理論知識向具有整機設計制造綜合應用能力轉化的橋梁

【摘要】針對普通高校數控實踐教學環節的教學時間短、內容多，學生訓練不充分的問題，作為具有整機設計制造綜合應用能力的中間環節，新增開設了教改課程“CAD/CAM實習”，介紹了課程設置的意義、方案、特點以及實施方法，給出了設計和加工實例，最后對實習進行了總結。

【關鍵詞】實踐教學；實習；CAD/CAM；創新

【中圖分類號】G642.44【文獻標識碼】A【文章編號】1005-1074(2009)05-0232-02

實踐教學是鞏固所學理論知識和加深理解的重要手段，是將理論知識轉化為實際應用能力的關鍵環節。實踐教學越來越受到重視，已然成為人們的共識，各個教學單位都在著力改進和加強這一環節，探索在實踐教學環節中取得更大成效的方法。與職業院校相比，由于普通高校培養目標和側重點不同，理論課程相對較多，其實踐教學環節仍然是弱項，學生動手機會偏少的現狀沒有從根本上改變，實踐教學仍需要提高。其中的數控類實踐教學對硬件條件（計算機、機床、通訊等）和軟件條件（指導人員水平、素質等）的要求較高，受其制約，實施起來困難相對更大一些。

針對存在的問題，為了更好地將理論和實際聯系起來，增加學生的動手機會，培養創新精神；循序漸進，保證每一階段學習的效果；同時避免因學生考研、找工作及參加競賽等事情的影響，造成時間分散的問題。天津大學實踐教學中心在示范中心建設項目經費的資助下，實施教學改革與創新，合理規劃教學方案和內容，對機械制造專業學生新增開設了“CAD/CAM實習”課程。

1CAD/CAM實習方案

CAD/CAM實習課程性質為集中實踐，實習時間為2周，設定為2學分。

1.1實習目的通過實習，鞏固“計算機輔助設計與制造”及相關課程所學的知識，將所學的知識轉化為實際應用能力，同時進行創新意識和創新能力訓練，培養創新精神，使學生在實習過程中掌握更多的知識，能夠用CAD/CAM技術解決工程實際問題。為后續課程的進一步學習打下扎實的基礎，同時也為進行整機設計、制造起到橋梁和銜接的作用。

2.2實習的主要內容及要求①要求每個學生自己構思、獨立設計完成一個零件從設計到制造出合格產品的全過程；②對設計的零件實體模型要求掌握并使用兩種方法獲得，即根據現有產品，通過逆向（反求）工程的方法獲取計算機模型和應用CAD/CAM系統自行設計的方法獲得；③設計時要考慮采用的加工設備、加工的可行性及工藝流程；④根據所設計模型的不同，產品的制造可以采用快速原型技術，也可以采用數控車或銑、數控電火花等方法加工。

2.3實習時間及人員安排因為CAD/CAM實習需要有相應的軟件和金工實習作為基礎，實習時間不宜太早，故安排在三年級的第二學期。鑒于對每位學生的要求相同，不存在任務和內容的分工問題，采用集中實習較好，持續時間長度為2周。兩周的實習大致分為三個時間段：第一階段，零件反求和設計約4天，包括查資料、看書（因涉及到軟件和設備的使用）。第二階段，快速原型支撐設計或加工工藝設計約2天。第三階段，零件快速原型制作或數控加工約4天。機制專業5個班學生，每個班配備2名指導教師，全程跟班輔導。

2.4使用設備、軟件及材料根據實習的要求，實踐教學中心提供的資源有：①設備:數控車床、數控銑床或加工中心、電火花機床、快速原型機床及掃描儀等。②數控系統:FANUC、SIEMENS、大連大森、華中數控等。③軟件:CAD/CAM軟件Pro/E、Solidworks、Solidcam等，拼接軟件Polyworks，修補軟件Geomagic studio。④材料:選用易于加工且加工的危險性較小的材料，如合金鋁、工程塑料等，由學生自己聯系購買，中心報銷。

3實施方法

在實習中始終貫徹“學生為學習的主體”的現代教育理念，積極培養學生的動手能力和創新精神，充分調動學生學習的積極性，給學生發揮聰明才智的機會。由于CAD/CAM實習的要求和特點，尤其是需要進行操作機床和加工零件，決定了該項實習強調的是學生動手能力的訓練，即訓練學生運用CAD/CAM技術解決實際問題的能力。因此實習時不再是以講解為主，而是將講解、引導、啟發和討論相結合，尊重學生的設計思路和方案，發揮學生的主觀能動性，使學生進行創造性的學習。

3.1準備環節

3.1.1查找和收集資料必備資料包括相關課程的教材，掃描儀使用說明書、所要應用的機床使用手冊和編程手冊。

3.1.2閱讀資料需要閱讀的資料是指這次實習所要用到的知識內容，分為復習和新知識兩方面。對于已經學過的知識是復習，而有些知識則是需要在實際應用過程中隨用隨學，例如軟件在使用時會用到以前未用過的內容、機床操作方面某些未用過的功能。另外由于有些軟件或使用說明書是英文版的，這些軟件的學習既是學習軟件本身的新知識也是學習英語的新知識，同時也是對英語的閱讀能力的一個檢驗，由此說實習的過程也是提高的過程。

3.1.3硬件條件的準備由于同時實習的學生較多，應當準備足夠數量的計算機。這次實習中要用到相應的CAD/CAM軟件，首次使用時需要檢查所使用軟件的配置情況，看所使用的軟件是否安裝以及安裝是否完全。對于機床設備，在實習之前也要檢查機床工裝夾具、刀具的準備情況、確定所準備材料的規格。

3.2中間環節①在設計的過程中，有的學生對軟件的使用不熟悉，要鼓勵學生互相之間進行交流，但要避免等、靠現象，嚴格執行獨立完成的要求，制止請別的同學代勞的現象發生；兩位指導教師原則上一位在機房，一位在加工車間輔導，負起責任，包括記錄考勤在內，隨時督促學生按照要求完成實習任務；②由于有

的機床、設備數量少，學生不能同時使用，需錯開內容，穿插進行，一些學生使用時，其他的學生則看資料或進行設計；③在生成加工代碼（程序）之前，要建立坐標系，對初學者來說，機床坐標系、參考點及工件坐標系之間的關系是個難點，容易混淆，需要指導教師著重講解；要指導學生建立編程簡單、尺寸換算少、引起的加工誤差小的工件坐標系；④對于實際加工，要合理確定刀具的角度，避免出現過切現象；合理選擇切削參數，保證加工質量和效率；⑤選擇與所用機床系統相匹配的NC模版，生成程序；⑥一定要進行加工仿真演示和NC檢測，以便及時發現問題，并將刀具軌跡圖寫入實習報告；⑦加工制造時，由于機床和指導教師人數少，另外，一位指導教師不可能同時指導和照看多臺機床的學生操作，則可采用“傳幫帶”的辦法，首先指導進度快且已到加工階段的學生進行加工，待其完成后，讓其變換角色，行使指導教師的職能，指導同樣使用該型號機床的后續的學生加工，這樣可以使學生加深理解和鞏固機床操作技能；⑧為提高效率，在計算機與機床之間采用通訊方式傳遞數據，讓學生掌握現代加工通訊手段。

3.3總結及答辯環節首先應當使學生認識到總結的重要性，總結自己的實習情況，取得的收獲以及存在的問題，其中實習報告就是一種很好的方式。要求學生完成CAD/CAM后撰寫實習報告，學生通過撰寫實習報告也在一定程度上進行了寫作的規范訓練，鍛煉了論文寫作的能力。實習報告的撰寫質量將作為考核和成績評定的重要依據。

通過撰寫實習報告可以使學生理清思路，在答辯自述時取得較好的效果。答辯的自述情況是對語言表達能力的一種檢驗，答辯過程也是對語言表達能力的一種訓練。

4實習實例

該例學生實習完成的內容較豐富，做了零件掃描、設計了組合式筆筒，車削了筆筒的支架。使用的軟件及設備分別為Pro/E2.0，惠普SJ8290掃描儀，PolyworksV8拼接軟件，“Geomagic studio 6.0”修補軟件，“CAK6136P”數控車床、大森Ⅲ系統。

4.1逆向工程圖像的產生和處理逆向工程是指由現有零件獲取其幾何特征，尤其適用于未知的具有復雜形狀的零件。掃描是其中的方法之一，具體步驟是首先對所要反求的物體進行多角度掃描，以便取得立體特征；其次打開兩個圖像，將其中一個鎖定，利用不同的兩個角度圖像之間存在的公共點，任選三點，注意其位置和方向，進行拼接，其他圖像利用同樣方法進行，可得到整體圖像，如圖1容劑瓶所示；然后對所得到的圖像（圖1）進行修復，即修補漏洞，經曲面化后，將圖像保存為iges格式得到圖2；最后使用Pro/E軟件對得到的圖象（圖2）進行處理，即可得到實體，如圖3所示。

圖1 拼接圖形圖 圖2 修復后的圖形 圖3 實體圖形

4.2自主設計零件如圖4所示自行設計的零件為一個筆筒，為便于加工，筆筒主體和支架（圖5）設計成分體形式。該例在設計上比要求更進了一步，變成了2個零件。由于這次實習是學習方法，不是為加工更多的零件，故選擇一個零件（筆筒支架）進行編程加工。

為體現數控車削加工的特點，所設計的零件要求至少包含圓柱面、錐面及弧面3種成分，即其刀具軌跡為直線、斜線及曲線。

4.3生成數控程序常規安裝的Pro/E中有的機器沒有安裝NC編程功能，首次使用時需要重新安裝。將Options功能中的“Mold Component Catalog”、“Pro/Plastic Advisor”、“VERICUT（R）for Pro/ENGINEER”和Interfaces中的Pro/CDT、Pro/FEMPOST重新選中進行安裝即可。

圖6~圖7分別為加工的刀具軌跡仿真圖和NC檢測結果。

CAD/CAM實習是一門新的實踐課程。學生利用CAD/CAM軟件和數控設備進行了零件的自主設計、制造全過程的工程實際訓練，融會貫通了所學的相關課程知識，提高了動手能力。通過實習學生學到了一些新知識、培養了創新精神、團隊協作精神、并進行了一定的寫作訓練，為后續課程的進一步學習打下了扎實的基礎，也為具有進行整機設計、制造綜合應用能力起到橋梁和銜接的作用。文中給出的實習方案、實施方法，提高了實踐教學的效果，可為相關課程的開設提供參考。

參考文獻

[1]李佳.計算機輔助設計與制造[M].天津大學出版社，2002.