基于CAM 技术的数控加工课程改革的研究★

王紫民， 刘晓瑞， 荆忠亮

（山西工程技术学院机械工程系， 山西 阳泉 045000）

0 引言

智能制造日益成为未来制造业发展的重大趋势和核心内容，是促进工业向中高端迈进、建设制造强国的重要举措。数控加工技术作为一门集机械、信息技术、自动控制、传感等为一体的交叉学科，是智能制造的核心技术之一。为应对新一轮科技产业变革，加快推动工程教育体系建设，面向新工科，对数控技术课程进行改革与实践，培养适应未来社会发展所需的人才势在必行[1]。

1 《数控加工技术》课程的教学现状

《数控加工技术》是机械工程系机制专业开设的专业核心课，目标是培养能在机械制造领域从事数控加工工艺编制、数控编程、数控加工及生产技术管理的高素质技能型人才。该课程在课程体系、试验设备、教学理念等方面还有不足，主要体现在以下几方面。

1.1 课程体系不足

课程体系理论学时32，试验学时8。理论学时偏长，实践环节滞后理论环节。理论授课过多地采用传统板书式的教学模式，教学手段单一，容易造成学生对理论知识掌握不扎实、学习积极性不强，经过“漫长”的理论学习再去动手操作，理论知识的遗忘也给后续试验带来困扰。

1.2 数控机床装备缺乏

受制于数控装备价格昂贵，设备后期维护成本高，操作风险大，受资金、场地的限制，装备台套数有限，导致学生参与程度低，无法满足学生实际动手能力的培养，开放、自主设计、创新型试验更是难以开展[2]。

1.3 教学理念滞后

1）重知识、轻能力。重专业知识为支撑的业务能力（硬能力），轻自我发展、社会适应的能力（软能力）。

2）重传统、轻发展。在知识体系建构方面，重专业系统知识，轻知识更新。

3）重理论、轻实践。在教学实践中，重理论知识传授，轻试验实践。

4）重校内、轻社会。重视封闭的校内教学体系建设，忽视人才培养服务于行业经济、地方经济。

2 CAM 技术的优势

CAM 技术即计算机辅助制造技术（Computer Aided Manufacturing），相较于传统的制造技术，CAM技术是利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程，是计算机辅助制造系统重要组成部分。CAM仿真技术在计算机辅助制造系统里具体作用表现在以下几方面：

1）优化设计：在实际的生产设计中，编程设计由手工转为自动，CAM 软件通常应用于图形绘制和设计流程方面，将数据技术与CAM软件结合可进一步实现零件的优化设计。

2）自动化流程：通过CAM 软件可设计出准备生产成型产品的对应零件、工作平面图，实体模型图等。然后，在制造软件中输入零件的工艺参数，利用软件和工艺的输入，制造设备可有效实现自动化运行，促使仪器在生产操作流程所有设定环节中顺利运行。

3）质量检验：利用CAM 技术进行工艺设置和生产操作程序，不仅可以实现机器运行的自动化，同时可以实现对生产机械设备生产的产品进行标准化的质检工序，对产品质量进行严格把控。

本课题研究的是在数控加工技术理论环节结合CAM技术的仿真实践教学，在课堂教学中，依托仿真软件，以理论为指导、实践为主体、项目为导向，结合现实生产中的工艺设计，形成理论+虚拟仿真的同步教学，让学生学会理论的同时掌握一门工程应用软件，培养学生实践能力、团队意识、创新意识[3]。

3 数控加工课程融入CAM 技术的教学特点

3.1 知识衔接性强

理论上学习数控技术，使学生了解数控机床的组成与工作原理，理解数控系统与伺服系统的原理与组成，更重要的是掌握数控加工工艺编程及操作；而在CAM技术中，则主要加入了数控工艺的编制，包括刀具的选择、切削参数的输入，教学上可以实现工艺创新，及时发现工艺问题，这样学生不仅掌握数控技术，更掌握了数控工艺技术。

3.2 实践教学性强

CAM仿真教学属于实践性教学模块。通过项目学习，CAM 仿真软件针对于数控加工技术在课堂环节的仿真实现，包含数控工艺编制、自动编程技术、数控仿真加工技术，为后续实操试验作铺垫，也让学生掌握一门工程应用软件，为其毕业后的发展作技术储备。

3.3 感官理解上强

基于CAM软件的仿真教学，可以实现零件二维绘图、三维造型，刀具的插入、刀路的模拟，零件仿真加工，增强学生学习空间感，增加教学内容的趣味性、互动性和拓展性，激发学生的求知欲。

4 CAM 技术在数控加工课程的教学实现

Mastercam 软件是常用的CAM软件之一，该软件的最大特点是实体零件的自动编程：不仅具备二维几何图形设计、三维线框设计、曲面造型、实体造型等的设计功能，还可由零件图形或模型直接生成刀具路径、刀路模拟，加工实体仿真验证。Mastercam 软件自动编程适应于铣削、车削、车铣复合、线切割、雕铣加工多种类型的机床。本课题拟以CAM软件为依托，在《数控加工技术》课程中利用仿真软件，实现理论与实践结合的教学效果。

4.1 OBE 教学理念

新工科建设要求落实以学生为中心的理念，加大学生选择空间，增强师生互动，改革教学方法和考核方式，形成以学生为中心的工程教育模式。OBE 教育理论强调成果导向教学管理，其中实践教学是其中非常重要的一部分，特别是在OBE 理念基础上实行的工程教育专业认证中，实践教学的比重进一步加强[4-5]。

本课题是利用CAM虚拟仿真技术，教学中拟采用OBE 教学理念，采用项目教学法，侧重虚拟实践和成果导向。数控加工虚拟仿真技术实践教学的开展，一是让学生在具体项目中掌握数控工艺的编制；二是让学生熟悉数控自动编程软件的应用；三是虚拟数控加工教学过程的实现。

4.2 仿真教学的展开

CAM 软件中的Mastercam 仿真加工工作流程如图1 所示[6]。

图1 Mastercam 实践操作流程

本项目为加工一根涡轮轴，工序主要涉及车外圆、铣键槽，其中车外圆的具体仿真步骤如下。

4.2.1 Mastercam 建模

根据给定的工程图，在Mastercam 软件中建立模型（见图2）。

图2 Mastercam 建模

4.2.2 工艺参数设计

选定涡轮轴外轮廓进行粗、精车削加工，刀具参数及切削用量，学生可以根据切削用量手册自行选择和设计，可以对不同方案下的切削结果进行评价。选择一组设计参数结果如下（见图3、图4）。

图3 粗车刀具选择、切削参数设计

图4 精车刀具选择、切削参数设计

4.2.3 刀路模拟及仿真结果验证

外圆车削路径模拟及仿真验证，见图5。

图5 外圆车削路径模拟及仿真验证

4.2.4 NC 程序后处理

Mastercam 软件可以实现自动编程，检查刀补参数无误后可将程序导出到机床。精车外圆NC 程序（部分）如下：

G21 G18 G0 T2121 M03

G0 G54 X63.Z44.

G96 S1000

G99 G1 Z42.F.5

Z32.

X65.828 Z33.414

G28 U0.V0.W0.M05

M30

4.3 教学评价

实际中可以按照软件操作流程进行仿真教学。并以模块教学法进行驱动，建立相应教学评价体系，详细见表1。

表1 学生考核评价

4.4 融入课程思政教学元素

本课题作为教改课题，更应该融入思政环节。例如在授课时，可以穿插我国数控技术的发展历史，可以引入我国数控机床“十八罗汉”，这十八家机床企业曾为我国机床行业的发展立下了汗马功劳。还可以从社会需求出发，说明我国目前紧缺的就是既有理论知识又有实际操作经验的技能人才。而能掌握一门CAM自动编程软件的人才更是制造业所需的高薪人才。学校的办学定位就是应用型本科生的培养，学好本门课程，掌握数控加工技能，是顺应时代发展的需要。通过举例和时代需求激发学生的爱国热情及学好本门课程的积极性。

5 结语

本文分析了数控加工技术课程教学现状中存在的不足，介绍了数控加工课程中融入CAM技术教学的必要性、特点及教学手段的实现，基于CAM技术的数控加工技术课程工艺是基础，编程是核心，并引入OBE 教学理念，理论与仿真相结合，采用模块教学法，项目任务进行驱动，在授课中引入思政元素，激发学生的求知欲和爱国热情，让学生掌握一门CAM工程应用软件，更为毕业后的发展作技术储备。