機械CAD∕CAM技術課程的教學改革與實踐

于 斐，劉光明，焦益群

（1.南昌航空大學航空制造工程學院，江西 南昌 330063；2.南昌航空大學材料科學與工程學院，江西 南昌 330063）

1 引言

CAD∕CAM技術是隨著計算機和數字化信息技術發展而形成的新技術，它的應用已成為衡量一個國家科技現代化和工業現代化水平的重要標志。現在，我國逐步成為世界的制造業中心，需要大批制造技術應用型人才，加強機械CAD∕CAM技術課程的教學，提高專業人才培養質量，是實現機械類應用型、復合型人才培養的重要環節［1］。

機械CAD∕CAM 技術作為機械設計制造及其自動化專業的專業核心課程，講授CATIA軟件，它是大型的CAD∕CAM∕CAE一體化應用軟件，其集成解決方案覆蓋了產品設計與制造領域，既提供了支持各種類型的協同產品設計的必要功能，也可無縫集成，其特有的混合建模技術，更是推動著企業競爭力和生產力的提高［2］。因此，熟練掌握該軟件是機械制造專業學生的必備技能，由于該課程涉及的學科多，傳統的教學方法和考核方式難以激發學生的積極性和創造性。因此，如何培養滿足社會和時代需求的高技能創新型人才是機械CAD∕CAM 技術課程進行教學改革的主要目標。

2 傳統課程教學存在的弊端

機械CAD∕CAM 技術課程具有實踐性、應用性強的特點，是學生由偏重理論學習向結合工程實踐學習的過渡和轉折，在專業學習中起到承上啟下的作用。由于受傳統教學模式的影響，培養的CAD∕CAM人才的綜合能力相對薄弱，主要體現在學生的實踐能力欠缺，達不到相應的技術水平和能力，具體原因主要有以下幾個方面。

2.1 教學內容陳舊

CAD∕CAM 技術的應用領域不斷擴展，如逆向造型、虛擬制造、高速加工和超精密加工技術的應用，極大提高產品質量，縮短生產周期，快速有效地響應瞬息萬變的市場。但是，CAD∕CAM新技術、新知識在教學中增加遲緩，不利于學生全面素質的提高和創新意識的培養。

2.2 教學方法相對單一

傳統的教學模式，突出教師的主體地位，學生在學習過程中處于被動狀態，積極性不高，主動性不強，只能應用CATIA軟件進行簡單的零部件建模和加工編程，缺乏對產品整體設計的把握。

2.3 實踐訓練環節不足

機械CAD∕CAM 技術課程培養學生分析和解決工程實際問題的能力，但目前的上機操作，多為驗證性，不利于學生創新能力的培養。更為重要的是，與CAD∕CAM 技術匹配的數控設備操作，沒有在課程體系中體現出來。

2.4 考核方式不科學

目前的考核方式，以期末考試成績作為主要評定指標，忽視過程性考核，缺乏發展性的評價理念，對學生的整體學習效果和綜合能力的考核是不全面的，影響學生綜合能力和素質的提高，與當代大學教育注重高素質專門人才和創新人才的培養模式不相適應的［3］。

3 教學改革方案

機械CAD∕CAM 技術課程，以三維實體造型設計、產品的虛擬裝配、工程圖設計和數控加工編程為知識目標，以能夠熟練使用CATIA軟件進行數字化建模、模型裝配、生成二維工程圖、仿真加工和數控加工為技能目標［4］。針對傳統課程教學中存在的弊端，從以下幾方面進行改革：

（1）精選教學內容，培養應用能力為主題。

教學內容做到適時更新，注重反映CAD∕CAM技術在國內外的最新發展。在教學過程中，選取一系列企業典型零件和產品，從易到難，以點帶面，突出重點，注重培養學生的活學活用能力，提高整體素質和學習效果。適當采取講座的形式，讓學生了解CAD∕CAM技術的前沿發展概況，拓寬學生的知識面，激發學習興趣，增強綜合能力。

（2）改革教學方法，提高學生學習的主動性。

①創新課堂教學模式

課程采用項目式教學法，將企業真實案例引入課堂，將所有的知識點及操作方法都融入實際的案例中去教學。針對教學內容，首先講解各個操作使用的基本技巧，然后引領學生在實例中確定目標要求，制定具體計劃，在設計過程中融入自己的創新思維，教師擔負教學過程的組織者和引導者的角色，充分發揮學生的主體作用，調動學生的學習興趣和探索欲望，多方位培養學生創新思維能力、發現問題、分析問題和解決問題的能力。采用面向問題的啟發式教學，課堂討論與交互式教學方法相結合，做到精講多練、邊講邊練、講練結合，使課堂氣氛生動活潑，激發學生的學習興趣，促進學生積極思考。

②能力提升途徑多元化

拓展多樣化的實踐能力提升途徑，如鼓勵學生積極參與中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國3D大賽和挑戰杯等科技競賽，增設專題在網絡教學平臺進行討論，鼓勵學生將討論的主題與課外科技活動相結合，強化學生的參與意識。通過競賽激發學生的學習熱情，做到學以致用，增強學生的動手能力和設計能力，從而為今后的創新創業打下堅實基礎。

③積極采用先進教學手段

采用視頻、動畫和圖片等多媒體教學手段，增強教學的生動性和直觀性，促進學生對知識的理解和掌握。學生可以通過學校網絡教學平臺，進行課程的預習、復習、網上答疑和討論，結合教師的課堂教學，使學生熟練掌握CATIA軟件的操作。

（3）強化實踐訓練，提升實際應用能力。

強化學生實踐能力的培養，上機以實例操作為主，掌握軟件的常用技巧、相關的三維實體造型和自動編程的方法與命令，使學生能自如地進行機械零件的實體造型、虛擬裝配和數控加工程序的編制，并通過后置處理，將生成的NC 代碼傳入數控機床，進行實物的加工［5］。在課程體系中，安排兩周的機械CAD∕CAM技術課程設計，學生可以得到機械產品三維設計的專項訓練以及數控加工的實訓，進一步提升產品設計與數控加工的實際應用能力［6］。

（4）改革考核方式，實行多元化測評。

加強過程性考核，弱化考試性評價，以能力訓練為主導思想，采用實踐能力、創新能力評價、定性與定量相結合的多元化考核方式評價體系。最終成績評定如下：平時成績占20%，上機實踐成績占30%，大作業成績占50%。平時成績主要包括考勤（10%），課堂提問（5%）及討論（5%）。通過改革考核方式，培養學生養成良好的創新意識，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，為創新創業和產品開發能力提供保障。

4 課程教學改革實踐

以整體葉輪為例，對教學改革進行實踐，整體葉輪的CAD∕CAM結構，如圖1所示。

圖1 整體葉輪的CAD∕CAM結構圖Fig.1 CAD∕CAM Structure Diagram of the Integral Impeller

整體葉輪是能源動力、航空航天和石油化工等行業廣泛使用的關鍵部件，其葉片多為非可展扭曲直紋面，若干葉片均勻分布在輪轂上，相鄰葉片之間形成流動通道，葉片曲面扭曲嚴重，葉片之間的互相遮掩，使流道進一步變窄，加工難度大，是典型的五軸加工零件［7］。整體葉輪的三維實體造型，如圖2所示。整體葉輪CAD∕CAM任務的選取，貼近機械設計制造及自動化專業且有利于創新能力的提高，調動學生的積極性。

圖2 整體葉輪的三維實體造型Fig.2 3D Solid Modeling of the Integral Impeller

整體葉輪的建模和加工編程過程分為：葉輪的結構分析和三維建模、葉輪的加工工藝過程分析和刀位軌跡生成、加工仿真、后置處理四個階段［8］，涵蓋了掃略曲面、橋接曲面、曲面接合、旋轉陣列、布爾運算、加工參數設置、刀具路徑規劃、動態仿真和后置處理等知識點。

根據整體葉輪的結構特征和使用要求，其基本加工工藝流程為：

（1）車削加工回轉體的基本形狀；（2）外形整體粗加工；（3）流道和葉片的粗加工；（4）流道和葉片的精加工［9］。加工葉輪的葉片和流道時，由于葉片之間空間較小，刀具極易與葉片發生碰撞干涉。因此，在數控加工編程的過程中，注意刀具的軌跡規劃，以保證葉輪的加工質量，葉片的粗加工刀路，如圖3所示。

圖3 葉片的粗加工刀路Fig.3 Roughing Tool Path of the Blade

整體葉輪的加工采用MIKRON UCP 600 Vario 五軸高速加工中心，如圖4 所示，該機床配置HEIDENHAIN iTNC530 系統。將刀具路徑文件，通過后置處理器，生成數控機床所能識別的NC 程序，并傳入五軸加工中心，加工出整體葉輪實物［10］。綜合考慮安全性和經濟性，采用可機加工樹脂板材作為加工材料，整體葉輪的流道加工，如圖5所示。整體葉輪的葉片加工，如圖6所示。在整個的教學過程中，將理論教學與具體的設計任務相結合，在任務的實施過程中，對各階段項目任務再進行具體細分，針對學生遇到的問題，及時予以引導，展開學生間的討論，并進行點評。整個實踐過程中，從數字化建模、數控加工程序的編制到加工實物的全過程，都是以教師為主導，以學生為主體，培養學生的探索精神和創新能力。

圖4 MIKRON UCP 600 Vario 五軸高速加工中心Fig.4 MIKRON UCP 600 Vario Five-Axis High Speed Machining Center

圖5 整體葉輪的流道加工Fig.5 Flow Channel Processing of the Integral Impeller

圖6 整體葉輪的葉片加工Fig.6 Blade Machining of the Integral Impeller

5 結論

機械CAD∕CAM技術課程以培養學生創新能力為目標，提高學生的自學能力、實踐能力和綜合能力，以典型的五軸加工零件—整體葉輪作為實踐項目之一，在教學過程中采用提問、啟發、討論和互動等方式，采用先進的教學手段，并借助網絡教學平臺，課堂教學以基礎→實踐→綜合→創新為主線，將所學的理論知識和需要提升的實踐能力相結合，培養基礎扎實、實踐能力強的應用型、復合型、創新型高級專門人才。