《機械CAD/CAM》創(chuàng)新教學改革研究

郭競杰++李勇峰++謝文龍

摘要：由于教學內容落后、教學模式單一等原因，以往《機械CAD/CAM》的教學在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與適應工程實踐的機械CAD設計理念等方面存在一些不足。為了解決此問題，在不增加學時的情況下，將3D打印技術與教學有機結合，注重對學生機械創(chuàng)新設計能力、工程應用能力的培養(yǎng)，在潛移默化中引導學生逐步形成科學合理的機械CAD設計理念，開展了《機械CAD/CAM》的創(chuàng)新教學改革研究。

關鍵詞：機械CAD/CAM；3D打印技術；創(chuàng)新

中圖分類號：G4

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.30.083

《機械CAD/CAM》是機械類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程。在實際教學中，除了必要的理論教學之外，主要通過安排機械CAD/CAM軟件上機實訓等實踐教學環(huán)節(jié)使學生掌握機械CAD/CAM的基本原理、基本方法，注重培養(yǎng)學生的CAD技術應用能力及創(chuàng)新意識，以期為學生今后從事機械CAD技術的應用、研究及開發(fā)工作打下堅實基礎。

河南科技學院開設的《機械CAD/CAM》課程在教學安排上主要以學生上機實訓為主。在以往的教學實踐中，由于課程總學時偏少（僅為24個），在完成CAD/CAM軟件教學后，已無多余學時安排學生使用數(shù)控機床加工自行設計的零件和機構，只能讓學生利用仿真軟件完成零件的仿真數(shù)控加工。長此以往，對實際數(shù)控加工接觸較少的學生往往會形成一個錯誤觀念：在CAD軟件中設計好的零件只要仿真數(shù)控加工無問題，在真實數(shù)控機床上就一定能被加工成可以滿足設計要求的零件。但是仿真軟件只能盡可能真實地提供仿真加工結果，不可能絕對真實地模擬實際數(shù)控機床加工情況。而某些在CAD軟件中已設計好的機械零件盡管仿真數(shù)控加工無任何問題，但是由于零件結構設計或公差選取不合理、加工參數(shù)設置錯誤、制造誤差等原因，導致在實際數(shù)控加工后無法滿足設計要求或無法裝配，這樣的現(xiàn)象屢見不鮮。很顯然，學生的錯誤觀念對其以后在機械行業(yè)的發(fā)展會產生消極影響。

另外，由于課程側重相關軟件教學，而對學生的機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)的不夠重視。課程結束后學生一般都會使用CAD軟件設計常用零件和機構，但是對于近年來現(xiàn)代制造業(yè)已開始應用的新穎、特殊的零件和機構，很多學生往往無從下手，不知道如何綜合應用所學知識使用CAD軟件去設計。

針對以往教學內容和教學模式存在的弊端，為了培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和工程實踐能力、引導學生形成正確合理的機械CAD設計理念，提出了基于3D打印技術的《機械CAD/CAM》教學改革方案。

13D打印技術特點及優(yōu)勢

3D打印技術是一種以數(shù)字模型文件為基礎、運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料、通過逐層打印的方式來構造物體的新型的快速成型技術，被稱作是“第三次工業(yè)革命最具標志性的生產工具”，在工業(yè)產品設計、建筑、航空航天、醫(yī)學、教育等領域具有廣闊的應用空間。近年來隨著3D打印技術的快速發(fā)展，3D打印在教育領域中的應用越來越受到關注，在教學、學習和研究領域帶來一系列令人矚目的創(chuàng)新與變革。

與傳統(tǒng)的數(shù)控加工相比，3D打印技術生成真實三維實體的時間已經縮短了數(shù)倍乃至數(shù)十倍。3D打印加工時間的長短僅取決于所打印實體的大小、復雜程度以及3D打印機性能。而傳統(tǒng)的數(shù)控加工通常需要幾小時到幾天，是根據(jù)模型的復雜程度，機器的性能，刀具的性能等等。3D打印技術不需要任何刀具、模具、夾具或機械加工過程，可以直接將在CAD軟件中繪制的三維數(shù)字模型轉換成真實三維實體，極大地簡化了制造過程，提高了制造效率。3D打印機可以使用ABS塑料或者生物分解性塑料來打印三維模型，其尺寸也可以根據(jù)實際需要方便地進行縮放，特別有利于初學者研究制造三維模型。

3D打印技術的具體實現(xiàn)過程并不困難。首先通過機械CAD軟件完成某個實體的三維建模，再將三維模型進行分層切片處理，生成3D打印機可以讀取的標準格式文件（一般為STL格式文件），最后將該文件導入到3D打印機中即可逐層打印三維實體模型。在《機械CAD/CAM》課程學習過程中，學生可以利用3D打印技術方便快速地完成三維模型的CAD建模到物理實現(xiàn)的整個過程。

2基于3D打印技術的《機械CAD/CAM》教學改革內容及實施

2.1課程內容設置注重夯實基礎、突出應用性

根據(jù)教學大綱要求，課程是面向機械設計制造及其自動化專業(yè)三年級本科生開設的。學生之前已學過二維CAD軟件AutoCAD與《機械設計》、《機械原理》等先修課程，具備一定的專業(yè)基礎。根據(jù)對國內機械制造企業(yè)的調研情況，課程主要講授國內企業(yè)用戶較多、功能強大、簡單易學的三維CAD/CAM軟件SolidWorks和CAXA制造工程師。這兩種軟件的使用有一定的相似性，比如在三維建模時都需要先在不同的基準面內繪制不同的草圖，再對每個草圖進行拉伸、旋轉、放樣等操作最終生成三維模型。因此在課程內容設置上重視從兩種軟件的共性入手，首先重點講授軟件的基本原理和基本操作方法，使學生不僅能夠在較短時間內熟悉軟件的使用，而且能舉一反三掌握其它同類軟件的基本操作。

此外，根據(jù)這兩種軟件在機械工程中的應用特點在實際教學中有其不同的側重點。對于SolidWorks，側重講授三維實體建模、裝配體設計、動畫制作、鈑金設計以及工程圖的繪制等；對于CAXA制造工程師，側重講授曲面造型、特征實體造型、實體與復雜曲面混合的造型、數(shù)控銑CAM功能以及知識加工等。對于這兩種軟件有針對性的教學不僅為學生繼續(xù)學習使用3D打印技術打下良好基礎，而且有利于培養(yǎng)學生的工程應用能力。

2.2采用緊貼生產實際的項目式教學模式

在完成軟件的基礎部分教學后，學生已初步掌握軟件的基本操作方法。為了能夠與前段教學做到良好銜接，在教學中開始采用從易到難、貼近生產實際的項目式教學模式。這一教學模式內容主要包括典型機械零件（如軸類零件、螺栓、齒輪、蝸桿、軸承等）和典型機械機構（如連桿機構、齒輪機構、凸輪機構、棘輪機構等）的CAD工程項目的設計與實現(xiàn)。學生學習過4—5個CAD工程項目、具備一定的設計經驗后，將按照“分析——結構設計——三維建?！锢韺崿F(xiàn)——實物測量——修改”的設計流程自行完成3—4個典型CAD工程項目。學生需先使用軟件完成三維CAD建模，并將三維建模文件轉換生成STL格式文件；然后將STL格式文件導入到3D打印機中，并按照要求設置3D打印參數(shù)，即可打印自行設計的真實三維實體模型。打印完成后，學生需使用游標卡尺、螺旋測微儀、百分表、三坐標測量儀等測量工具對模型進行測量，判斷模型在尺寸、形狀、裝配與配合等方面是否達到設計要求。如果存在超出設計要求的誤差，學生就要分析原因，并提出合理改進方案。學生根據(jù)改進方案再次打印出三維實體模型，然后再次測量以判斷模型是否達到設計要求。這不是一蹴而就的過程，學生一般需要多次改進才能打印出滿足設計要求并能夠成功裝配的零件或者機構。

由于學生的工程設計經驗相對不足，教師將會引導學生綜合利用已學的《機械設計》、《機械原理》等相關知識按照工程實際要求自行完成某個項目并探究解決一些工程實際問題。比如教師提出設計要求，讓學生完成一個運行精度較高的凸輪機構項目。學生已經學過相關理論知識，一般都會按照設計要求完成凸輪機構的三維CAD模型，但是發(fā)現(xiàn)根據(jù)模型打印并裝配好的凸輪機構在運行中有時會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，實際上是不能滿足設計要求的。這種現(xiàn)象在實際工程中是比較常見的，但是學生在CAD設計中很少會考慮如何避免產生這一現(xiàn)象。在教師主導的原因分析中，很多學生反映在結構設計時并未考慮凸輪的工作廓線是否會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，還有學生分析可能是凸輪基圓半徑或者壓力角設計不合理等。學生根據(jù)分析結果提出相應的改進方案，再打印出并裝配好經過重新設計的凸輪機構，再次驗證改進方案是否有效合理。類似這樣的工程問題還有很多，學生需要逐漸學會以工程實踐的視角分析、思考及解決問題。

2.3調動學生學習積極性、培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識

現(xiàn)代機械制造業(yè)發(fā)展很快，新型機械零件與機械機構層出不窮。如果學生局限于只會用軟件完成現(xiàn)有常用零件或機構的CAD設計，這對其以后的發(fā)展極為不利，因此在課程中培養(yǎng)學生機械設計創(chuàng)新意識顯得必要而緊迫。一方面，在教學中適當引入易于用3D打印實現(xiàn)的、具有一定創(chuàng)新意義的新型機械機構設計項目（如并聯(lián)機構、空間連桿機構、工業(yè)機器人機械手等），鼓勵學生自由組合成團隊，通過課下查閱資料自行提出總體解決方案、完成CAD設計、3D打印零部件以及裝配與調試。項目完成后，團隊應撰寫一份設計報告，每個成員都要參加答辯，說明所采用的設計思路、技術路線及裝配調試過程，教師提出指導意見并評分。對于設計新穎、完成情況較好的團隊予以鼓勵，并將其設計報告公布于眾，讓其他學生學習交流。對于評分不合格的團隊需要對其項目及設計報告進行修改后再次參加答辯。

另一方面，充分調動學生學習積極性，發(fā)揮學生的想象力，鼓勵學生自由選擇主題制作有創(chuàng)意的3D打印作品，作品不必局限于機械零件或機械機構。學生對此興趣非常濃厚，制作了多個具有一定創(chuàng)意的3D打印作品，部分作品如圖1、圖2所示。

3結語

教學實踐表明，在保持《機械CAD/CAM》課程總學時不變的情況下，將3D打印技術引入教學之中，對于培養(yǎng)學生良好的工作作風與創(chuàng)新能力是一種有益的嘗試，也有助于學生主動形成科學合理的機械CAD設計理念。下一步，將購置性能更為先進的3D打印機和3D掃描儀以及相關軟件，另外積極與相關企業(yè)與科研機構對接，探討3D打印技術的校企合作，并在此基礎上繼續(xù)探索《機械CAD/CAM》的創(chuàng)新教學改革。

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