機械“專業(yè)模塊設(shè)計+ CAD/CAM 實訓(xùn)”綜合訓(xùn)練模式的探索與實踐

李家學(xué)，伍先明，于兆勤，劉明迪

（廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

0 引言

機械CAD/CAM 技術(shù)作為杰出的工程技術(shù)成就，已被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計及制造的各個領(lǐng)域，深刻影響了產(chǎn)品設(shè)計方法與生產(chǎn)制造模式[1]。在制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化背景下，高校需要完善多層次多類型人才培養(yǎng)體系與育人機制，從而培養(yǎng)我國制造業(yè)急需的技術(shù)技能型專業(yè)人才[2]。“CAD/CAM 實訓(xùn)”課程是機械設(shè)計類專業(yè)的一門校內(nèi)實踐必修課，用以驗證、鞏固和補充課堂教授相關(guān)理論知識。目前，很多教學(xué)團隊針對“CAD/CAM 實訓(xùn)”課程進行了教學(xué)改革研究。俞彥勤等提出模具CAD/CAE/CAM 一體化實驗教學(xué)體系，實現(xiàn)從沖壓件的數(shù)字模型到零件實物全過程的實驗教學(xué)[3]；夏紅梅等基于企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程提出機械CAD/CAE/CAM綜合訓(xùn)練方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]；耿冬妮等探索了3D 打印—鑄造模塊交叉融合開放實訓(xùn)的教學(xué)模式，使用三維建模、3D 打印、熔模鑄造等技術(shù)進行金屬材質(zhì)的產(chǎn)品制造[5]。

為了更好地提高學(xué)生的知識整合與實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能與綜合職業(yè)素質(zhì)，加強學(xué)生的團隊協(xié)作意識和協(xié)調(diào)溝通能力，豐富CAD/CAM實訓(xùn)教學(xué)模式，切實可行地讓學(xué)生綜合運用所學(xué)的理論知識和專項技能在校內(nèi)集中進行實踐性、綜合性和系統(tǒng)化產(chǎn)品設(shè)計及加工訓(xùn)練，本文探究了機械“專業(yè)模塊化設(shè)計+ CAD/CAM實訓(xùn)” 的綜合訓(xùn)練教學(xué)模式。

1 機械CAD/CAM 實訓(xùn)教學(xué)存在的問題

“CAD/CAM實訓(xùn)” 課程是機械設(shè)計類專業(yè)學(xué)生先修完“機械制圖”“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械設(shè)計”等理論課程并完成“金工實習(xí)”“機械制圖與測繪”“機械制造工藝學(xué)課程設(shè)計”等實訓(xùn)課程后開設(shè)的一門綜合性實訓(xùn)課程。意圖通過該實訓(xùn)課程使學(xué)生能綜合運用所學(xué)專業(yè)知識完成簡單產(chǎn)品從設(shè)計到零件加工、裝配的整體過程，鍛煉學(xué)生解決實際工程問題的能力。但在目前的教學(xué)過程中存在一定的不足，從時間、教師、學(xué)生和設(shè)備四方面進行分析如下。

（1）實訓(xùn)時間短，任務(wù)重。目前，大部分院校開設(shè)為期1～2 周的“CAD/CAM 實訓(xùn)”課程，由于時間較短，學(xué)生根據(jù)設(shè)計任務(wù)最大程度上僅能完成三維建模與裝配、二維圖紙繪制、零件虛擬加工和設(shè)計說明書撰寫，無法對所設(shè)計零件進行實際加工與裝配。導(dǎo)致實訓(xùn)理論性強，實踐性較為薄弱，很難提高學(xué)生的知識整合與實踐動手能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能與綜合職業(yè)素質(zhì)。

（2）教師教學(xué)方式單一。傳統(tǒng)的CAD/CAM實訓(xùn)教學(xué)模式是以教師講解與輔導(dǎo)為中心，學(xué)生被動接受老師傳授的設(shè)計方法與所布置的設(shè)計任務(wù)，在整個設(shè)計過程中只有少數(shù)學(xué)生會積極主動向老師提出疑問，課堂氣氛較為沉悶，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，很難提出較有創(chuàng)新性的見解。

（3）學(xué)生知識體系碎片化、團隊意識薄弱[6]。學(xué)生在進行CAD/CAM實訓(xùn)之前通過兩年半的時間學(xué)習(xí)了大量的本專業(yè)理論和實訓(xùn)課程，受碎片化時代的影響，學(xué)生習(xí)慣碎片知識的學(xué)習(xí)，另外因?qū)W生個人喜好的影響，對感興趣的內(nèi)容愿意學(xué)習(xí)和參與，不感興趣的內(nèi)容選擇逃避，致使基礎(chǔ)知識不牢固，從而導(dǎo)致學(xué)生設(shè)計之初毫無思路，后期遞交設(shè)計資料錯誤較多。另外學(xué)生的協(xié)調(diào)能力相對較弱、團隊精神欠缺已經(jīng)成為學(xué)生素質(zhì)方面的短板。

（4）實訓(xùn)人均設(shè)備不足[7]。受實訓(xùn)設(shè)備和實訓(xùn)空間所限，導(dǎo)致不能使每一個學(xué)生充分接觸實訓(xùn)設(shè)備，從而減少了學(xué)生獨立操作時間，影響教學(xué)效果。

2 綜合訓(xùn)練模式確立

基于以上CAD/CAM 實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，廣東理工學(xué)院智能制造學(xué)院教師于2018 年開始結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)實際情況，進行實訓(xùn)教學(xué)改革和探究，提出將原實訓(xùn)教學(xué)改成為期4 周的團隊式“專業(yè)模塊設(shè)計+CAD/CAM實訓(xùn)” 綜合訓(xùn)練。“專業(yè)模塊設(shè)計”部分主要讓學(xué)生在明確設(shè)計任務(wù)的基礎(chǔ)上完成一套機械產(chǎn)品總體設(shè)計，并且完成技術(shù)文件的編寫，使學(xué)生掌握機械產(chǎn)品的正確設(shè)計方法和設(shè)計思路，提高工藝分析和制定能力，加強設(shè)計計算、三維建模、CAD 繪圖和編寫技術(shù)文件的能力。“CAD/CAM實訓(xùn)”部分是在專業(yè)模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上進行所有待加工零件的虛擬加工，驗證加工工藝和程序的正確性，最后進入實訓(xùn)車間完成零件加工與整機裝配，從而培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力，提高學(xué)生的專業(yè)技能與綜合職業(yè)素質(zhì)。

3 綜合訓(xùn)練模式教學(xué)體系與實踐

綜合訓(xùn)練教學(xué)模式主要體現(xiàn)在團隊組建、訓(xùn)練內(nèi)容、考核方式和訓(xùn)練拓展四個方面，如圖1 所示。學(xué)生依次通過團隊人員組合、團隊運作、專業(yè)模塊設(shè)計、CAD/CAM 實訓(xùn)、自主學(xué)習(xí)、互動交流、獨立實訓(xùn)操作、技術(shù)資料撰寫和產(chǎn)品實物加工等綜合訓(xùn)練流程，在這個過程中不僅提高了學(xué)生的知識整合與實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能與綜合職業(yè)素質(zhì)，而且強化了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與文獻閱讀及撰寫能力，加強了學(xué)生的團隊協(xié)作意識和協(xié)調(diào)溝通能力。挑選科技含量高且具有創(chuàng)新性的作品讓學(xué)生參加科技競賽，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神及能力，開闊學(xué)生眼界。另外通過該綜合訓(xùn)練可以為后期學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的課題研究與論文撰寫打下良好的基礎(chǔ)。

圖1 綜合訓(xùn)練的教學(xué)模式

3.1 團隊組建

團隊組建主要包括人員結(jié)構(gòu)和團隊運作兩部分內(nèi)容。合理的人員結(jié)構(gòu)能夠使團隊成員之間取長補短且共同進步，有助于提高工作效率和工作質(zhì)量，在綜合訓(xùn)練之初學(xué)生按照以下原則進行自由組建團隊：（1）相同的設(shè)計目標，綜合訓(xùn)練的設(shè)計任務(wù)具有多樣性，學(xué)生需基于同種類型的設(shè)計題目進行人員組合，保證設(shè)計目標一致；（2）考慮能力互補，該綜合訓(xùn)練需要熟練掌握機械設(shè)計、技術(shù)文件撰寫、CAD 建模與繪圖、CAM 零件虛擬加工和零件加工與裝配的人員，組建團隊時應(yīng)考慮人員知識、技能和經(jīng)驗等方面互補，發(fā)揮出“1+1＞2”的協(xié)同效應(yīng)；（3）分工明確，明確的分工使學(xué)生知道自己需要完成的工作內(nèi)容及應(yīng)當承擔的責任范圍，有助于提高學(xué)生的工作積極性，提高工作效率。

3.2 訓(xùn)練內(nèi)容

該綜合訓(xùn)練內(nèi)容主要包含專業(yè)模塊設(shè)計與CAD/CAM實訓(xùn)兩部分，訓(xùn)練周期為4 周，每一部分2 周時間。在保證整個綜合訓(xùn)練連續(xù)進行的情況下，最大限度地讓學(xué)生完成從產(chǎn)品設(shè)計到最終實物裝配整個流程。實訓(xùn)的具體步驟分為設(shè)計任務(wù)的確定、專業(yè)模塊設(shè)計、CAD/CAM 實訓(xùn)和產(chǎn)品驗收四步，并且通過三審核制保證實訓(xùn)任務(wù)的正確完成度，使得實訓(xùn)順利進行，具體流程如圖2 所示。

圖2 綜合訓(xùn)練具體流程

學(xué)生可以選擇教師擬定好的夾具類、模具類或教師科研類項目，還可以根據(jù)個人興趣自行擬定項目，通過教師審核后，確定設(shè)計任務(wù)。這樣既保證了設(shè)計任務(wù)的多樣性和創(chuàng)新性，利于學(xué)生選擇適合自己的題目，又通過教師的嚴格審核，保障學(xué)生所選任務(wù)的可行性，從而保證了綜合訓(xùn)練的順利開展與進行。

設(shè)計任務(wù)確定后進行專業(yè)模塊設(shè)計，該內(nèi)容主要包括方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、CAD 三維建模與繪圖、編寫技術(shù)文件。方案設(shè)計對產(chǎn)品設(shè)計的成敗起關(guān)鍵作用，在處理好借鑒與創(chuàng)新關(guān)系的基礎(chǔ)上，首先對產(chǎn)品功能進行分析，確定出功能參數(shù)，其次提出多種不同的產(chǎn)品設(shè)計方案，在技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)保等方面進行綜合評價，最后確定一個最優(yōu)方案。技術(shù)設(shè)計階段的目標是設(shè)計總裝配草圖和部件裝配草圖，通過對產(chǎn)品的運動學(xué)設(shè)計、動力學(xué)計算、零件的工作能力設(shè)計確定產(chǎn)品零部件之間的連接方式，零部件的外形及基本參數(shù)，并完成主要零件的校核。然后對產(chǎn)品零件進行三維建模與裝配，并且生成二維工程圖，對設(shè)計階段進行充分的可行性分析與驗證。最后學(xué)生整理并編寫技術(shù)文件，并交予老師進行二次審核，確定設(shè)計方案的可行性與創(chuàng)新性，技術(shù)設(shè)計階段的理論計算結(jié)果和零部件的外形及基本參數(shù)的正確性，檢查三維模型與二維圖紙中可能隱藏的尺寸和結(jié)構(gòu)錯誤。

專業(yè)模塊設(shè)計完成后開始進行CAD/CAM 實訓(xùn)，該內(nèi)容包括零件及裝配工藝的設(shè)計、CAM零件虛擬加工、機械零件加工及產(chǎn)品裝配。零件加工工藝的內(nèi)容主要包括：選擇毛坯，擬定加工路線，確定各工序加工余量，計算工序尺寸及公差等。裝配工藝的制定對產(chǎn)品生產(chǎn)率和生產(chǎn)成本有著重要的影響，首先確定裝配方法與裝配組織形式，其次劃分裝配單元和確定裝配順序，最后設(shè)計與劃分裝配工序并制定裝配工藝文件。工藝完成后采用CAM 計算機輔助制造軟件進行零件虛擬加工并生成復(fù)雜零件加工程序。此時，老師進行三次審核，檢驗學(xué)生制定的零件加工及裝配工藝的合理性與可行性，確定學(xué)生編寫程序的正確性。在零件加工前由實訓(xùn)教師對學(xué)生進行安全培訓(xùn)，學(xué)生牢記在整個加工過程中需要注意事項，然后學(xué)生在實訓(xùn)教師的指導(dǎo)與幫助下進行零件加工與產(chǎn)品裝配。

最后，由指導(dǎo)教師與實訓(xùn)教師共同進行產(chǎn)品驗收與點評。按照機械產(chǎn)品驗收標準，主要檢驗產(chǎn)品外觀是否整潔、美觀，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否完好齊全，工作裝置是否運轉(zhuǎn)靈活，安全防護裝置是否安全可靠，技術(shù)資料是否齊全。針對產(chǎn)品的功能性、創(chuàng)新性、產(chǎn)品完成度、技術(shù)資料的撰寫，依次進行點評，在肯定學(xué)生辛勤工作和產(chǎn)品優(yōu)點的基礎(chǔ)上，提出產(chǎn)品的不足和改進方法，讓學(xué)生得到肯定的同時，能夠在本次綜合實訓(xùn)發(fā)現(xiàn)自己的不足，及時進行自我改善。

3.3 考核方式與評價標準

結(jié)合成果導(dǎo)向OBE 教育理念制定綜合訓(xùn)練考核辦法，考慮過程型、形成型產(chǎn)出，從團隊結(jié)構(gòu)合理性、設(shè)計任務(wù)的難易程度、創(chuàng)新性、計算結(jié)果正確性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、零件加工質(zhì)量、技術(shù)資料完整規(guī)范性等多個角度評定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，制定多維度評價標準，如表1 所示。

表1 綜合訓(xùn)練多維度評價標準

另外，為了促進成果交流，以班級為單位進行作品公開展示與現(xiàn)場答辯，規(guī)定一人主講，其余人員進行補充。規(guī)定每組答辯時間為20 分鐘，1～5 分鐘介紹團隊成員及分工，產(chǎn)品設(shè)計背景及意義，工作原理與設(shè)計思路，演示產(chǎn)品各項功能；6～10 分鐘闡述方案及技術(shù)設(shè)計重點內(nèi)容，展示三維模型、設(shè)計說明書、工程圖紙、零件加工與裝配工藝文件；11～15 分鐘分享心得體會，進行技術(shù)交流；16～20分鐘老師與其他學(xué)生對答辯內(nèi)容進行提問。最后由指導(dǎo)老師和實訓(xùn)教師根據(jù)多維度評價標準為每一組同學(xué)的綜合訓(xùn)練成果進行打分。

3.4 訓(xùn)練拓展及成果

該綜合訓(xùn)練通過6 年的實踐，約有800 名學(xué)生參與，共生產(chǎn)出198 件產(chǎn)品，其中夾具類86 件，模具63 件，其他產(chǎn)品49 件。通過機械“專業(yè)模塊設(shè)計+CAD/CAM實訓(xùn)”綜合訓(xùn)練不僅提高學(xué)生的知識整合與實踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能與綜合職業(yè)素質(zhì)，加強了學(xué)生的團隊協(xié)作意識和協(xié)調(diào)溝通能力，而且對學(xué)生參加科技競賽、畢業(yè)設(shè)計和企業(yè)綜合實習(xí)均起到非常重要的促進作用。通過對14 級至19 級學(xué)生的追蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)近幾年參加科技競賽的人數(shù)及作品質(zhì)量均有提高，學(xué)生畢業(yè)論文撰寫水平與論文質(zhì)量均有提升，很多同學(xué)表示該綜合訓(xùn)練對自己的企業(yè)綜合實習(xí)與目前工作均有幫助。

4 結(jié)束語

通過機械 “專業(yè)模塊設(shè)計+CAD/CAM實訓(xùn)”綜合訓(xùn)練模式的探索與實踐，實現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計到零件加工與裝配的全過程實訓(xùn)教學(xué)，讓學(xué)生在真實情境中解決實際問題，提高了學(xué)生的專業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)，為國家培養(yǎng)了大批的創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用技術(shù)技能型人才。

整個實訓(xùn)過程以學(xué)生為中心，教師輔助性指導(dǎo)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。實訓(xùn)內(nèi)容工程性、實踐性強，實訓(xùn)步驟編排合理，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。該訓(xùn)練教學(xué)模式對機械設(shè)計類綜合實訓(xùn)教學(xué)具有一定的借鑒意義與參考價值。