基于CAM 技術的數控加工課程改革的研究★

王紫民， 劉曉瑞， 荊忠亮

（山西工程技術學院機械工程系， 山西 陽泉 045000）

0 引言

智能制造日益成為未來制造業發展的重大趨勢和核心內容，是促進工業向中高端邁進、建設制造強國的重要舉措。數控加工技術作為一門集機械、信息技術、自動控制、傳感等為一體的交叉學科，是智能制造的核心技術之一。為應對新一輪科技產業變革，加快推動工程教育體系建設，面向新工科，對數控技術課程進行改革與實踐，培養適應未來社會發展所需的人才勢在必行[1]。

1 《數控加工技術》課程的教學現狀

《數控加工技術》是機械工程系機制專業開設的專業核心課，目標是培養能在機械制造領域從事數控加工工藝編制、數控編程、數控加工及生產技術管理的高素質技能型人才。該課程在課程體系、試驗設備、教學理念等方面還有不足，主要體現在以下幾方面。

1.1 課程體系不足

課程體系理論學時32，試驗學時8。理論學時偏長，實踐環節滯后理論環節。理論授課過多地采用傳統板書式的教學模式，教學手段單一，容易造成學生對理論知識掌握不扎實、學習積極性不強，經過“漫長”的理論學習再去動手操作，理論知識的遺忘也給后續試驗帶來困擾。

1.2 數控機床裝備缺乏

受制于數控裝備價格昂貴，設備后期維護成本高，操作風險大，受資金、場地的限制，裝備臺套數有限，導致學生參與程度低，無法滿足學生實際動手能力的培養，開放、自主設計、創新型試驗更是難以開展[2]。

1.3 教學理念滯后

1）重知識、輕能力。重專業知識為支撐的業務能力（硬能力），輕自我發展、社會適應的能力（軟能力）。

2）重傳統、輕發展。在知識體系建構方面，重專業系統知識，輕知識更新。

3）重理論、輕實踐。在教學實踐中，重理論知識傳授，輕試驗實踐。

4）重校內、輕社會。重視封閉的校內教學體系建設，忽視人才培養服務于行業經濟、地方經濟。

2 CAM 技術的優勢

CAM 技術即計算機輔助制造技術（Computer Aided Manufacturing），相較于傳統的制造技術，CAM技術是利用計算機來進行生產設備管理控制和操作的過程，是計算機輔助制造系統重要組成部分。CAM仿真技術在計算機輔助制造系統里具體作用表現在以下幾方面：

1）優化設計：在實際的生產設計中，編程設計由手工轉為自動，CAM 軟件通常應用于圖形繪制和設計流程方面，將數據技術與CAM軟件結合可進一步實現零件的優化設計。

2）自動化流程：通過CAM 軟件可設計出準備生產成型產品的對應零件、工作平面圖，實體模型圖等。然后，在制造軟件中輸入零件的工藝參數，利用軟件和工藝的輸入，制造設備可有效實現自動化運行，促使儀器在生產操作流程所有設定環節中順利運行。

3）質量檢驗：利用CAM 技術進行工藝設置和生產操作程序，不僅可以實現機器運行的自動化，同時可以實現對生產機械設備生產的產品進行標準化的質檢工序，對產品質量進行嚴格把控。

本課題研究的是在數控加工技術理論環節結合CAM技術的仿真實踐教學，在課堂教學中，依托仿真軟件，以理論為指導、實踐為主體、項目為導向，結合現實生產中的工藝設計，形成理論+虛擬仿真的同步教學，讓學生學會理論的同時掌握一門工程應用軟件，培養學生實踐能力、團隊意識、創新意識[3]。

3 數控加工課程融入CAM 技術的教學特點

3.1 知識銜接性強

理論上學習數控技術，使學生了解數控機床的組成與工作原理，理解數控系統與伺服系統的原理與組成，更重要的是掌握數控加工工藝編程及操作；而在CAM技術中，則主要加入了數控工藝的編制，包括刀具的選擇、切削參數的輸入，教學上可以實現工藝創新，及時發現工藝問題，這樣學生不僅掌握數控技術，更掌握了數控工藝技術。

3.2 實踐教學性強

CAM仿真教學屬于實踐性教學模塊。通過項目學習，CAM 仿真軟件針對于數控加工技術在課堂環節的仿真實現，包含數控工藝編制、自動編程技術、數控仿真加工技術，為后續實操試驗作鋪墊，也讓學生掌握一門工程應用軟件，為其畢業后的發展作技術儲備。

3.3 感官理解上強

基于CAM軟件的仿真教學，可以實現零件二維繪圖、三維造型，刀具的插入、刀路的模擬，零件仿真加工，增強學生學習空間感，增加教學內容的趣味性、互動性和拓展性，激發學生的求知欲。

4 CAM 技術在數控加工課程的教學實現

Mastercam 軟件是常用的CAM軟件之一，該軟件的最大特點是實體零件的自動編程：不僅具備二維幾何圖形設計、三維線框設計、曲面造型、實體造型等的設計功能，還可由零件圖形或模型直接生成刀具路徑、刀路模擬，加工實體仿真驗證。Mastercam 軟件自動編程適應于銑削、車削、車銑復合、線切割、雕銑加工多種類型的機床。本課題擬以CAM軟件為依托，在《數控加工技術》課程中利用仿真軟件，實現理論與實踐結合的教學效果。

4.1 OBE 教學理念

新工科建設要求落實以學生為中心的理念，加大學生選擇空間，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學生為中心的工程教育模式。OBE 教育理論強調成果導向教學管理，其中實踐教學是其中非常重要的一部分，特別是在OBE 理念基礎上實行的工程教育專業認證中，實踐教學的比重進一步加強[4-5]。

本課題是利用CAM虛擬仿真技術，教學中擬采用OBE 教學理念，采用項目教學法，側重虛擬實踐和成果導向。數控加工虛擬仿真技術實踐教學的開展，一是讓學生在具體項目中掌握數控工藝的編制；二是讓學生熟悉數控自動編程軟件的應用；三是虛擬數控加工教學過程的實現。

4.2 仿真教學的展開

CAM 軟件中的Mastercam 仿真加工工作流程如圖1 所示[6]。

圖1 Mastercam 實踐操作流程

本項目為加工一根渦輪軸，工序主要涉及車外圓、銑鍵槽，其中車外圓的具體仿真步驟如下。

4.2.1 Mastercam 建模

根據給定的工程圖，在Mastercam 軟件中建立模型（見圖2）。

圖2 Mastercam 建模

4.2.2 工藝參數設計

選定渦輪軸外輪廓進行粗、精車削加工，刀具參數及切削用量，學生可以根據切削用量手冊自行選擇和設計，可以對不同方案下的切削結果進行評價。選擇一組設計參數結果如下（見圖3、圖4）。

圖3 粗車刀具選擇、切削參數設計

圖4 精車刀具選擇、切削參數設計

4.2.3 刀路模擬及仿真結果驗證

外圓車削路徑模擬及仿真驗證，見圖5。

圖5 外圓車削路徑模擬及仿真驗證

4.2.4 NC 程序后處理

Mastercam 軟件可以實現自動編程，檢查刀補參數無誤后可將程序導出到機床。精車外圓NC 程序（部分）如下：

G21 G18 G0 T2121 M03

G0 G54 X63.Z44.

G96 S1000

G99 G1 Z42.F.5

Z32.

X65.828 Z33.414

G28 U0.V0.W0.M05

M30

4.3 教學評價

實際中可以按照軟件操作流程進行仿真教學。并以模塊教學法進行驅動，建立相應教學評價體系，詳細見表1。

表1 學生考核評價

4.4 融入課程思政教學元素

本課題作為教改課題，更應該融入思政環節。例如在授課時，可以穿插我國數控技術的發展歷史，可以引入我國數控機床“十八羅漢”，這十八家機床企業曾為我國機床行業的發展立下了汗馬功勞。還可以從社會需求出發，說明我國目前緊缺的就是既有理論知識又有實際操作經驗的技能人才。而能掌握一門CAM自動編程軟件的人才更是制造業所需的高薪人才。學校的辦學定位就是應用型本科生的培養，學好本門課程，掌握數控加工技能，是順應時代發展的需要。通過舉例和時代需求激發學生的愛國熱情及學好本門課程的積極性。

5 結語

本文分析了數控加工技術課程教學現狀中存在的不足，介紹了數控加工課程中融入CAM技術教學的必要性、特點及教學手段的實現，基于CAM技術的數控加工技術課程工藝是基礎，編程是核心，并引入OBE 教學理念，理論與仿真相結合，采用模塊教學法，項目任務進行驅動，在授課中引入思政元素，激發學生的求知欲和愛國熱情，讓學生掌握一門CAM工程應用軟件，更為畢業后的發展作技術儲備。