CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的開發

張小芹+倫翠芬+劉雅俊+孫磊+趙進尚

摘要：以培養學生的應用能力為目的，將CAD、CAE、CAM三個模塊內容有序地銜接、有機地融合在一起，開發了CAD/CAE/CAM技術與實訓課程。文中詳細介紹了課程的培養目標、內容設置、教學方法和組織形式。在本課程中以產品的生產過程為導向，以任務驅動貫穿整個教學過程，培養學生應用當前大型主流CAD/CAE/CAM軟件進行產品開發的能力，同時培養學生綜合職業能力。

關鍵詞：任務驅動；課程開發；CAD/CAE/CAM；項目教學

當前，隨著制造業的飛速發展，積極開展高新技術研究，培養特色鮮明的應用型人才已成為理工科院校發展的重要趨勢。CAD/CAE/CAM技術的發展推動了幾乎一切領域的設計、制造技術革命，從根本上改變了傳統的設計、生產、管理模式。目前，CAD/CAE/CAM技術已廣泛應用于航空、航天、軍工、汽車、船舶、機械、模具、電子、輕工、裝備等各個領域，為企業在激烈的市場競爭中發揮著越來越重要的作用。CAD/CAE/CAM技術的發展與應用程度已成為衡量一個國家科技發展水平和工業現代化水平的重要標志之一。作為機械設計與制造工程人員掌握現代化的CAD/CAE/CAM一體化技術是十分必要的。

一、 CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的內涵

CAD/CAE/CAM涉及計算機圖形學、數控加工技術、有限單元分析法、計算機仿真、最優化設計、計算機信息集成技術等多門課程，是理論性和實踐性都很強的綜合性課程，具體教學內容應體現知識的系統性、完整性、先進性和實用性。

二、 CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的開發

（一） 課程的培養目標

CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的培養目標是培養學生的應用能力，使在掌握CAD/CAE/CAM技術的基礎上，能夠熟練應用當前大型通用CAD/CAE/CAM軟件，進行裝備制造業、汽車行業或模具產業產品的三維設計、有限元分析、結構優化、工藝分析與設計以及數控編程與加工仿真等工作。

（二） 課程內容的設置

以產品的生產過程作為導向，將課程結構劃分為CAD、CAE和CAM三個主模塊。CAD模塊包括幾何建模、零件裝配、運動仿真和工程圖四個子模塊；CAE包括有限元分析和優化兩個子模塊；CAM模塊包括工藝設計、自動編程、加工仿真和車間加工四個子模塊。

CAD，CAE模塊采用法國達索公司的SolidWorks軟件；CAM模塊采用美國CNC Software，Inc公司的MasterCAM軟件。

1. SolidWorks軟件概述

SolidWorks軟件功能強大、易學易用，是目前領先的、主流的三維CAD解決方案。使用SolidWorks軟件，機械設計工程師能快速按照其設計思想繪制出草圖，并運用特征與尺寸，繪制模型實體、裝配及詳細的工程圖。整個產品在設計過程中是百分之百可編輯的，即模型實體、裝配體和工程圖之間是全相關的。除了產品設計，SolidWorks還可以對設計的產品進行運動模擬、碰撞檢查、運動學分析、有限元分析及優化設計等功能。

SolidWorks Simulation是SolidWorks家庭最熱銷的分析解決方案，集功能強大、計算精確和簡單好用三大特點于一身，能夠進行應力分析、應變分析、變形分析、熱分析、設計優化、線性和非線性分析。使用SolodWorks Simulation，工程師可以最大限度地縮短設計周期、降低測試成本、提高產品質量，加大利潤空間。SolidWorks Motion是基于ADAMS解決方案引擎創建的，可以在CAD系統構建的原型機上查看其工作情況，從而檢測設計結果，如電機尺寸、壓力過載、齒輪轉動率運動零件干涉等設計中可能出現的問題，進而修改設計，得到進一步優化的結果。

在本課程中，學生不僅可以熟練掌握利用SolidWorks軟件進行草圖設計、零件造型、裝配、將三維實體轉化成符合國標的二維工程圖等基本建模技術，而且深入學習SolidWorks Simulation 的靜力學分析、失穩分析、疲勞分析、優化及Solidworks Motion的虛擬樣機分析等高級分析功能。

2. MasterCAM軟件概述

MasterCAM是美國CNC Software，Inc公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM軟件。該軟件自1984年問世以來，就以其強大的加工功能聞名于世。它集二維繪圖、三維實體造型、數控編程、刀具路徑模擬及真實感模擬等到功能于一身。對系統運行環境要求較低，而且價位適中，對廣大的中小企業來說是最理想的選擇，是最經濟有效的全方位的軟件系統。本課程中主要學習MasterCAM的CAM功能，除了常用的數控車削加工、二維銑削加工之外，還深入學習多軸銑削加工、車銑復合加工等高級功能。

結合SolidWork的CAD/CAE和MasterCAM的CAM功能，將軟件的學習與產品的設計制造過程融合到一起，將產品設計制造理論與軟件操作實踐相結合，提升學生利用軟件進行產品開發的能力。

（三） 任務驅動模式教學方法

在教學方法上，秉承“以企業需求為導向，以提高職業能

力為核心”的理念，充分體現“教、學、做合一”思想，采用任務驅動模式，讓學生在完成任務的過程中完成理論與實踐的學生，做到“學中做，做中學”。以二級圓柱齒輪減速器為例，任務分解為：減速器零件建模與裝配，運動仿真，工程圖的生成，有限元分析及優化，自動編程與加工仿真五個任務模塊，每個任務模塊按減速器結構與零件類型分為若干子模塊，每個子模塊中包含若干個項目，每個項目結束，根據軟件功能增加1-2個項目拓展任務，以進一步熟悉和深化軟件的使用。

在任務實施過程中，以項目教學法的形式實現。每個項目由七部分組成，包括項目任務描述、項目目標、知識鏈接、項目規劃、項目實施、項目拓展，使學生在任務的完成過程中既學到了產品相關理論知識又掌握了實踐操作技能。

（四） 教學的組織

在教學過程中，采用項目教學的形式，以學生操作為主，教師指導為輔，下面以直齒圓柱齒輪的建模為例進行說明。

1. 項目任務：（任務零件圖略）

2. 項目目標：掌握直齒圓柱齒輪建模方法；掌握漸開線生成的不同方法；掌握轉換實體引用、放樣特征、陣列特征、鏡向特征等命令的使用。

3. 知識鏈接：漸開線的繪制方法（內容略）

4. 項目規劃：

方案1：齒輪輻板（旋轉凸臺）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——齒形草圖（單齒齒形草圖——草圖陣列）——拉伸。方案2：齒根圓柱（拉伸凸臺）——輻板（拉伸切除）——板孔（拉伸切除，陣列）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——單齒（拉伸）——輪齒（陣列）。方案3：齒輪端面草圖（包含所有齒齒形，板孔，軸孔與鍵槽截面）——拉伸——輻板凹槽（拉伸切除或旋轉切除）。

其他方案。

5. 項目實施：分組選擇不同方案（詳細過程略）

6. 項目評價：各組介紹不同方案實施過程，討論不同方案的優缺點。

7. 項目拓展：（略）

三、 結論

在應用型大學建設過程中，對CAD/CAE/CAM技術與實訓課程進行開發與探討，采用任務驅動的教學模式，與項目教學法相結合，將CAD、CAE、CAM三部分內容與產品的設計制造過程相融合，強調基礎知識與實例相結合，突出設計理念和設計思路，使學生能夠輕松掌握所學軟件進行產品開發的能力，同時培養學生的學習能力、合作能力和解決問題的能力等綜合職業能力。

參考文獻：

[1]郝洪艷，孔凡新，查光成.新技術應用能力需求下CAD/CAM實訓教學體系的構建[J].中國現代教育裝備，2009（06）：123-125.

[2]高偉強.機械CAD/CAE/CAM技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2013（7）：4-10.

作者簡介：張小芹，倫翠芬，劉雅俊，孫磊，趙進尚，河北省秦皇島市，河北科技師范學院。endprint