CAD/CAM多元化教学模式探索与实践

(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

《计算机辅助设计与制造》是机械工程及自动化专业的必修课程。本课程的目的是使学生能够掌握CAD/CAM技术的基本原理与方法，为学生理解、应用和开发CAD/CAM软件莫定基础，培养学生应用计算机辅助手段从事产品设计与制造问题的综合能力。在教学过程中，由于缺少实际的工程实践背景，不少学生存在实际动手能力弱的问题，无法学以致用。本文探索了一种CAD/ CAM多元化的教学模式，通过该模式，可使学生真正掌握CAD/CAM的核心知识点，开阔思维，拓宽知识面，培养创新意识，真正做到理论联系实际。

CAD/CAM;多元化教学模式;实践环节;研究性专题讨论;现代设计与制造

一、引 言

《计算机辅助设计与制造》是机械工程及自动化专业的必修课程。本课程重点介绍计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术中的基本原理和基本方法，目的是使学生掌握CAD/CAM技术的基本原理与方法，为学生理解、应用和开发CAD/CAM软件奠定基础，培养学生应用计算机辅助手段从事产品设计与制造问题的综合能力。通过以上描述可以看出，CAD/CAM是一门非常强调实践与动手的科学。但是传统教学模式多采用概念、理论、原理的讲解为主，老师采用集中说教的授课方式，容易造成学生对所学内容印象不深，理解模糊，产生歧义，并不能将知识点与生产实践联系起来，无法理解该门技术在现实应用中的意义，从而无法达到理想的教学效果。因此，探索一种理论联系实际的多元化教学模式成为最佳选择。本文所述的新的CAD/CAM教学模式期望通过多元化的教学手段使学生能够通过实践教学环节真正获得以下知识和能力:(1)掌握CAD/CAM系统的概念、体系结构，了解CAD/CAM技术的现状和发展趋势；(2)掌握计算机辅助设计中所涉及的数据管理方法、软件开发基础知识；(3)掌握图形处理技术、建模技术原理与方法；(4)掌握CAPP的工作原理及类型、CAPP系统零部件信息描述方法；(5)掌握数控加工编程基本知识、手工编程方法，能够手工和利用计算机辅助数控编程软件编制数控加工程序；(6)掌握CAD/CAM集成的主要方法，能够实现不同 CAD/CAM软件之间的集成；(7)掌握逆向工程中的关键技术，能利用逆向工程的相关软件进行曲面重构。

二、CAD/CAM多元化教学模式总揽

本文所述的多元化教学模式主要体现在实践性教学环节上。实践性教学环节在机械工程专业的教学中起着重要的作用，将直接影响学生的专业素质和专业能力[1-2]。

对已有的纯说教式的授课方式的多元化教学模式探索来源于与毕业学生的交流。2013年6月中旬，大四本科生毕业离校前，我校机电学院机械系举办了一场与本专业毕业生的座谈会，主要是听取毕业生对大学四年教学的意见，本文作者和主干课程负责教师参与了座谈。其中，有找到工作并在企业实习过的学生提到，虽然大学四年学了许多课程，但是面对企业的实际任务，仍然不知从何下手，实践能力弱[3-4]。这个问题引起了学生的共鸣。

基于此，我们对CAD/CAM的教学环节增加了多个实践环节，包括:上机操作、研究性专题讨论、课程实验以及现代设计与制造综合实践。结合多媒体课堂授课部分，形成了多元化的理论联系实际的新的教学模式。通过近几年的教学磨合，该模式及教学安排日臻成熟，效果愈发理想。各部分任务安排如下:

·多媒体课堂教学[5]:包括CAD/CAM概论，CAD/CAM系统的硬件与软件，图形处理技术基础，CAD/CAM建模技术，计算机辅助工艺过程设计，计算机辅助数控加工编程，逆向工程与快速成型。

·上机操作:计算机辅助工艺规程编制，计算机辅助数控加工编程和仿真。

·研究性专题讨论:包括工程数据的计算机处理方法，产品建模计算机表示方法分析。

·课程实验:包括数控铣编程仿真和加工实验，数控车编程仿真和加工实验。

·现代设计与制造综合实践:包括设计对象整体方案设计，机械结构设计，零件图和系统装配图绘制，主要零部件强度校核，关键元器件选型，工艺设计及工艺文件编制，CAM软件加工编程，数控程序仿真。

三、CAD/CAM多元化教学模式的组成结构

本章对所设计的CAD/CAM多元化教学模式的组成进行探究。将分为五个部分进行描述。

(一)多媒体课堂教学

多媒体课堂教学分为7个部分进行讲解。分别如下:

1.CAD/CAM系统的概念、体系结构，了解CAD/ CAM技术的现状和发展趋势；

2.计算机辅助设计中所涉及的数据管理方法、软件开发基础知识；

3.图形处理技术、建模技术原理与方法；

4.CAPP的工作原理及类型、CAPP系统零部件信息描述方法；

5.数控加工编程基本知识、手工编程方法，能够手工和利用计算机辅助数控编程软件编制数控加工程序；

6.CAD/CAM集成的主要方法，能够实现不同CAD/CAM软件之间的集成；

7.逆向工程中的关键技术，能利用逆向工程的相关软件进行曲面重构。

在课堂讲解中采用多媒体技术，例如:

图1 错切变换效果

在讲述错切变换时可采用图1所示的图形直观显示其变换效果。

在讲述透视变换的原理与方法，介绍透视变换的作用时，可使用以下图例进行介绍。

并结合随堂提问及讨论环节以实时了解学生的知识掌握程度，并使课堂气氛活跃生动。

图2 透视实例

(二)上机操作

上机操作包括两方面内容:

·计算机辅助工艺规程编制

利用在国内流行的计算机辅助工艺规程软件开目CAPP编制工艺规程。根据预先给定的零件图纸，利用该软件的人机交互功能设计零件的加工工艺过程，设计工艺过程卡片。

·计算机辅助数控加工编程和仿真

利用在国内流行的计算机辅助编程仿真软件MasterCAM或UG以及EdgeCAM进行数控编程和仿真。根据预先给定的零件图纸，利用该软件具有的几何造型功能生成零件三维造型图，输入合理的切削参数，利用软件的功能自动生成零件的数控车和铣的加工程序，并利用软件具有的三维动态仿真功能，在计算机上显示零件的加工过程，观察刀具的模拟运动轨迹与零件的模拟加工情况。要求掌握MasterCAM或UG以及EdgeCAM软件的基本数控车、铣编程方法。

(三)研究性专题讨论

在学习了CAD/CAM基本理论的基础上，设计了如下研究性专题，并开展研究性专题的课堂讨论[6-7]。

·研究性专题(工程数据的计算机处理方法)

给定机械产品设计或制造过程中的数据，要求学生利用数据处理技术，查阅相关的文献，利用计算机编程语言编制软件模块，实现数据的查找、拟合、光顺等功能，可要求学生编制简单的软件界面。

·研究性专题(产品建模计算机表示方法分析)

利用MasterCAM或UG以及EdgeCAM软件，分别进行线框建模、表面建模、实体建模和建模造型，产生不同的零件模型，将这些模型转换成IGES或STEP格式，分析不同标准格式文件的结构，理解不同模型的几何信息和拓扑信息的计算机内部表示方法，为CAD/CAM软件的二次开发打好基础。建议预先讲解IGES或STEP格式，并拟好具体的题目和要求。

(四)课程实验[8-10]

·实验一:数控铣手工编制程序、计算机仿真和加工

通过实验加深对所学内容的理解，针对特定零件，手工编制数控加工程序，并最终在数控车床和数控铣床上加工出零件轮廓，增强学生实际动手和解决实际问题的能力。

按照根据西门子SINUMERIK 840D的格式，手工编制给定零件图的数控铣程序；利用EXSLWIN7计算机辅助数控仿真软件，模拟仿真所编制的数控程序，对照每个数控代码，观察刀具的运动，体会每个数控代码的具体含义，修改程序的错误之处；利用数控机床模拟键盘和EXSL-WIN7提供的模拟机床操作界面，进行机床加工状态模拟，将仿真无误的程序输入数控铣床，加工出零件轮廓。

·实验二:数控铣手工编制程序、计算机仿真和加工

按照根据西门子SINUMERIK 840D的格式，手工编制给定零件图的数控车程序；利用EXSL-WIN7计算机辅助数控仿真软件，模拟仿真所编制的数控程序，对照每个数控代码，观察刀具的运动，体会每个数控代码的具体含义，修改程序的错误之处；利用数控机床模拟键盘和EXSL-WIN7提供的模拟机床操作界面，进行机床加工状态模拟，最后将仿真无误的程序输入数控车床，加工出零件轮廓。

(五)现代设计与制造综合实践[11]

在这一部分，学生将以3～4人小组为单位，在老师命题的基础上，独立进行一款机械产品的设计与制造。主要包含以下主要设计内容:

·某一机械产品总体方案设计，包括设计思想、工作原理、传动方式、系统组成等；

·关键元器件如各驱动电机、减速机、传动部件、气动部件等的参数计算与选型，计算输出力、扭矩，以此计算功率、尺寸和精度，并选择关键元器件的型号，保证系统的各项指标；

·机械结构设计，完成系统机械结构的详细设计，校核主要零部件强度，绘制零件图和系统装配图；

·选定2个典型零件作为数控铣和车的对象，进行工艺设计，编写工艺文件，利用MasterCAM软件编制数控铣和车的加工编程；

·将MasterCAM软件编制的数控加工程序，转换为符合西门子840D格式的数控程序，可手动修改，并利用SL数控程序仿真软件编辑修改，修改错误之处，最终得到正确的数控加工程序；

·根据设计题目和设计要求编写综合实践说明书。内容包括方案设计、结构设计、工艺设计和零件加工数控代码。

四、总 结

通过本文的CAD/CAM多元化教学模式的实际实施，学生最终成绩如表1所示，从成绩看取得优秀、良好的学生人数占到88.8%，可以得出以下结论:本次CAD/CAM的多元化教学模式改革基本是成功的。从学生平时表现和最终成绩看，基于实践理念的多元化教学模式的改革与实践基本达到了预期的目的，学生知悉了开展CAD/CAM的实际操作模式，提高了学生的计算机辅助设计与制造方面的技能，得到了学生的认可。

表1 CAD/CAM多元化教学模式成绩分布

[1]周自强.机械工程实践性教学的中澳比较研究[J].常熟理工学院学报(教育科学)，2012(12):112-114.

[2]明兴祖，唐川林，胡京明等.应用型机械大类专业实践教学模式与内容的创新与实践[J]，机械管理开发，2012(6):161-165.

[3]刘德仿，王旭华，阳程.以能力培养为中心的机械工程应用型人才培养教学体系探索与实践[J].中国高教研究，2009(11):85-87.

[4]刘志刚.浅析机械工程训练实践教学模式与实践[J].中国科技创新导报，2012(35):59-61.

[5]丁海运.讲求教学方法，加强课堂教学[J].改革与开放，2010(1):138.

[6]彭芳，周文辉.工科应用型人才培养教学模式之探讨[J].当代教育论坛(教学研究)，2011(6):29-31.

[7]王忠民，王陆海，韩俊刚.工科院校工程应用型人才培养实践教学模式探讨[J].科技咨询导报，2007(30):223-224.

[8]杨金林，陈元斌，张群艳.机械基础实验教学改革与探索[J].实验室研究与探索，2007(2):73-75.

[9]孙杰.以培养目标为基础探讨机械制造工程实践教学环节的改革[J].实验室科学，2009(5):33-35.

[10]罗意平，潘迪夫，杨岳.专业实验教学改革的研究与实践[J].实验室研究与探索，2002(3):16-18.

[11]夏建芳.论机械基础教学新体系的构建[J].现代大学教育，2003 (1):67-68.

CAD/CAM多元化教学模式探索与实践

曹宇男， 张勤俭， 蔡永林， 鄂明成， 李建勇

2095-3046(2015)02-0069-04

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.02.015

G642

A

2014-07-28

北京交通大学2013年度研究生教育教学改革课题

曹宇男(1979- )，男，副教授，主要研究方向:机器人控制系统与数控系统，E-mail:ync@bjtu.edu.cn.