CAD/CAM系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系的改革與實(shí)踐

段紅杰 肖艷秋 白代萍

鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河南鄭州 450002

目前高等教育發(fā)展的重點(diǎn)已由數(shù)量擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量的提高，教學(xué)內(nèi)容和課程體系直接反映教育的目的和培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)也是培養(yǎng)高素質(zhì)人才、提高教育質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)。多年來(lái)針對(duì)機(jī)械類專業(yè)的CAD/CAM系列課程的教學(xué)改革一直都在進(jìn)行，并取得了一定的效果，但整個(gè)改革主要還是圍繞二維繪圖、二維設(shè)計(jì)展開(kāi)的，較少觸及目前制造業(yè)廣泛使用的三維實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)、繪圖、修改工作量大，浪費(fèi)了大量的精力和時(shí)間，在課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中問(wèn)題尤其突出，不利于培養(yǎng)造就制造業(yè)急需的具有現(xiàn)代設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)的人才。

1 構(gòu)建CAD/CAM系列課程新體系，培養(yǎng)高素質(zhì)人才

針對(duì)目前CAD/CAM系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系存在的問(wèn)題，密切結(jié)合當(dāng)今世界制造技術(shù)的飛速發(fā)展，采用現(xiàn)代三維CAD/CAM技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的二維繪圖、二維設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與課程體系進(jìn)行全面重組與整體優(yōu)化，以先進(jìn)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)系統(tǒng)為平臺(tái)，以培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代化工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力為目的，將現(xiàn)代三維設(shè)計(jì)、分析與制造理念和方法全面引入CAD/CAM系列課程教學(xué)過(guò)程，建立了全新的基于三維CAD/CAM技術(shù)的系列課程體系。在課程設(shè)置上，充分考慮社會(huì)與時(shí)代要求、科學(xué)知識(shí)及個(gè)性發(fā)展的需求，并實(shí)施了新的人才培養(yǎng)計(jì)劃。經(jīng)過(guò)實(shí)踐、完善，建成了CAD/CAM系列課程體系，如圖1所示。

圖1 CAD/CAE/CAM系列課程體系

2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)、分析、制造的理念和方法

在教學(xué)改革中，教學(xué)內(nèi)容決定著學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)能力，教學(xué)內(nèi)容必須緊跟科技的發(fā)展，緊密聯(lián)系客觀實(shí)際。在教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的制造技術(shù)，將三維實(shí)體技術(shù)貫穿于教學(xué)全過(guò)程，重點(diǎn)構(gòu)建好三維CAD/CAE/CAM技術(shù)平臺(tái)[1,2]。

2.1 以三維CAD技術(shù)為平臺(tái)，培養(yǎng)新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)表達(dá)方法

現(xiàn)代CAD/CAE/CAM技術(shù)使得數(shù)字化三維實(shí)體成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工的數(shù)據(jù)源頭和載體，三維實(shí)體成為工程技術(shù)界的新語(yǔ)言。在三維CAD平臺(tái)下，設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品的實(shí)際需要出發(fā)，可以利用所掌握的三維實(shí)體設(shè)計(jì)理論和方法，建立三維實(shí)體模型并真實(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，直接觀察產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是否合理、設(shè)計(jì)上有無(wú)缺陷、各零部件的裝配關(guān)系有無(wú)干涉現(xiàn)象等，并且可以通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果加以檢驗(yàn)。因此，學(xué)習(xí)和使用三維CAD平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將設(shè)計(jì)構(gòu)思和表達(dá)統(tǒng)一起來(lái)，有利于思維的創(chuàng)新。

為此，在機(jī)械類教學(xué)中，我們將三維實(shí)體設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)方向，引入主流三維設(shè)計(jì)軟件Solid Works。Solid Works的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，為工程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。同時(shí)也可以在教學(xué)過(guò)程中，將Solid Works軟件作為輔助的教學(xué)工具，充分利用其真實(shí)三維環(huán)境，形象、直觀地演示從物體——平面圖形——物體的投影轉(zhuǎn)化過(guò)程，以及各種實(shí)體建模的方法，幫助學(xué)生理解投影的基本知識(shí)、三維建模理論知識(shí)等內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

2.2 以三維CAE技術(shù)為平臺(tái)，開(kāi)設(shè)現(xiàn)代分析計(jì)算方法學(xué)課程

將有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)知識(shí)引入到新的課程體系中，改變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)公式、手工計(jì)算的方法。借助Cosmos/Works等三維CAE設(shè)計(jì)軟件，直觀地進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，載荷和邊界條件確定，強(qiáng)度、剛度分析計(jì)算。培養(yǎng)新的設(shè)計(jì)理念，使學(xué)生掌握全新的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的3個(gè)轉(zhuǎn)變：

(1)由手工設(shè)計(jì)計(jì)算向應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析計(jì)算轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；(2)由過(guò)去的圖解法向解析法轉(zhuǎn)變，使理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)統(tǒng)一起來(lái)，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量；(3)由過(guò)去重機(jī)構(gòu)分析計(jì)算向重機(jī)構(gòu)綜合轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生機(jī)構(gòu)方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力與綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真基本知識(shí)和三維CAD設(shè)計(jì)軟件的使用結(jié)合起來(lái)，借助三維CAE設(shè)計(jì)軟件分析計(jì)算零件應(yīng)力、應(yīng)變、變形大小、約束反力等。使學(xué)生掌握有限元分析計(jì)算方法，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真等新的設(shè)計(jì)分析方法。

通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算方法課程的教學(xué)，生動(dòng)具體地講解優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生提出、分析和解決問(wèn)題的能力。

2.3 以三維CAM技術(shù)為平臺(tái)，培養(yǎng)現(xiàn)代加工制造技能

為了使機(jī)械專業(yè)學(xué)生更好地掌握現(xiàn)代加工制造方法，在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行兩方面的改革，一是濃縮傳統(tǒng)的專業(yè)課，將金屬切削原理與刀具、金屬切削機(jī)床、機(jī)械制造工藝、機(jī)床夾具設(shè)計(jì)等整合為機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。二是增加現(xiàn)代三維CAM技術(shù)方面的知識(shí)內(nèi)容，主要講解數(shù)控技術(shù)概念和數(shù)控加工原理，數(shù)控編程基礎(chǔ)及手工和自動(dòng)編程方法及數(shù)控加工仿真等。

為達(dá)到突出“學(xué)為所用”的目的，使學(xué)生真正掌握現(xiàn)代加工制造方法和技能，在教學(xué)中，引入三維CAM軟件So1id CAM。So1id CAM是Solid Works的嵌入式NC軟件，Solid CAM軟件完全運(yùn)行在Solid Works內(nèi)，可以獲得所有Solid Works的數(shù)據(jù)，利用Solid Works設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型自動(dòng)成為Solid CAM的數(shù)據(jù)源，真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM集成。此外，Solid CAM提供了3種仿真標(biāo)準(zhǔn)，即基本刀具路徑仿真、2D仿真以及加工操作的3D仿真。Solid CAM仿真功能，能很好地驗(yàn)證創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)新愿望，強(qiáng)化工程意識(shí)培養(yǎng)。

在教學(xué)過(guò)程中，安排相當(dāng)數(shù)量的上機(jī)實(shí)踐課時(shí)，學(xué)習(xí)數(shù)控加工程序生成、刀具軌跡模擬仿真及數(shù)控加工仿真。強(qiáng)化理論，突出實(shí)踐動(dòng)手能力和應(yīng)用技能的培養(yǎng)。

3 積極開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)和手段，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

充分發(fā)揮多媒體教學(xué)手段豐富、形象直觀、便于理解、信息量大的特點(diǎn)，采用圖、文、聲、像并茂的多媒體CAI課件，將三維CAD/CAE/CAM技術(shù)及其相關(guān)課程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，營(yíng)造一個(gè)教學(xué)互動(dòng)、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)環(huán)境。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入三維CAD/CAE/CAM技術(shù)教學(xué)，構(gòu)建虛擬的工程環(huán)境，使學(xué)生在具有交互性的環(huán)境下，進(jìn)行構(gòu)想，自主發(fā)揮，自主設(shè)計(jì)，充分領(lǐng)略用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的含義。

3.1 設(shè)計(jì)三維CAD網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)

三維CAD網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)課程、課后習(xí)題、模型與零件庫(kù)、數(shù)字技術(shù)及網(wǎng)上答疑幾大模塊。網(wǎng)絡(luò)課程模塊包括AutoCAD軟件、SolidWorks軟件、ProE軟件等視頻教程；模型與零件庫(kù)模塊包括二維零件展示、三維零件展示、學(xué)生作品展示、下載專區(qū)等；數(shù)字技術(shù)包括數(shù)控加工、數(shù)字測(cè)量、二次開(kāi)發(fā)、技術(shù)交流等。各子系統(tǒng)和模塊之間通過(guò)導(dǎo)航功能即可實(shí)現(xiàn)模塊之間自由跳轉(zhuǎn)。

3.2 開(kāi)發(fā)三維CAE網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

三維CAE網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括授課系統(tǒng)、教學(xué)輔導(dǎo)、考試系統(tǒng)、在線答疑及互動(dòng)交流等功能，通過(guò)學(xué)生在計(jì)算機(jī)上選擇、設(shè)置、操作等，讓其親身體驗(yàn)課程交互作用所帶來(lái)的樂(lè)趣和感受，提高學(xué)習(xí)效率和興趣，將現(xiàn)代教學(xué)方法融于傳統(tǒng)的教學(xué)方法之中。該系統(tǒng)開(kāi)辟了學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)平臺(tái)，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。

3.3 研制了數(shù)控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)課程

數(shù)控技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。但是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，無(wú)法在課堂上直接感受到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)加工場(chǎng)景。為此，制作數(shù)控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)課程，利用Flash，SolidWorks，Photoshop，Dreamweaver等軟件制作大量的動(dòng)畫(huà)，同時(shí)配有影音文件和圖片，采用圖文、電影、動(dòng)畫(huà)等形式，增強(qiáng)了信息的傳播效果。大量數(shù)控設(shè)備的圖片和數(shù)控加工先進(jìn)制造影片，數(shù)控加工仿真加工動(dòng)畫(huà)，將抽象的教學(xué)內(nèi)容和難于表達(dá)的先進(jìn)制造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，使學(xué)生掌握數(shù)控加工技術(shù)和基本理論，并具有良好的綜合實(shí)踐能力。

4 突出實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)的培養(yǎng)

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的有效途徑，實(shí)踐教學(xué)中，強(qiáng)化三維CAD/CAE/CAM軟件操作技能的培養(yǎng)，把應(yīng)用三維CAD/CAE/CAM軟件解決工程實(shí)際問(wèn)題作為落腳點(diǎn)，使畢業(yè)生與機(jī)械制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫對(duì)接”。為此，我們建立了機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)室[3]。

4.1 三維設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

建立“機(jī)械產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為依托，改變傳統(tǒng)以圖紙為主的交流模式，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、受力分析、仿真、數(shù)控加工全過(guò)程的交流無(wú)圖紙化，探索出一條全新的以三維數(shù)字技術(shù)為主的交流模式，加快制造業(yè)信息化的進(jìn)程。

該實(shí)驗(yàn)室的建立，為廣大學(xué)生提供了創(chuàng)新實(shí)踐的環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新設(shè)計(jì)積極性。學(xué)生可進(jìn)行各種部件、整機(jī)的模型搭建，學(xué)習(xí)相應(yīng)的編程方法，完成模型的設(shè)計(jì)、制作。訓(xùn)練時(shí)采取先向?qū)W生展示已搭建好的工業(yè)模型及控制方式，讓學(xué)生親自拆裝現(xiàn)有工業(yè)模型，在此基礎(chǔ)上允許學(xué)生根據(jù)自己的構(gòu)想，創(chuàng)新搭建自己設(shè)計(jì)的新機(jī)構(gòu)、新系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)工程問(wèn)題的觀測(cè)、分析、更新、設(shè)計(jì)、實(shí)踐，讓學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的全過(guò)程，并完成設(shè)計(jì)構(gòu)思、搭建模型、編程與控制加工，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的相應(yīng)環(huán)節(jié)，通過(guò)創(chuàng)新試驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生掌握機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品的數(shù)字化形成過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新工程意識(shí)。

4.2 數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)室

數(shù)控編程及仿真加工實(shí)驗(yàn)主要是使學(xué)生熟悉常見(jiàn)數(shù)控加工設(shè)備，如數(shù)控銑床、數(shù)控車床的外形布局、運(yùn)動(dòng)分配以及操作方法，掌握編制數(shù)控加工程序的基本方法及常用指令的使用，數(shù)控加工的實(shí)體造型及自動(dòng)編程、數(shù)控加工的計(jì)算、CAD/CAE/CAM集成等訓(xùn)練[4]。

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，數(shù)控編程及仿真加工實(shí)驗(yàn)采取模擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行。為此，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了數(shù)控加工模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該平臺(tái)可以觀看實(shí)體加工過(guò)程模擬仿真演示，完成數(shù)控加工的模擬實(shí)驗(yàn)，滿足數(shù)控實(shí)驗(yàn)基本要求；實(shí)現(xiàn)了被加工零件CADCAM集成，完成了NC程序的自動(dòng)編制與模擬仿真加工；在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持下，學(xué)生能夠完成數(shù)控銑削實(shí)驗(yàn)和數(shù)控車削實(shí)驗(yàn)的以下要求： 工藝參數(shù)擬訂與輸入；選擇加工方式；調(diào)整機(jī)床參數(shù)；觀看實(shí)體加工過(guò)程模擬演示和編制數(shù)控加工程序。它既可用于無(wú)數(shù)控加工設(shè)備的條件下進(jìn)行數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)，也可以用于實(shí)際數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，以減少昂貴的數(shù)控機(jī)時(shí)和防止事故發(fā)生。

5 教學(xué)實(shí)踐與效果分析

5.1 提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

三維實(shí)體模型形象直觀，三維實(shí)體設(shè)計(jì)模式與人實(shí)際上所觀察和認(rèn)識(shí)事物的過(guò)程一致，符合心理學(xué)客體優(yōu)先效應(yīng)，因而簡(jiǎn)便易學(xué)，將學(xué)生從繁瑣的三維到二維、二維到三維的訓(xùn)練中解脫出來(lái)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

5.2 培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)意識(shí)

新的教學(xué)內(nèi)容和課程體系適應(yīng)三維CAD/CAE/CAM技術(shù)發(fā)展的需要，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程設(shè)計(jì)緊密結(jié)合為一體。在教學(xué)中突出三維實(shí)體的地位與作用，使學(xué)生從三維立體入手，較全面地理解物體的構(gòu)成原理與表達(dá)方法。學(xué)生利用所掌握的實(shí)體造型知識(shí)在計(jì)算機(jī)上建立三維模型，并對(duì)其進(jìn)行工程分析、虛擬預(yù)裝配、運(yùn)動(dòng)過(guò)程模擬以及原型制造、虛擬制造等，培養(yǎng)了學(xué)生現(xiàn)代設(shè)計(jì)意識(shí)。

5.3 達(dá)到了學(xué)為所用的教學(xué)目的

學(xué)生以三維實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件為工具，通過(guò)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，掌握了新的設(shè)計(jì)制造方法，正確地表達(dá)了設(shè)計(jì)思想，圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。

學(xué)生利用CAD/CAM技術(shù)設(shè)計(jì)制造的作品榮獲“中南地區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造大賽”二等獎(jiǎng)；在全國(guó)大學(xué)生力學(xué)建模競(jìng)賽中，獲得周培源力學(xué)競(jìng)賽河南賽區(qū)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)多項(xiàng)；在第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽獲得三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械類課程體系改革的突破口在于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造技術(shù)的有機(jī)融合。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們的觀念首先要跟上時(shí)代的步伐，要以本專業(yè)課程體系的整體優(yōu)化為目標(biāo)，以現(xiàn)代CAD/CAE/CAM技術(shù)為平臺(tái)，針對(duì)當(dāng)今世界制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，努力適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)、現(xiàn)代分析、現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)專業(yè)人才的需求；增設(shè)與CAD/CAE/CAM相關(guān)聯(lián)的一系列新課程，最終實(shí)現(xiàn)在無(wú)紙環(huán)境中的設(shè)計(jì)與加工、虛擬樣機(jī)的制作，努力提高現(xiàn)代化教學(xué)層次和教學(xué)目標(biāo)。

[1]段紅杰,于善啟.面向三維CAD/CAM技術(shù)的機(jī)械類專業(yè)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院:社會(huì)科學(xué)版,2007(5):125-127.

[2]陳鵬.基于數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用性本科機(jī)械類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建[J],中國(guó)電力教育,2008(12):101-103.

[3]陳永泰,周榮茂,徐惠容,張桂香,周海萍.數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的綜合利用與教學(xué)研究 [J],實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2004(6):72-74.

[4]馬軍,肖艷秋.基于模塊化思想的CAD/CAM教學(xué)與實(shí)踐[J],山西科技,2010(2):140-141.