CAD/CAM多元化教學模式探索與實踐

(北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044)

(北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044)

《計算機輔助設計與制造》是機械工程及自動化專業的必修課程。本課程的目的是使學生能夠掌握CAD/CAM技術的基本原理與方法，為學生理解、應用和開發CAD/CAM軟件莫定基礎，培養學生應用計算機輔助手段從事產品設計與制造問題的綜合能力。在教學過程中，由于缺少實際的工程實踐背景，不少學生存在實際動手能力弱的問題，無法學以致用。本文探索了一種CAD/ CAM多元化的教學模式，通過該模式，可使學生真正掌握CAD/CAM的核心知識點，開闊思維，拓寬知識面，培養創新意識，真正做到理論聯系實際。

CAD/CAM;多元化教學模式;實踐環節;研究性專題討論;現代設計與制造

一、引 言

《計算機輔助設計與制造》是機械工程及自動化專業的必修課程。本課程重點介紹計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)技術中的基本原理和基本方法，目的是使學生掌握CAD/CAM技術的基本原理與方法，為學生理解、應用和開發CAD/CAM軟件奠定基礎，培養學生應用計算機輔助手段從事產品設計與制造問題的綜合能力。通過以上描述可以看出，CAD/CAM是一門非常強調實踐與動手的科學。但是傳統教學模式多采用概念、理論、原理的講解為主，老師采用集中說教的授課方式，容易造成學生對所學內容印象不深，理解模糊，產生歧義，并不能將知識點與生產實踐聯系起來，無法理解該門技術在現實應用中的意義，從而無法達到理想的教學效果。因此，探索一種理論聯系實際的多元化教學模式成為最佳選擇。本文所述的新的CAD/CAM教學模式期望通過多元化的教學手段使學生能夠通過實踐教學環節真正獲得以下知識和能力:(1)掌握CAD/CAM系統的概念、體系結構，了解CAD/CAM技術的現狀和發展趨勢；(2)掌握計算機輔助設計中所涉及的數據管理方法、軟件開發基礎知識；(3)掌握圖形處理技術、建模技術原理與方法；(4)掌握CAPP的工作原理及類型、CAPP系統零部件信息描述方法；(5)掌握數控加工編程基本知識、手工編程方法，能夠手工和利用計算機輔助數控編程軟件編制數控加工程序；(6)掌握CAD/CAM集成的主要方法，能夠實現不同 CAD/CAM軟件之間的集成；(7)掌握逆向工程中的關鍵技術，能利用逆向工程的相關軟件進行曲面重構。

二、CAD/CAM多元化教學模式總攬

本文所述的多元化教學模式主要體現在實踐性教學環節上。實踐性教學環節在機械工程專業的教學中起著重要的作用，將直接影響學生的專業素質和專業能力[1-2]。

對已有的純說教式的授課方式的多元化教學模式探索來源于與畢業學生的交流。2013年6月中旬，大四本科生畢業離校前，我校機電學院機械系舉辦了一場與本專業畢業生的座談會，主要是聽取畢業生對大學四年教學的意見，本文作者和主干課程負責教師參與了座談。其中，有找到工作并在企業實習過的學生提到，雖然大學四年學了許多課程，但是面對企業的實際任務，仍然不知從何下手，實踐能力弱[3-4]。這個問題引起了學生的共鳴。

基于此，我們對CAD/CAM的教學環節增加了多個實踐環節，包括:上機操作、研究性專題討論、課程實驗以及現代設計與制造綜合實踐。結合多媒體課堂授課部分，形成了多元化的理論聯系實際的新的教學模式。通過近幾年的教學磨合，該模式及教學安排日臻成熟，效果愈發理想。各部分任務安排如下:

·多媒體課堂教學[5]:包括CAD/CAM概論，CAD/CAM系統的硬件與軟件，圖形處理技術基礎，CAD/CAM建模技術，計算機輔助工藝過程設計，計算機輔助數控加工編程，逆向工程與快速成型。

·上機操作:計算機輔助工藝規程編制，計算機輔助數控加工編程和仿真。

·研究性專題討論:包括工程數據的計算機處理方法，產品建模計算機表示方法分析。

·課程實驗:包括數控銑編程仿真和加工實驗，數控車編程仿真和加工實驗。

·現代設計與制造綜合實踐:包括設計對象整體方案設計，機械結構設計，零件圖和系統裝配圖繪制，主要零部件強度校核，關鍵元器件選型，工藝設計及工藝文件編制，CAM軟件加工編程，數控程序仿真。

三、CAD/CAM多元化教學模式的組成結構

本章對所設計的CAD/CAM多元化教學模式的組成進行探究。將分為五個部分進行描述。

(一)多媒體課堂教學

多媒體課堂教學分為7個部分進行講解。分別如下:

1.CAD/CAM系統的概念、體系結構，了解CAD/ CAM技術的現狀和發展趨勢；

2.計算機輔助設計中所涉及的數據管理方法、軟件開發基礎知識；

3.圖形處理技術、建模技術原理與方法；

4.CAPP的工作原理及類型、CAPP系統零部件信息描述方法；

5.數控加工編程基本知識、手工編程方法，能夠手工和利用計算機輔助數控編程軟件編制數控加工程序；

6.CAD/CAM集成的主要方法，能夠實現不同CAD/CAM軟件之間的集成；

7.逆向工程中的關鍵技術，能利用逆向工程的相關軟件進行曲面重構。

在課堂講解中采用多媒體技術，例如:

圖1 錯切變換效果

在講述錯切變換時可采用圖1所示的圖形直觀顯示其變換效果。

在講述透視變換的原理與方法，介紹透視變換的作用時，可使用以下圖例進行介紹。

并結合隨堂提問及討論環節以實時了解學生的知識掌握程度，并使課堂氣氛活躍生動。

圖2 透視實例

(二)上機操作

上機操作包括兩方面內容:

·計算機輔助工藝規程編制

利用在國內流行的計算機輔助工藝規程軟件開目CAPP編制工藝規程。根據預先給定的零件圖紙，利用該軟件的人機交互功能設計零件的加工工藝過程，設計工藝過程卡片。

·計算機輔助數控加工編程和仿真

利用在國內流行的計算機輔助編程仿真軟件MasterCAM或UG以及EdgeCAM進行數控編程和仿真。根據預先給定的零件圖紙，利用該軟件具有的幾何造型功能生成零件三維造型圖，輸入合理的切削參數，利用軟件的功能自動生成零件的數控車和銑的加工程序，并利用軟件具有的三維動態仿真功能，在計算機上顯示零件的加工過程，觀察刀具的模擬運動軌跡與零件的模擬加工情況。要求掌握MasterCAM或UG以及EdgeCAM軟件的基本數控車、銑編程方法。

(三)研究性專題討論

在學習了CAD/CAM基本理論的基礎上，設計了如下研究性專題，并開展研究性專題的課堂討論[6-7]。

·研究性專題(工程數據的計算機處理方法)

給定機械產品設計或制造過程中的數據，要求學生利用數據處理技術，查閱相關的文獻，利用計算機編程語言編制軟件模塊，實現數據的查找、擬合、光順等功能，可要求學生編制簡單的軟件界面。

·研究性專題(產品建模計算機表示方法分析)

利用MasterCAM或UG以及EdgeCAM軟件，分別進行線框建模、表面建模、實體建模和建模造型，產生不同的零件模型，將這些模型轉換成IGES或STEP格式，分析不同標準格式文件的結構，理解不同模型的幾何信息和拓撲信息的計算機內部表示方法，為CAD/CAM軟件的二次開發打好基礎。建議預先講解IGES或STEP格式，并擬好具體的題目和要求。

(四)課程實驗[8-10]

·實驗一:數控銑手工編制程序、計算機仿真和加工

通過實驗加深對所學內容的理解，針對特定零件，手工編制數控加工程序，并最終在數控車床和數控銑床上加工出零件輪廓，增強學生實際動手和解決實際問題的能力。

按照根據西門子SINUMERIK 840D的格式，手工編制給定零件圖的數控銑程序；利用EXSLWIN7計算機輔助數控仿真軟件，模擬仿真所編制的數控程序，對照每個數控代碼，觀察刀具的運動，體會每個數控代碼的具體含義，修改程序的錯誤之處；利用數控機床模擬鍵盤和EXSL-WIN7提供的模擬機床操作界面，進行機床加工狀態模擬，將仿真無誤的程序輸入數控銑床，加工出零件輪廓。

·實驗二:數控銑手工編制程序、計算機仿真和加工

按照根據西門子SINUMERIK 840D的格式，手工編制給定零件圖的數控車程序；利用EXSL-WIN7計算機輔助數控仿真軟件，模擬仿真所編制的數控程序，對照每個數控代碼，觀察刀具的運動，體會每個數控代碼的具體含義，修改程序的錯誤之處；利用數控機床模擬鍵盤和EXSL-WIN7提供的模擬機床操作界面，進行機床加工狀態模擬，最后將仿真無誤的程序輸入數控車床，加工出零件輪廓。

(五)現代設計與制造綜合實踐[11]

在這一部分，學生將以3～4人小組為單位，在老師命題的基礎上，獨立進行一款機械產品的設計與制造。主要包含以下主要設計內容:

·某一機械產品總體方案設計，包括設計思想、工作原理、傳動方式、系統組成等；

·關鍵元器件如各驅動電機、減速機、傳動部件、氣動部件等的參數計算與選型，計算輸出力、扭矩，以此計算功率、尺寸和精度，并選擇關鍵元器件的型號，保證系統的各項指標；

·機械結構設計，完成系統機械結構的詳細設計，校核主要零部件強度，繪制零件圖和系統裝配圖；

·選定2個典型零件作為數控銑和車的對象，進行工藝設計，編寫工藝文件，利用MasterCAM軟件編制數控銑和車的加工編程；

·將MasterCAM軟件編制的數控加工程序，轉換為符合西門子840D格式的數控程序，可手動修改，并利用SL數控程序仿真軟件編輯修改，修改錯誤之處，最終得到正確的數控加工程序；

·根據設計題目和設計要求編寫綜合實踐說明書。內容包括方案設計、結構設計、工藝設計和零件加工數控代碼。

四、總 結

通過本文的CAD/CAM多元化教學模式的實際實施，學生最終成績如表1所示，從成績看取得優秀、良好的學生人數占到88.8%，可以得出以下結論:本次CAD/CAM的多元化教學模式改革基本是成功的。從學生平時表現和最終成績看，基于實踐理念的多元化教學模式的改革與實踐基本達到了預期的目的，學生知悉了開展CAD/CAM的實際操作模式，提高了學生的計算機輔助設計與制造方面的技能，得到了學生的認可。

表1 CAD/CAM多元化教學模式成績分布

[1]周自強.機械工程實踐性教學的中澳比較研究[J].常熟理工學院學報(教育科學)，2012(12):112-114.

[2]明興祖，唐川林，胡京明等.應用型機械大類專業實踐教學模式與內容的創新與實踐[J]，機械管理開發，2012(6):161-165.

[3]劉德仿，王旭華，陽程.以能力培養為中心的機械工程應用型人才培養教學體系探索與實踐[J].中國高教研究，2009(11):85-87.

[4]劉志剛.淺析機械工程訓練實踐教學模式與實踐[J].中國科技創新導報，2012(35):59-61.

[5]丁海運.講求教學方法，加強課堂教學[J].改革與開放，2010(1):138.

[6]彭芳，周文輝.工科應用型人才培養教學模式之探討[J].當代教育論壇(教學研究)，2011(6):29-31.

[7]王忠民，王陸海，韓俊剛.工科院校工程應用型人才培養實踐教學模式探討[J].科技咨詢導報，2007(30):223-224.

[8]楊金林，陳元斌，張群艷.機械基礎實驗教學改革與探索[J].實驗室研究與探索，2007(2):73-75.

[9]孫杰.以培養目標為基礎探討機械制造工程實踐教學環節的改革[J].實驗室科學，2009(5):33-35.

[10]羅意平，潘迪夫，楊岳.專業實驗教學改革的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2002(3):16-18.

[11]夏建芳.論機械基礎教學新體系的構建[J].現代大學教育，2003 (1):67-68.

CAD/CAM多元化教學模式探索與實踐

曹宇男， 張勤儉， 蔡永林， 鄂明成， 李建勇

2095-3046(2015)02-0069-04

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.02.015

G642

A

2014-07-28

北京交通大學2013年度研究生教育教學改革課題

曹宇男(1979- )，男，副教授，主要研究方向:機器人控制系統與數控系統，E-mail:ync@bjtu.edu.cn.