基于企業產品開發過程的“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”方法研究

夏紅梅, 甄文斌, 王紅軍, 鐘志清

(華南農業大學 工程學院, 廣東 廣州 510642)

基于企業產品開發過程的“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”方法研究

夏紅梅, 甄文斌, 王紅軍, 鐘志清

(華南農業大學 工程學院, 廣東 廣州 510642)

“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”可加深學生對基于統一產品數據信息的集成設計制造技術的理解和掌握,提高學生利用機械CAD/CAE/CAM技術解決產品開發問題的能力,增強學生就業競爭力。基于企業實際產品開發過程,提出綜合訓練目標和實施流程,制定流程各環節具體內容和要求。提出產品對象選取、開發軟件選取和綜合訓練時間短的解決方法。利用工程訓練中心已有條件,提出綜合訓練計劃。采用綜合訓練成果公開展示和答辯的考核方式,制定評分標準,進行成果等級評價。

機械CAD/CAE/CAM綜合訓練； 企業產品開發過程； 實踐教學方法

機械CAD/CAE/CAM技術是隨著計算機軟硬件技術和機械設計制造技術飛速發展的一門多學科綜合性應用技術,是現代產品虛擬數字化設計的載體,也是先進制造技術的基礎。機械CAD/CAE/CAM技術是企業技術創新和開拓市場的重要技術手段,已在機械、電子、汽車、船舶、航空、航天等領域的產品研發過程中廣泛應用,其發展和應用水平已成為衡量一個國家和企業技術水平的重要標志之一,是工科學生和工程技術人員必須掌握的一門基本技術[1-3]。我校機類專業在“機械CAD/ CAM”理論教學、CAD/CAM應用軟件、數控技術、機制加工工藝學和模具設計等相關課程結束后,開設為期1周的“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”實踐教學環節,遵循企業實際產品開發路線,加深學生對相關理論知識的理解和掌握,提高學生應用機械CAD/CAE/CAM技術解決產品開發實際問題的能力,增強學生的就業競爭力。

1 綜合訓練目標與要求

“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”以機類專業學生就業方向上的典型產品開發為目標,要求學生對產品參考實物模型進行拆裝分析,完成整個產品開發過程中的CAD、CAE和CAM任務環節,使學生深入理解產品開發生命周期過程,進一步鞏固基于信息集成的設計制造理論知識和技術方法,掌握基于統一產品數據信息的集成設計制造技術,掌握不同CAD/CAE/CAM軟件間的數據共享和集成方法,熟練應用國際上較為流行的CAD/CAE/CAM 軟件,樹立先進設計制造技術理念,提高創新意識、自我學習和相互學習能力,綜合應用相關知識能力、實際動手能力和就業競爭力,為順利走上工作崗位奠定基礎[4-6]。

根據學生前期基礎課程知識掌握情況,結合現代產品開發生命周期過程思路,設計綜合訓練實施流程,如圖1所示[7-10]。

圖1 綜合訓練實施流程

流程中各環節具體內容和要求包括:

(1) 合理選取產品開發對象。產品開發對象應考慮就業需求,并結合個人興趣合理選取。產品對象不能過于簡單,零件或構件總數不可少于8個，也不能過于復雜,應有實際產品或模型做參考。

(2) 有一定創新性的產品概念設計。可從產品功能原理方案、運動機構方案或外觀造型的新穎性、宜人性和易加工性等角度開展創新設計。概念設計成果應以產品三維數字模型的渲染效果圖展示。

(3) 基于實物參考模型的產品CAD模型設計。對所選產品實物模型進行拆裝和分析,避免憑借網絡圖片資料或個人想象拼湊產品機構或結構形式,造成機構運動原理錯誤或結構不合理等問題,保證后續CAE分析模型的合理性。針對概念設計方案進行產品結構模型設計,建立產品的三維CAD模型。

(4) 合理的產品CAE分析。分析產品對象在實際使用或制造中存在的運動學、力學或成型工藝等問題,選取機構運動學/動力學、零部件結構靜力學、零件模具設計或成型工藝中某一方向問題進行分析,基于CAD模型建立CAE分析模型,進行產品的分析與優化。

(5) 零件的虛擬仿真加工和模型實物數控加工。選取產品典型零件,進行零件特征分析和加工工藝規劃,制定加工工藝路線和工序參數,對各工序進行刀具路徑規劃,完成模擬加工,輸出數控加工代碼。選用代木、蠟塊等材料進行加工實驗,修改加工指令,輸入數控機床,加工出零件外形。

(6) 圖紙和文檔管理。按國標要求繪制產品工程圖,完成產品裝配圖、爆炸圖和各零件工程圖。撰寫產品設計說明書一份,包括產品背景和開發意義,CAD、CAE和CAM各環節的主要過程與成果,綜合訓練總結等內容。

(7) 提交材料要求。每位學生提交產品開發紙質說明書一份,采用A4紙打印,封面用230克淺藍色虎紋紙裝訂；提交產品所有相關CAD/CAE/CAM部分運行電子文件；提交加工零件實物模型一件。

2 實施方法

在訓練任務對象方面,考慮機類專業學生從事專業方向的工作有機械類產品的設計、制造、模具設計和機械裝備的設計、維護及銷售等類型。可選取實驗室已有機構、夾具和模具實物模型資源,或生活中正在使用、方便進行拆裝、方便獲取產品參考結構的家電類產品,如手機、臺燈、風扇、吹風機等,使學生訓練之初具有較好興趣和感性認識,并能通過實際測繪獲取設計產品數據參數。

在設計軟件選取方面,指導學生掌握軟件間的差異,正確區分集成類型軟件和單一功能軟件,了解常用軟件的功能模塊。通過資料收集和調研的方法,了解目前珠三角企業在產品設計開發中軟件的應用情況,指導學生合理選擇利用現代企業流行的計算機輔助軟件完成產品的開發任務。

為解決訓練時間短的問題,在前期“機械CAD/CAM”理論課程講授過程,采用目標教學方法,在教學初始下達綜合訓練任務,將訓練任務內容“化整為零”進行教學[11]。在理論教學過程中,結合任務內容進行有目的的引導,讓學生帶著任務主動學習,利用理論課程學習的課余時間進行任務內容思考和軟件應用的準備。使學生在綜合訓練開展時已具備解決任務的理論基礎和軟件應用基礎,明確設計任務要求,選定好開發產品目標,并完成產品實物模型拆裝和測繪[12-13]。

3 實施條件與計劃

綜合訓練在我校工程訓練中心實施。中心的機械基礎實驗室有塑料注射模、吹塑模、吸塑模、擠塑模、五金沖壓模等模具類模型,車床夾具、銑床夾具、鉆床夾具、鏜床夾具、檢驗夾具、組合夾具等夾具類模型；油泵、額式破碎機、裝訂機、拋光機、剪床機構、制動機構、機械手腕部機構、步進輸送機等機構類模型及扳手、起子、虎鉗、錘子、游標卡尺、鋼卷尺和鋼皮尺等拆裝和測量工具,為綜合訓練提供產品參考模型和拆裝測繪條件。

中心CAD/CAM實驗室配有揚天 A8800t計算機、CANON掃描儀和HP激光打印機等設備,安裝有ProeWildfile4.0、NX7.0、Solidworks2010、ADMAS2007、Ansys12.0、Mastercam8.0,Moldflow2010,CAXA2007,Autocad2010等軟件,提供產品的設計、分析和零件NC仿真加工條件。中心的機械加工車間有VM6540立式加工中心、CK6132/750數控車床、XK5025/6數控銑床、DK7732G數控線切割機床等設備,配有各種型號車刀、銑刀、夾具、扳手等工具,及代木、蠟塊、鋼板等加工材料,提供零件實物模型數控加工條件。

根據綜合訓練流程與要求,制定實施計劃如表1所示。

表1 實施計劃

表1(續)

4 評價體系

客觀、全面和公正地評價學生的綜合訓練成果是實踐教學的重要環節[14]。僅對設計說明書和產品工程圖紙結果質量進行綜合評價,難以在學生之間進行成果交流,無法形成成果激勵,一些抄襲問題也難以發現,無法體現公平評價。為此采用以班為單位進行作品公開展示和答辯的考核方式。每位學生答辯時間不超過10 min,在前5 min內應用所選軟件演示主要設計、分析和加工過程,展示設計說明書、產品工程圖紙和加工實物模型；在后5 min內回答老師和同學的提問。根據綜合訓練大綱要求,確定產品開發過程各任務環節具體項目和分值比重,制定作品評分標準如表2所示。由指導教師依據評分標準對于每個學生的綜合訓練成果進行打分,按優 (90～100)、良(80～89)、中(70～79)、及格(60～69)、不及格(<60)5個等級評定,見表2。

表2 評分標準

5 結束語

依據機類專業就業方向特點,充分利用校工程訓練中心條件,以實驗室已有模具、夾具、機構模型,或學生正在使用、感興趣、便于拆裝獲取產品參考結構的家電類產品為對象,通過拆裝參考產品模型獲取結構信息,按照企業產品開發過程思路完成產品的概念設計、三維結構建模、仿真分析與優化、典型零件的NC仿真加工和實物模型加工、撰寫設計說明、生成產品工程圖檔等任務。按教學大綱要求制定訓練成果評分標準,以班為單位進行訓練成果公開展示和答辯,在師生間開展交流與討論,最后由指導教師依據評分標準對學生的訓練成果進行等級評價。

2010級和2011級機類專業“機械CAD/CAE/CAM綜合訓練”實施結果表明,以就業為導向,基于產品開發過程的綜合訓練極大地提高了學生的學習興趣,增強了學生獨立解決產品開發中的硬件、軟件和設計技術等問題的能力,推進了學生自主創新設計的主動性和積極性,促進了學生間的相互學習與交流,進一步加深了學生對理論知識的認識,提高了學生綜合應用所學知識和技術解決產品開發實際問題的能力,增強了學生的就業競爭力。

References)

[1] 王隆太,朱燈林,戴國洪.機械CAD/CAM技術[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2] 杜平安,范樹遷,葛森,等.CAD/CAE/CAM方法與技術[M].北京:清華大學出版社,2010.

[3] 胡紅舟,鐘志華,楊旭靜.機械CAD/CAM Mechanical Engineering CAD/CAM[M].武漢:武漢理工大學出版社,2004.

[4] 湯修映,張增學,朱順先,等.CAD/CAM技術案例教程[M].北京:北京大學出版社,2010.

[5] 王耕耘,王華昌,李寶,等.模具CAD/CAM/RPM綜合實驗[M].北京:機械工業出版社,2011.

[6] 付鐵,高志,王君英.計算機輔助機械設計實訓教程[M].北京:北京理工大學出版社,2005.

[7] 肖軍民.基于產品開發過程的模具專業項目教學探究[J].遼寧高職學報,2010,12(3):26-27.

[8] 胡義剛,沈永剛.CAD/CAM綜合性訓練的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索,2008,27(6):131-134.

[9] 高偉強,閻秋生,秦哲.“CAD/CAM/CAE課程綜合訓練”教學的實踐與探討[J].廣東工業大學學報:社會科學版,2004(增刊):182-184.

[10] 胡偉,魏昕,謝小柱.“CADCAMCAPPCAE課程綜合訓練”教學探索[J].廣東工業大學學報:社會科學版,2008(增刊):76-77.

[11] 吳鳳和,陳錦江,李金良,等.目標教學在CAD/CAM課程教學中的應用[J].教學研究,2009(1):64-66.

[12] 夏紅梅,王紅軍,甄文斌.項目教學法在《機械CAD/CAM》雙語教學中的應用[J].湖南科技學院學報,2009,30(12):101-103.

[13] 周麗萍,朱和軍,陳俊,等.基于項目化教學法CAD/CAM/CNC一體化案例開發和運用[J].實驗科學與技術,2013,11(4):92-95.

[14] 張旭晨,宮麗,林琦,等.基于工作過程導向的模具CADCAM 課程標準的制定[J].農業與技術,2012,32(12):156.

Study on practical teaching method of mechanical CAD/CAE/CAM integrated training based on enterprise product development process

Xia Hongmei, Zhen Wenbin, Wang Hongjun, Zhong Zhiqing

(College of Engineering,South China Agriculture University, Guangzhou 510642， China)

Carrying out the mechanical CAD/CAE/CAM integrated training can deepen students’ understanding and mastery of integrated design and manufacturing technology based on the unified product data information,improve their abilities of solving problems in product development process, and enhance their employability and competitiveness. Based on the actual enterprise product development process,the integrated training objectives and implementation processes are brought forward,and the specific content and requirements for various aspects of development process are made. Solutions for selecting product development objects,choosing development software and properly utilizing the short training time are put forward. Based on the condition of engineering training center of our university,the integrated training plan is put forward. Through the assessment method of showing product development achievements in class and answering inquiries of teachers and classmates,establishing the scoring criteria, the grade evaluation of the integrated training can be obtained.

mechanical CAD/CAE/CAM integrated training; enterprise product development process; practical teaching method

2014- 09- 10 修改日期：2014- 11- 02

國家自然科學基金項目(51005080)；華南農業大學教改項目(JG08064)

夏紅梅(1975—),女,江蘇興化,博士,副教授,主要從事現代機械系統設計理論與方法研究.

E-mail：xhm_scau@scau.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0183- 04