CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的開發(fā)

張小芹+倫翠芬+劉雅俊+孫磊+趙進尚

摘要：以培養(yǎng)學生的應用能力為目的，將CAD、CAE、CAM三個模塊內(nèi)容有序地銜接、有機地融合在一起，開發(fā)了CAD/CAE/CAM技術與實訓課程。文中詳細介紹了課程的培養(yǎng)目標、內(nèi)容設置、教學方法和組織形式。在本課程中以產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為導向，以任務驅動貫穿整個教學過程，培養(yǎng)學生應用當前大型主流CAD/CAE/CAM軟件進行產(chǎn)品開發(fā)的能力，同時培養(yǎng)學生綜合職業(yè)能力。

關鍵詞：任務驅動；課程開發(fā)；CAD/CAE/CAM；項目教學

當前，隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，積極開展高新技術研究，培養(yǎng)特色鮮明的應用型人才已成為理工科院校發(fā)展的重要趨勢。CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展推動了幾乎一切領域的設計、制造技術革命，從根本上改變了傳統(tǒng)的設計、生產(chǎn)、管理模式。目前，CAD/CAE/CAM技術已廣泛應用于航空、航天、軍工、汽車、船舶、機械、模具、電子、輕工、裝備等各個領域，為企業(yè)在激烈的市場競爭中發(fā)揮著越來越重要的作用。CAD/CAE/CAM技術的發(fā)展與應用程度已成為衡量一個國家科技發(fā)展水平和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一。作為機械設計與制造工程人員掌握現(xiàn)代化的CAD/CAE/CAM一體化技術是十分必要的。

一、 CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的內(nèi)涵

CAD/CAE/CAM涉及計算機圖形學、數(shù)控加工技術、有限單元分析法、計算機仿真、最優(yōu)化設計、計算機信息集成技術等多門課程，是理論性和實踐性都很強的綜合性課程，具體教學內(nèi)容應體現(xiàn)知識的系統(tǒng)性、完整性、先進性和實用性。

二、 CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的開發(fā)

（一） 課程的培養(yǎng)目標

CAD/CAE/CAM技術與實訓課程的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)學生的應用能力，使在掌握CAD/CAE/CAM技術的基礎上，能夠熟練應用當前大型通用CAD/CAE/CAM軟件，進行裝備制造業(yè)、汽車行業(yè)或模具產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的三維設計、有限元分析、結構優(yōu)化、工藝分析與設計以及數(shù)控編程與加工仿真等工作。

（二） 課程內(nèi)容的設置

以產(chǎn)品的生產(chǎn)過程作為導向，將課程結構劃分為CAD、CAE和CAM三個主模塊。CAD模塊包括幾何建模、零件裝配、運動仿真和工程圖四個子模塊；CAE包括有限元分析和優(yōu)化兩個子模塊；CAM模塊包括工藝設計、自動編程、加工仿真和車間加工四個子模塊。

CAD，CAE模塊采用法國達索公司的SolidWorks軟件；CAM模塊采用美國CNC Software，Inc公司的MasterCAM軟件。

1. SolidWorks軟件概述

SolidWorks軟件功能強大、易學易用，是目前領先的、主流的三維CAD解決方案。使用SolidWorks軟件，機械設計工程師能快速按照其設計思想繪制出草圖，并運用特征與尺寸，繪制模型實體、裝配及詳細的工程圖。整個產(chǎn)品在設計過程中是百分之百可編輯的，即模型實體、裝配體和工程圖之間是全相關的。除了產(chǎn)品設計，SolidWorks還可以對設計的產(chǎn)品進行運動模擬、碰撞檢查、運動學分析、有限元分析及優(yōu)化設計等功能。

SolidWorks Simulation是SolidWorks家庭最熱銷的分析解決方案，集功能強大、計算精確和簡單好用三大特點于一身，能夠進行應力分析、應變分析、變形分析、熱分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析。使用SolodWorks Simulation，工程師可以最大限度地縮短設計周期、降低測試成本、提高產(chǎn)品質量，加大利潤空間。SolidWorks Motion是基于ADAMS解決方案引擎創(chuàng)建的，可以在CAD系統(tǒng)構建的原型機上查看其工作情況，從而檢測設計結果，如電機尺寸、壓力過載、齒輪轉動率運動零件干涉等設計中可能出現(xiàn)的問題，進而修改設計，得到進一步優(yōu)化的結果。

在本課程中，學生不僅可以熟練掌握利用SolidWorks軟件進行草圖設計、零件造型、裝配、將三維實體轉化成符合國標的二維工程圖等基本建模技術，而且深入學習SolidWorks Simulation 的靜力學分析、失穩(wěn)分析、疲勞分析、優(yōu)化及Solidworks Motion的虛擬樣機分析等高級分析功能。

2. MasterCAM軟件概述

MasterCAM是美國CNC Software，Inc公司開發(fā)的基于PC平臺的CAD/CAM軟件。該軟件自1984年問世以來，就以其強大的加工功能聞名于世。它集二維繪圖、三維實體造型、數(shù)控編程、刀具路徑模擬及真實感模擬等到功能于一身。對系統(tǒng)運行環(huán)境要求較低，而且價位適中，對廣大的中小企業(yè)來說是最理想的選擇，是最經(jīng)濟有效的全方位的軟件系統(tǒng)。本課程中主要學習MasterCAM的CAM功能，除了常用的數(shù)控車削加工、二維銑削加工之外，還深入學習多軸銑削加工、車銑復合加工等高級功能。

結合SolidWork的CAD/CAE和MasterCAM的CAM功能，將軟件的學習與產(chǎn)品的設計制造過程融合到一起，將產(chǎn)品設計制造理論與軟件操作實踐相結合，提升學生利用軟件進行產(chǎn)品開發(fā)的能力。

（三） 任務驅動模式教學方法

在教學方法上，秉承“以企業(yè)需求為導向，以提高職業(yè)能

力為核心”的理念，充分體現(xiàn)“教、學、做合一”思想，采用任務驅動模式，讓學生在完成任務的過程中完成理論與實踐的學生，做到“學中做，做中學”。以二級圓柱齒輪減速器為例，任務分解為：減速器零件建模與裝配，運動仿真，工程圖的生成，有限元分析及優(yōu)化，自動編程與加工仿真五個任務模塊，每個任務模塊按減速器結構與零件類型分為若干子模塊，每個子模塊中包含若干個項目，每個項目結束，根據(jù)軟件功能增加1-2個項目拓展任務，以進一步熟悉和深化軟件的使用。

在任務實施過程中，以項目教學法的形式實現(xiàn)。每個項目由七部分組成，包括項目任務描述、項目目標、知識鏈接、項目規(guī)劃、項目實施、項目拓展，使學生在任務的完成過程中既學到了產(chǎn)品相關理論知識又掌握了實踐操作技能。

（四） 教學的組織

在教學過程中，采用項目教學的形式，以學生操作為主，教師指導為輔，下面以直齒圓柱齒輪的建模為例進行說明。

1. 項目任務：（任務零件圖略）

2. 項目目標：掌握直齒圓柱齒輪建模方法；掌握漸開線生成的不同方法；掌握轉換實體引用、放樣特征、陣列特征、鏡向特征等命令的使用。

3. 知識鏈接：漸開線的繪制方法（內(nèi)容略）

4. 項目規(guī)劃：

方案1：齒輪輻板（旋轉凸臺）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——齒形草圖（單齒齒形草圖——草圖陣列）——拉伸。方案2：齒根圓柱（拉伸凸臺）——輻板（拉伸切除）——板孔（拉伸切除，陣列）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——單齒（拉伸）——輪齒（陣列）。方案3：齒輪端面草圖（包含所有齒齒形，板孔，軸孔與鍵槽截面）——拉伸——輻板凹槽（拉伸切除或旋轉切除）。

其他方案。

5. 項目實施：分組選擇不同方案（詳細過程略）

6. 項目評價：各組介紹不同方案實施過程，討論不同方案的優(yōu)缺點。

7. 項目拓展：（略）

三、 結論

在應用型大學建設過程中，對CAD/CAE/CAM技術與實訓課程進行開發(fā)與探討，采用任務驅動的教學模式，與項目教學法相結合，將CAD、CAE、CAM三部分內(nèi)容與產(chǎn)品的設計制造過程相融合，強調基礎知識與實例相結合，突出設計理念和設計思路，使學生能夠輕松掌握所學軟件進行產(chǎn)品開發(fā)的能力，同時培養(yǎng)學生的學習能力、合作能力和解決問題的能力等綜合職業(yè)能力。

參考文獻：

[1]郝洪艷，孔凡新，查光成.新技術應用能力需求下CAD/CAM實訓教學體系的構建[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（06）：123-125.

[2]高偉強.機械CAD/CAE/CAM技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2013（7）：4-10.

作者簡介：張小芹，倫翠芬，劉雅俊，孫磊，趙進尚，河北省秦皇島市，河北科技師范學院。endprint