家具CAM技術在產品設計中教學方法的應用分析

劉雄飛

（東北林業大學,黑龍江哈爾濱 150040）

一、引言

家具CAM技術，就是運用計算機技術完成家具制造的通稱。CAM所代表的含義為計算機輔助制造（即Computer Aided Manufacturing），它的核心技術就是計算機數字化控制，它是制造技術自動化、智能化、信息化發展的必然趨勢，同時也代表著制造業未來的發展方向，在數控機床的應用上具有得天獨厚的重要性，也是銜接CAD技術的必備工具之一，更是CAD/CAM一體化技術不可或缺的重要組成部分，對于生產效率的提高和設計精度的提升具有獨特的重要性，

由于手動編程的工作量比較大，致使數控機床使用效率受到限制，所以將CAM技術數控機床加工技術進行融合成為迫切的選擇，二者結合之后，不但可以縮短設計時間，也可以提高產品的設計精度，制作出更多符合精度的產品，這不僅是生產的要求，也是時代的要求，凡是滯后拖沓的生產模式都會受到新生產模式的影響和沖擊，如果不做出相應改變就會被淘汰。

產品設計作為普通高等學校的設計學類專業，目標是培養符合國家現代化建設與發展需要的專業人才，要求該專業的畢業生了解相關的科學技術新發展、文藝思潮、流行時尚、風土人情等，能從事工業產品設計、展示設計、宣傳策劃、市場開發等方面工作，對于本校“產品設計”專業來說，依托于學院國際一流學科林業工程的背景，在多年的發展建設中，形成了以“家具設計與制造技術”為特色的專業發展道路，更注重于家具與室內的計算機輔助設計表達，因此在家具CAM技術的應用方面具有多方面的應用與實踐。如何更好在地在產品設計專業中開展家具CAM技術的教學及相關工作，具有十分重要的迫切性和現實意義，也為更好地展開教學和研究工作起到了很重要的推動性。

二、家具CAM技術在產品設計中的應用

產品設計專業的涵蓋面較廣，要求學生了解與專業方向有關的科學技術新發展、文藝思潮、流行時尚、風土人情，具有科學的理性精神、領先的審美判斷，系統掌握設計學的基礎核心及產品設計專業核心知識，能從事設計研發、設計教育的相關研究工作，具備自主創業能力，畢業后可在家具設計與生產企業從事家具產品開發、生產與技術管理、市場營銷等工作，對于本?！爱a品設計”專業來說，尤為重視家具設計的重要性，在畢業設計環節體現得非常清晰和明顯，大部分學生的選題都是家具方向，由此可見家具設計在專業發展中占有的重要性。

為了更好地了解、掌握家具設計之后進行制造的主要流程和環節，非常有必要深入探討、實踐計算機輔助制造技術，并應用在家具零部件的制造方面，由此引申出家具CAM技術在產品設計中的應用，實際上設計和制造本就是相輔相成的關系，按照生產流程來說都是先設計后制造，但是CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）技術與CAM技術卻是幾乎同時誕生，也沒有提供互相兼容的接口，以至于到后期要提供彼此適應的連接方式，并提出了一體化與集成技術的應用，由此可見設計與制造二者緊密聯系，任何一方都不可或缺。

在設計家具零部件的時候，一般有兩種方法完成原始圖形的繪制，第一種是在CAD軟件中設計并完成零部件圖形，然后導入到CAM軟件中。由于不同的CAM軟件有不同的格式要求，因此要通過不同的文件形式（如dwg文件或dxf文件）引入到CAM軟件中。第二種是直接在CAM軟件中完成圖形的繪制，大多數CAM軟件中都自帶CAD功能，即自行繪制圖形功能，各創建、修改、編輯命令及參數與CAD軟件功能基本相似，掌握并深化了解的難度并不大，在CAM軟件中繪制完圖形后可直接進行刀具軌跡的生成，省去了中間環節的一些煩瑣步驟。采用第二種方法轉化時存在一個不太兼容的問題，主要在于使用者長期使用特定的CAD軟件，已經形成了一定的制圖習慣，對于在CAM軟件中繪圖需要一個適應和習慣的周期，從先入為主的角度來說，對于CAM軟件的繪圖功能適應起來有一定的緩沖期和接受過程，目前大多數操作者還是傾向于采用第一種方法。

通過CAD技術和CAM技術的一體化合作，可以使家具零部件完成從想法到草圖的轉變，然后從草圖再變成正式的圖紙，根據實際比例完成圖形繪制，獲得圖紙并修改無誤之后，然后對數據信息進行保存，要把它輸入到相應的CAM軟件中，二者的合作正體現在這里，在產品設計的過程中，通過對刀具參數、工件尺寸的設置，甚至夾具的位置和形狀也可以選擇，以其作為數控加工的基礎條件。在這個環節務必確定家具零部件的設計所需要的工藝條件，這個環節很重要，目的就是為了生成刀具的軌跡。實際上刀具的軌跡是和最終生成的代碼緊密聯系在一起的，這些步驟都通過信息技術來實現，充分體現了計算機處理和網絡數據庫的強大能力，展現CAM技術的優勢。

根據圖形繪制提供的相關數據，CAM系統需要設定了解各項任務條件，如數控機床的規格尺寸、工件的大小、刀具的規格大小、夾具的位置及參數、主軸的轉速及進刀退刀速率、工件進給速度，還需要設置刀具行進到與工件表面不同階段的距離、加工深度、刀具補償型式與方向。在確定刀位信息的過程中，需要了解刀具的中心軌跡和所處位置，在保證加工產品質量的前提下，可以通過計算方法和刀具補償保證獲取加工的穩定性和準確性。

在家具零部件的CAM軟件操作時，通常需要生成多種形式的刀具的加工路徑，包括外形銑削等加工路徑，同時根據不同的路徑配合使用不同的刀具。刀具路徑一般由加工刀具、加工零件的幾何模型以及各工序的特有參數來定義，不同刀具加工的工序和參數各不相同。

設定產品設計的加工工藝參數的時候，一個非常重要的環節是將繪制的圖形轉變成刀具軌跡。這個步驟極為關鍵，并且不可缺少，操作難度也最大，可以這樣說，在生成刀具軌跡之前的步驟并不困難，比如設置刀具加工參數、選擇加工道次這些內容，只需要按照常規操作進行即可，在生成刀具軌跡之后的步驟也不麻煩，比如程序導出與后臺處理，基本不會出現什么問題，最難操作的還是圖形轉變成刀具軌跡的過程，為了完成這個關鍵的步驟，需要把不同階段的刀具軌跡串聯在一起，使之成為一個有機的整體，便于機床連續加工，保障刀具軌跡的合理性與邏輯性。在CAM軟件的操作過程中，這個步驟是最容易出錯的，經常需要多次嘗試才能完成，有的時候甚至很難完成，所以這個環節最關鍵，也最重要，只要能順利地把CAD圖形轉變成正確的刀具軌跡，整個CAM的操作過程就成功了一半。

在完成圖形到刀具軌跡的轉變后，家具CAM技術在產品設計中的前期操作基本完成，后續的工作就是代碼的輸出與校驗。

三、家具CAM技術的教學模式

家具CAM技術是產品設計專業比較重要的一門課程，根據技術發展、專業要求和行業需求，為了培養高素質的應用型人才，需要在現有的教學模式下精益求精，提出符合課程體系的新的教學內容、教學方法和考核辦法，以適應人才培養的市場要求。

按照以前的授課方式，學生初次學習軟件，難免會處于不夠了解的狀態，只是承受老師填鴨式的理論教學與知識灌輸，或者是為了完成作業、獲得學分，始終缺乏主動掌控課程核心的信心和決心，所以為了讓學生能更好地學習，充分利用有限的傳授知識的時間，教師還需要開發更多的教學模式，以更好地行業追求為目標，能更加積極主動地學習。

同時，CAD技術也是教學中一個重要的基礎課程，也是本專業學生熟練使用CAM軟件進行設計的理論基礎。學生不但要會操作CAM軟件的各種命令，還應該掌握制圖的基本操作，這樣當以后遇到更復雜的問題的時候，也能夠獨立地去分析和解決。

在選擇使用的CAM軟件時，教師需要對根據教學大綱和學生的接受能力遴選軟件，使軟件能真正地被利用起來，發揮真正的作用，并為學生所接受，此外，由于學生的接受能力和掌握情況不一樣，教師應當針對不同的教學內容來制定相應的教學模式，可采用理論課結合實踐課的方式，對學生布置分階段的實訓內容，讓學生循序漸進，通過不同的習題勤加練習，不斷增進對軟件的了解，從各個方面加深對軟件操作的深化，同時能把這些內容根據理論課上老師講授的知識印證并實踐。如果學生有了疑惑之處，可以獲得教師的指導。每次實踐課結束后，學生要按時上交作業，包括程序代碼和加工圖形，教師進行點評，使學生能及時吸收和消化理論課上的內容。

目前的教學形式多停留在幻燈片展示與教師的示范操作上，對于家具CAM技術這樣應用性較強的課程，還需要通過更多的方式展現教學內容，比如教師自行錄制的視頻互動，教師操作的虛擬仿真軟件，這樣可以進一步活躍課堂氣氛，使教學方式更多樣化，更生動活潑，使學生的理解能力大大提高，對豐富教學手段、提高教學質量也是極大的推動和促進。

此外，還要考慮到CAM技術的特殊性，該技術主要應用在數控機床或大型CNC（Computer Numerical Control，計算機數字化控制，簡稱計算機數控）加工中心上，在教學環節中，可以把數控機床或大型CNC加工中心作為操作和演示對象，讓學生近距離感受程序的導入、機床的操作及加工過程，更好地領會課上所學的理論知識，比通過視頻或老師口述的效果要更直觀。但是在實際操作的教學環節，應時刻注意提醒學生安全第一，遵守實驗室守則，不能隨意觸碰各類機床。

四、仿真演示在產品設計教學中的應用分析

在傳統的教學中，教師主導課堂，根據大綱的要求傳授教學內容，學生按照教師的操作過程進行練習，由教師主導學生每節課的訓練內容和進度，對于課程有興趣或自主學習能力較強的學生能夠按照教師的學習進度安排達到預期的學習效果，對于缺乏興趣或是自主學習能力不夠強的學生，可能在學習時有一定的被動性，學習效果不能達到理想狀態，學習的積極性也會受到影響。此外，學生在實踐課中缺乏全過程引導，對綜合技能的掌握不夠扎實，也難以挖掘他們的創新潛力，很難符合綜合性、應用性、創新性的要求。

針對傳統教學受限制的一些問題，本研究引入仿真模型教學的形式，可以在產品設計專業的課程傳授過程中取得較為理想的效果，同時便于與實踐課對接，更好地鞏固課堂上所學的知識。仿真模型教學主要從以下幾個方面加以實施。

第一，在產品設計的教學中，要采用較高配置的硬件，既要符合實際情況，又要滿足教學，如果學生使用的電腦配置太低，會影響繪圖質量及圖形渲染的效果，導致CAM軟件在運行過程中的流暢性難以得到有效保障，所以需要學生準備配置較高的計算機，一般來說臺式機比筆記本的性能更好一些，更利于進行圖形處理。同時，學生采用的CAM軟件應該對于圖形有較好的分析、處理、轉化能力，能夠對加工過程進行不同角度的模擬，能把實際生產中可能出現的問題都模擬出來，便于發現故障，提前得以解決。

第二，依據數控機床的實際情況，需要合理擬定刀具的信息和其他工藝條件，這些內容必須和實際加工的數控機床上的刀具、工件的信息一致，而且確保能加工完成前面繪制的圖形，確保能生產刀具軌跡并最終生成NC代碼。利用CAM軟件直接生成數控加工程序，這一環節是比較重要的步驟，之前的操作均為此步驟的準備工作。在產品設計的教學中，學生需要掌握此項技能，可以進行后處理程序的設置，確保能準確生成NC代碼，同時能夠導入程序到仿真軟件中進行模擬演示，觀看加工圖形的形狀是否與所繪制的圖形一致。

第三，要求學生掌握手動編程的基本操作。CAM軟件的編程包括手動編程和自動編程，自動編程即使用CAM軟件進行編程，是未來發展的趨勢，復雜的圖形都需要軟件完成，如果用手動編程，工作量是很大的，而且效率低，最后完成的效果也不好，但是學生一定要學會手動編程，學會看NC代碼，因此要給學生說明手動編程的重要性。由于大部分CAM軟件生成的程序都帶有自動編程的習慣，不能直接應用在數控機床上，必須加以處理，改掉不適用的代碼，使其能夠應用在正式的生產加工中。只有能看懂基本的代碼，才能對自動編程導出的NC程序進行修改，使其符合數控機床的要求，這也是產品設計中加工家具零部件之前必須經歷的重要環節。

第四，通過手動編程的方法修改完成NC代碼后，不能馬上導入數控機床進行驗證，應輸入到數控仿真軟件中進行三維圖像仿真，查看系統運行是否可以滿足加工標準，預防出現加工誤差。如果在加工過程中出現問題要及時修正NC程序，然后再次導入到數控仿真軟件中進行驗證，直到沒有問題并與最初設計的圖形一致，才能正式導入到數控機床中進行試加工。對于家具CAM技術在產品設計中的應用，必須貫徹這一理念，凸顯仿真軟件的重要用處和關鍵地位。

結語

隨著家具CAM技術在產品設計中的應用越來越廣，為了更好地發揮數控技術在教學中的作用，需要使用計算機中的仿真軟件對修改完的NC代碼進行仿真加工，用于檢查工藝、程序方面是否存在錯誤，這種仿真加工只需在計算機中進行即可，不需要在實際的數控機床中進行操作，減少了不必要的浪費，可以最大限度地減少各種損失，把失誤控制在萌芽階段，更好地校核教學中的理論，更好地檢驗產品設計的成果。

當仿真軟件模擬演示完NC代碼之后，可以輸出文件，在數控機床中進行正式的應用。這種教學方式互動性更強，會使學生的興趣更濃厚、參與度更高，除了滿足教學要求之外，也符合產品設計的專業需求，有利于綜合人才的培養。