的基本雏形已经有了。下一步还需要进行修剪，裁剪掉交叉曲线，只保留五个角的外轮廓。

点击快速修剪命令 ，出现如图1-33所示的对话框。

请尝试选择合适的直线作为边界，对五角星内部的直线进行修剪。修剪后的五角星如图1-34所示。

虽然此时五角星的草图已经画完，但这样看来线条比较杂乱。我们可以把尺寸线隐藏起来：用鼠标右键单击尺寸线，然后选择“隐藏”即可。

点击草图约束命令图标 ，将约束线隐藏起来。

点击 图标，出现如图1-35所示的对话框，将坐标系选择为“隐藏”。

如果顺利完成以上操作步骤，点击图标 ，最终的五角星将会如图1-36所示。顺利完成此图之后，可以尝试着绘制六角星等。

1.3　三维实体的绘制

上一节介绍了二维草图的绘制，本节主要讲解三维实体的建模。其实，要想建立一个三维实体的模型，首先需要建立一个二维草图，之后再此二维草图的基础上“拉伸”出三维实体模型。

练习1-2　将练习1-1所画的二维五角星草图转化成三维实体模型

点击拉伸命令 ，出现如图1-37所示的对话框。选择五角星的所有线段，指定矢量可以选择Z轴的正方向或负方向，“开始距离”设为−10mm，“结束距离”设为10mm。实体的拉伸效果为以五角星二维草图所在平面分别向两侧拉伸了10mm，如图1-38和图1-39所示。

点击边倒圆命令的图标 ，使三维实体五角星的各个顶角边变成圆弧过渡，请适当设置好参数，点击“确定”。三维实体五角星如图1-40所示。

点击抽壳命令的图标 ，设置参数如图1-41，点击“确定”。一个五角星形状的外框便形成了。再通过使用边倒圆命令，对内部的边进行简单的修饰，在显示隐藏对话框中将草图和基准坐标系隐藏，最后的结果如图1-42所示。

通过该例，完成了将二维的五角星草图变换成三维立体模型的工作。而我们利用对五角星实体的简单操作，也熟悉了三维建模的一些常用命令。下面再做一个简单的三维建模，画一个小房子。

练习1-3　设计一个三维立体房子模型

进入草图环境，在X-Y面上，绘制宽度为350mm，高度为200mm的矩形，点击完成草图。

点击“拉伸”图标，将所绘制的矩形拉伸250mm，参数设置如图1-43所示，点击“确定”完成拉伸，变成了一个350×200×250（单位mm）的长方体。

完成矩形的拉伸命令后，再以X-Z平面为基准平面创建草图环境，绘制如图1-44所示的三角形草图。

完成三角形草图后，对此三角形进行拉伸，拉伸350mm，参数设置如图1-45所示。完成后的图形如图1-46所示。

画好房子的基本骨架之后，再画一些门窗。以基准坐标系的X-Z平面为基准平面绘制草图，如图1-47所示。我们在初次使用该软件时可以绘制得简单一些。

完成草图后，对草图进行拉伸。可以分别先对门和大正方形进行拉伸，拉伸参数设置如图1-48所示。完成效果如图1-49所示。

然后在大正方形中再拉伸出四个小正方形：点击 图标后的小三角，选择静态线框，使被掩盖的线段显现出来。设置拉伸参数如图1-50所示。完成拉伸后，如图1-51所示。

下面为这个小房子添加烟囱。如图1-52所示，在部件导航器中，去掉“拉伸（4）”的勾选。

以长方体的上方为草图基准平面，进入草图环境。绘制草图如1-53所示。

完成草图，并将此圆拉伸，拉伸参数的设置如图1-54所示。

点击“确定”，之后重新把“拉伸（4）”勾选，把草图和基准坐标系隐藏，对一些必要的边进行“边倒圆”，使之形成圆弧过度。现在，把烟囱和小房子的骨架进行布尔求和处理，如图1-55所示。在图1-55中，目标的“选择体”为烟囱，工具的“选择体”为这个小房子的骨架，点击“确定”。此时，小房子的模型已经基本完成。

最后，将小房子的三维模型再美化一下。先对小房子的主体使用抽壳命令，选择对所有面抽壳，保留壳厚5mm。选择小房子的主体，按快捷键Ctrl+J，出现如图1-56所示界面，可以更改颜色和透明度。

利用同样的方法可以修改房子其他地方的颜色。

当只需要选中某个面而非实体时，需要把过滤器选择为面，如图1-57所示。

经美化后的房子三维模型如图1-58所示。