(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造》是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的必修課程。本課程的目的是使學(xué)生能夠掌握CAD/CAM技術(shù)的基本原理與方法，為學(xué)生理解、應(yīng)用和開發(fā)CAD/CAM軟件莫定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助手段從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造問題的綜合能力。在教學(xué)過程中，由于缺少實(shí)際的工程實(shí)踐背景，不少學(xué)生存在實(shí)際動(dòng)手能力弱的問題，無法學(xué)以致用。本文探索了一種CAD/ CAM多元化的教學(xué)模式，通過該模式，可使學(xué)生真正掌握CAD/CAM的核心知識(shí)點(diǎn)，開闊思維，拓寬知識(shí)面，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際。

CAD/CAM;多元化教學(xué)模式;實(shí)踐環(huán)節(jié);研究性專題討論;現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造

一、引 言

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造》是機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)的必修課程。本課程重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)技術(shù)中的基本原理和基本方法，目的是使學(xué)生掌握CAD/CAM技術(shù)的基本原理與方法，為學(xué)生理解、應(yīng)用和開發(fā)CAD/CAM軟件奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助手段從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造問題的綜合能力。通過以上描述可以看出，CAD/CAM是一門非常強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與動(dòng)手的科學(xué)。但是傳統(tǒng)教學(xué)模式多采用概念、理論、原理的講解為主，老師采用集中說教的授課方式，容易造成學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容印象不深，理解模糊，產(chǎn)生歧義，并不能將知識(shí)點(diǎn)與生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系起來，無法理解該門技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的意義，從而無法達(dá)到理想的教學(xué)效果。因此，探索一種理論聯(lián)系實(shí)際的多元化教學(xué)模式成為最佳選擇。本文所述的新的CAD/CAM教學(xué)模式期望通過多元化的教學(xué)手段使學(xué)生能夠通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)真正獲得以下知識(shí)和能力:(1)掌握CAD/CAM系統(tǒng)的概念、體系結(jié)構(gòu)，了解CAD/CAM技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；(2)掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中所涉及的數(shù)據(jù)管理方法、軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)；(3)掌握?qǐng)D形處理技術(shù)、建模技術(shù)原理與方法；(4)掌握CAPP的工作原理及類型、CAPP系統(tǒng)零部件信息描述方法；(5)掌握數(shù)控加工編程基本知識(shí)、手工編程方法，能夠手工和利用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程軟件編制數(shù)控加工程序；(6)掌握CAD/CAM集成的主要方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同 CAD/CAM軟件之間的集成；(7)掌握逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)，能利用逆向工程的相關(guān)軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)。

二、CAD/CAM多元化教學(xué)模式總攬

本文所述的多元化教學(xué)模式主要體現(xiàn)在實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)上。實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在機(jī)械工程專業(yè)的教學(xué)中起著重要的作用，將直接影響學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和專業(yè)能力[1-2]。

對(duì)已有的純說教式的授課方式的多元化教學(xué)模式探索來源于與畢業(yè)學(xué)生的交流。2013年6月中旬，大四本科生畢業(yè)離校前，我校機(jī)電學(xué)院機(jī)械系舉辦了一場(chǎng)與本專業(yè)畢業(yè)生的座談會(huì)，主要是聽取畢業(yè)生對(duì)大學(xué)四年教學(xué)的意見，本文作者和主干課程負(fù)責(zé)教師參與了座談。其中，有找到工作并在企業(yè)實(shí)習(xí)過的學(xué)生提到，雖然大學(xué)四年學(xué)了許多課程，但是面對(duì)企業(yè)的實(shí)際任務(wù)，仍然不知從何下手，實(shí)踐能力弱[3-4]。這個(gè)問題引起了學(xué)生的共鳴。

基于此，我們對(duì)CAD/CAM的教學(xué)環(huán)節(jié)增加了多個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，包括:上機(jī)操作、研究性專題討論、課程實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造綜合實(shí)踐。結(jié)合多媒體課堂授課部分，形成了多元化的理論聯(lián)系實(shí)際的新的教學(xué)模式。通過近幾年的教學(xué)磨合，該模式及教學(xué)安排日臻成熟，效果愈發(fā)理想。各部分任務(wù)安排如下:

·多媒體課堂教學(xué)[5]:包括CAD/CAM概論，CAD/CAM系統(tǒng)的硬件與軟件，圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)，CAD/CAM建模技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程，逆向工程與快速成型。

·上機(jī)操作:計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制，計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程和仿真。

·研究性專題討論:包括工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理方法，產(chǎn)品建模計(jì)算機(jī)表示方法分析。

·課程實(shí)驗(yàn):包括數(shù)控銑編程仿真和加工實(shí)驗(yàn)，數(shù)控車編程仿真和加工實(shí)驗(yàn)。

·現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造綜合實(shí)踐:包括設(shè)計(jì)對(duì)象整體方案設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件圖和系統(tǒng)裝配圖繪制，主要零部件強(qiáng)度校核，關(guān)鍵元器件選型，工藝設(shè)計(jì)及工藝文件編制，CAM軟件加工編程，數(shù)控程序仿真。

三、CAD/CAM多元化教學(xué)模式的組成結(jié)構(gòu)

本章對(duì)所設(shè)計(jì)的CAD/CAM多元化教學(xué)模式的組成進(jìn)行探究。將分為五個(gè)部分進(jìn)行描述。

(一)多媒體課堂教學(xué)

多媒體課堂教學(xué)分為7個(gè)部分進(jìn)行講解。分別如下:

1.CAD/CAM系統(tǒng)的概念、體系結(jié)構(gòu)，了解CAD/ CAM技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；

2.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中所涉及的數(shù)據(jù)管理方法、軟件開發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)；

3.圖形處理技術(shù)、建模技術(shù)原理與方法；

4.CAPP的工作原理及類型、CAPP系統(tǒng)零部件信息描述方法；

5.數(shù)控加工編程基本知識(shí)、手工編程方法，能夠手工和利用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程軟件編制數(shù)控加工程序；

6.CAD/CAM集成的主要方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同CAD/CAM軟件之間的集成；

7.逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)，能利用逆向工程的相關(guān)軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)。

在課堂講解中采用多媒體技術(shù)，例如:

圖1 錯(cuò)切變換效果

在講述錯(cuò)切變換時(shí)可采用圖1所示的圖形直觀顯示其變換效果。

在講述透視變換的原理與方法，介紹透視變換的作用時(shí)，可使用以下圖例進(jìn)行介紹。

并結(jié)合隨堂提問及討論環(huán)節(jié)以實(shí)時(shí)了解學(xué)生的知識(shí)掌握程度，并使課堂氣氛活躍生動(dòng)。

圖2 透視實(shí)例

(二)上機(jī)操作

上機(jī)操作包括兩方面內(nèi)容:

·計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制

利用在國內(nèi)流行的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程軟件開目CAPP編制工藝規(guī)程。根據(jù)預(yù)先給定的零件圖紙，利用該軟件的人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)零件的加工工藝過程，設(shè)計(jì)工藝過程卡片。

·計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程和仿真

利用在國內(nèi)流行的計(jì)算機(jī)輔助編程仿真軟件MasterCAM或UG以及EdgeCAM進(jìn)行數(shù)控編程和仿真。根據(jù)預(yù)先給定的零件圖紙，利用該軟件具有的幾何造型功能生成零件三維造型圖，輸入合理的切削參數(shù)，利用軟件的功能自動(dòng)生成零件的數(shù)控車和銑的加工程序，并利用軟件具有的三維動(dòng)態(tài)仿真功能，在計(jì)算機(jī)上顯示零件的加工過程，觀察刀具的模擬運(yùn)動(dòng)軌跡與零件的模擬加工情況。要求掌握MasterCAM或UG以及EdgeCAM軟件的基本數(shù)控車、銑編程方法。

(三)研究性專題討論

在學(xué)習(xí)了CAD/CAM基本理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如下研究性專題，并開展研究性專題的課堂討論[6-7]。

·研究性專題(工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理方法)

給定機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造過程中的數(shù)據(jù)，要求學(xué)生利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)編程語言編制軟件模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查找、擬合、光順等功能，可要求學(xué)生編制簡單的軟件界面。

·研究性專題(產(chǎn)品建模計(jì)算機(jī)表示方法分析)

利用MasterCAM或UG以及EdgeCAM軟件，分別進(jìn)行線框建模、表面建模、實(shí)體建模和建模造型，產(chǎn)生不同的零件模型，將這些模型轉(zhuǎn)換成IGES或STEP格式，分析不同標(biāo)準(zhǔn)格式文件的結(jié)構(gòu)，理解不同模型的幾何信息和拓?fù)湫畔⒌挠?jì)算機(jī)內(nèi)部表示方法，為CAD/CAM軟件的二次開發(fā)打好基礎(chǔ)。建議預(yù)先講解IGES或STEP格式，并擬好具體的題目和要求。

(四)課程實(shí)驗(yàn)[8-10]

·實(shí)驗(yàn)一:數(shù)控銑手工編制程序、計(jì)算機(jī)仿真和加工

通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，針對(duì)特定零件，手工編制數(shù)控加工程序，并最終在數(shù)控車床和數(shù)控銑床上加工出零件輪廓，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手和解決實(shí)際問題的能力。

按照根據(jù)西門子SINUMERIK 840D的格式，手工編制給定零件圖的數(shù)控銑程序；利用EXSLWIN7計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控仿真軟件，模擬仿真所編制的數(shù)控程序，對(duì)照每個(gè)數(shù)控代碼，觀察刀具的運(yùn)動(dòng)，體會(huì)每個(gè)數(shù)控代碼的具體含義，修改程序的錯(cuò)誤之處；利用數(shù)控機(jī)床模擬鍵盤和EXSL-WIN7提供的模擬機(jī)床操作界面，進(jìn)行機(jī)床加工狀態(tài)模擬，將仿真無誤的程序輸入數(shù)控銑床，加工出零件輪廓。

·實(shí)驗(yàn)二:數(shù)控銑手工編制程序、計(jì)算機(jī)仿真和加工

按照根據(jù)西門子SINUMERIK 840D的格式，手工編制給定零件圖的數(shù)控車程序；利用EXSL-WIN7計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控仿真軟件，模擬仿真所編制的數(shù)控程序，對(duì)照每個(gè)數(shù)控代碼，觀察刀具的運(yùn)動(dòng)，體會(huì)每個(gè)數(shù)控代碼的具體含義，修改程序的錯(cuò)誤之處；利用數(shù)控機(jī)床模擬鍵盤和EXSL-WIN7提供的模擬機(jī)床操作界面，進(jìn)行機(jī)床加工狀態(tài)模擬，最后將仿真無誤的程序輸入數(shù)控車床，加工出零件輪廓。

(五)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造綜合實(shí)踐[11]

在這一部分，學(xué)生將以3～4人小組為單位，在老師命題的基礎(chǔ)上，獨(dú)立進(jìn)行一款機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。主要包含以下主要設(shè)計(jì)內(nèi)容:

·某一機(jī)械產(chǎn)品總體方案設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)思想、工作原理、傳動(dòng)方式、系統(tǒng)組成等；

·關(guān)鍵元器件如各驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)部件、氣動(dòng)部件等的參數(shù)計(jì)算與選型，計(jì)算輸出力、扭矩，以此計(jì)算功率、尺寸和精度，并選擇關(guān)鍵元器件的型號(hào)，保證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)；

·機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，校核主要零部件強(qiáng)度，繪制零件圖和系統(tǒng)裝配圖；

·選定2個(gè)典型零件作為數(shù)控銑和車的對(duì)象，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，編寫工藝文件，利用MasterCAM軟件編制數(shù)控銑和車的加工編程；

·將MasterCAM軟件編制的數(shù)控加工程序，轉(zhuǎn)換為符合西門子840D格式的數(shù)控程序，可手動(dòng)修改，并利用SL數(shù)控程序仿真軟件編輯修改，修改錯(cuò)誤之處，最終得到正確的數(shù)控加工程序；

·根據(jù)設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求編寫綜合實(shí)踐說明書。內(nèi)容包括方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和零件加工數(shù)控代碼。

四、總 結(jié)

通過本文的CAD/CAM多元化教學(xué)模式的實(shí)際實(shí)施，學(xué)生最終成績?nèi)绫?所示，從成績看取得優(yōu)秀、良好的學(xué)生人數(shù)占到88.8%，可以得出以下結(jié)論:本次CAD/CAM的多元化教學(xué)模式改革基本是成功的。從學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)和最終成績看，基于實(shí)踐理念的多元化教學(xué)模式的改革與實(shí)踐基本達(dá)到了預(yù)期的目的，學(xué)生知悉了開展CAD/CAM的實(shí)際操作模式，提高了學(xué)生的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造方面的技能，得到了學(xué)生的認(rèn)可。

表1 CAD/CAM多元化教學(xué)模式成績分布

[1]周自強(qiáng).機(jī)械工程實(shí)踐性教學(xué)的中澳比較研究[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)(教育科學(xué))，2012(12):112-114.

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CAD/CAM多元化教學(xué)模式探索與實(shí)踐

曹宇男， 張勤儉， 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

北京交通大學(xué)2013年度研究生教育教學(xué)改革課題

曹宇男(1979- )，男，副教授，主要研究方向:機(jī)器人控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)，E-mail:ync@bjtu.edu.cn.