机械CAD∕CAM技术课程的教学改革与实践

于 斐，刘光明，焦益群

（1.南昌航空大学航空制造工程学院，江西 南昌 330063；2.南昌航空大学材料科学与工程学院，江西 南昌 330063）

1 引言

CAD∕CAM技术是随着计算机和数字化信息技术发展而形成的新技术，它的应用已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志。现在，我国逐步成为世界的制造业中心，需要大批制造技术应用型人才，加强机械CAD∕CAM技术课程的教学，提高专业人才培养质量，是实现机械类应用型、复合型人才培养的重要环节［1］。

机械CAD∕CAM 技术作为机械设计制造及其自动化专业的专业核心课程，讲授CATIA软件，它是大型的CAD∕CAM∕CAE一体化应用软件，其集成解决方案覆盖了产品设计与制造领域，既提供了支持各种类型的协同产品设计的必要功能，也可无缝集成，其特有的混合建模技术，更是推动着企业竞争力和生产力的提高［2］。因此，熟练掌握该软件是机械制造专业学生的必备技能，由于该课程涉及的学科多，传统的教学方法和考核方式难以激发学生的积极性和创造性。因此，如何培养满足社会和时代需求的高技能创新型人才是机械CAD∕CAM 技术课程进行教学改革的主要目标。

2 传统课程教学存在的弊端

机械CAD∕CAM 技术课程具有实践性、应用性强的特点，是学生由偏重理论学习向结合工程实践学习的过渡和转折，在专业学习中起到承上启下的作用。由于受传统教学模式的影响，培养的CAD∕CAM人才的综合能力相对薄弱，主要体现在学生的实践能力欠缺，达不到相应的技术水平和能力，具体原因主要有以下几个方面。

2.1 教学内容陈旧

CAD∕CAM 技术的应用领域不断扩展，如逆向造型、虚拟制造、高速加工和超精密加工技术的应用，极大提高产品质量，缩短生产周期，快速有效地响应瞬息万变的市场。但是，CAD∕CAM新技术、新知识在教学中增加迟缓，不利于学生全面素质的提高和创新意识的培养。

2.2 教学方法相对单一

传统的教学模式，突出教师的主体地位，学生在学习过程中处于被动状态，积极性不高，主动性不强，只能应用CATIA软件进行简单的零部件建模和加工编程，缺乏对产品整体设计的把握。

2.3 实践训练环节不足

机械CAD∕CAM 技术课程培养学生分析和解决工程实际问题的能力，但目前的上机操作，多为验证性，不利于学生创新能力的培养。更为重要的是，与CAD∕CAM 技术匹配的数控设备操作，没有在课程体系中体现出来。

2.4 考核方式不科学

目前的考核方式，以期末考试成绩作为主要评定指标，忽视过程性考核，缺乏发展性的评价理念，对学生的整体学习效果和综合能力的考核是不全面的，影响学生综合能力和素质的提高，与当代大学教育注重高素质专门人才和创新人才的培养模式不相适应的［3］。

3 教学改革方案

机械CAD∕CAM 技术课程，以三维实体造型设计、产品的虚拟装配、工程图设计和数控加工编程为知识目标，以能够熟练使用CATIA软件进行数字化建模、模型装配、生成二维工程图、仿真加工和数控加工为技能目标［4］。针对传统课程教学中存在的弊端，从以下几方面进行改革：

（1）精选教学内容，培养应用能力为主题。

教学内容做到适时更新，注重反映CAD∕CAM技术在国内外的最新发展。在教学过程中，选取一系列企业典型零件和产品，从易到难，以点带面，突出重点，注重培养学生的活学活用能力，提高整体素质和学习效果。适当采取讲座的形式，让学生了解CAD∕CAM技术的前沿发展概况，拓宽学生的知识面，激发学习兴趣，增强综合能力。

（2）改革教学方法，提高学生学习的主动性。

①创新课堂教学模式

课程采用项目式教学法，将企业真实案例引入课堂，将所有的知识点及操作方法都融入实际的案例中去教学。针对教学内容，首先讲解各个操作使用的基本技巧，然后引领学生在实例中确定目标要求，制定具体计划，在设计过程中融入自己的创新思维，教师担负教学过程的组织者和引导者的角色，充分发挥学生的主体作用，调动学生的学习兴趣和探索欲望，多方位培养学生创新思维能力、发现问题、分析问题和解决问题的能力。采用面向问题的启发式教学，课堂讨论与交互式教学方法相结合，做到精讲多练、边讲边练、讲练结合，使课堂气氛生动活泼，激发学生的学习兴趣，促进学生积极思考。

②能力提升途径多元化

拓展多样化的实践能力提升途径，如鼓励学生积极参与中国“互联网+”大学生创新创业大赛、全国3D大赛和挑战杯等科技竞赛，增设专题在网络教学平台进行讨论，鼓励学生将讨论的主题与课外科技活动相结合，强化学生的参与意识。通过竞赛激发学生的学习热情，做到学以致用，增强学生的动手能力和设计能力，从而为今后的创新创业打下坚实基础。

③积极采用先进教学手段

采用视频、动画和图片等多媒体教学手段，增强教学的生动性和直观性，促进学生对知识的理解和掌握。学生可以通过学校网络教学平台，进行课程的预习、复习、网上答疑和讨论，结合教师的课堂教学，使学生熟练掌握CATIA软件的操作。

（3）强化实践训练，提升实际应用能力。

强化学生实践能力的培养，上机以实例操作为主，掌握软件的常用技巧、相关的三维实体造型和自动编程的方法与命令，使学生能自如地进行机械零件的实体造型、虚拟装配和数控加工程序的编制，并通过后置处理，将生成的NC 代码传入数控机床，进行实物的加工［5］。在课程体系中，安排两周的机械CAD∕CAM技术课程设计，学生可以得到机械产品三维设计的专项训练以及数控加工的实训，进一步提升产品设计与数控加工的实际应用能力［6］。

（4）改革考核方式，实行多元化测评。

加强过程性考核，弱化考试性评价，以能力训练为主导思想，采用实践能力、创新能力评价、定性与定量相结合的多元化考核方式评价体系。最终成绩评定如下：平时成绩占20%，上机实践成绩占30%，大作业成绩占50%。平时成绩主要包括考勤（10%），课堂提问（5%）及讨论（5%）。通过改革考核方式，培养学生养成良好的创新意识，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，为创新创业和产品开发能力提供保障。

4 课程教学改革实践

以整体叶轮为例，对教学改革进行实践，整体叶轮的CAD∕CAM结构，如图1所示。

图1 整体叶轮的CAD∕CAM结构图Fig.1 CAD∕CAM Structure Diagram of the Integral Impeller

整体叶轮是能源动力、航空航天和石油化工等行业广泛使用的关键部件，其叶片多为非可展扭曲直纹面，若干叶片均匀分布在轮毂上，相邻叶片之间形成流动通道，叶片曲面扭曲严重，叶片之间的互相遮掩，使流道进一步变窄，加工难度大，是典型的五轴加工零件［7］。整体叶轮的三维实体造型，如图2所示。整体叶轮CAD∕CAM任务的选取，贴近机械设计制造及自动化专业且有利于创新能力的提高，调动学生的积极性。

图2 整体叶轮的三维实体造型Fig.2 3D Solid Modeling of the Integral Impeller

整体叶轮的建模和加工编程过程分为：叶轮的结构分析和三维建模、叶轮的加工工艺过程分析和刀位轨迹生成、加工仿真、后置处理四个阶段［8］，涵盖了扫略曲面、桥接曲面、曲面接合、旋转阵列、布尔运算、加工参数设置、刀具路径规划、动态仿真和后置处理等知识点。

根据整体叶轮的结构特征和使用要求，其基本加工工艺流程为：

（1）车削加工回转体的基本形状；（2）外形整体粗加工；（3）流道和叶片的粗加工；（4）流道和叶片的精加工［9］。加工叶轮的叶片和流道时，由于叶片之间空间较小，刀具极易与叶片发生碰撞干涉。因此，在数控加工编程的过程中，注意刀具的轨迹规划，以保证叶轮的加工质量，叶片的粗加工刀路，如图3所示。

图3 叶片的粗加工刀路Fig.3 Roughing Tool Path of the Blade

整体叶轮的加工采用MIKRON UCP 600 Vario 五轴高速加工中心，如图4 所示，该机床配置HEIDENHAIN iTNC530 系统。将刀具路径文件，通过后置处理器，生成数控机床所能识别的NC 程序，并传入五轴加工中心，加工出整体叶轮实物［10］。综合考虑安全性和经济性，采用可机加工树脂板材作为加工材料，整体叶轮的流道加工，如图5所示。整体叶轮的叶片加工，如图6所示。在整个的教学过程中，将理论教学与具体的设计任务相结合，在任务的实施过程中，对各阶段项目任务再进行具体细分，针对学生遇到的问题，及时予以引导，展开学生间的讨论，并进行点评。整个实践过程中，从数字化建模、数控加工程序的编制到加工实物的全过程，都是以教师为主导，以学生为主体，培养学生的探索精神和创新能力。

图4 MIKRON UCP 600 Vario 五轴高速加工中心Fig.4 MIKRON UCP 600 Vario Five-Axis High Speed Machining Center

图5 整体叶轮的流道加工Fig.5 Flow Channel Processing of the Integral Impeller

图6 整体叶轮的叶片加工Fig.6 Blade Machining of the Integral Impeller

5 结论

机械CAD∕CAM技术课程以培养学生创新能力为目标，提高学生的自学能力、实践能力和综合能力，以典型的五轴加工零件—整体叶轮作为实践项目之一，在教学过程中采用提问、启发、讨论和互动等方式，采用先进的教学手段，并借助网络教学平台，课堂教学以基础→实践→综合→创新为主线，将所学的理论知识和需要提升的实践能力相结合，培养基础扎实、实践能力强的应用型、复合型、创新型高级专门人才。