CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程的開發(fā)

張小芹+倫翠芬+劉雅俊+孫磊+趙進(jìn)尚

摘要：以培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力為目的，將CAD、CAE、CAM三個(gè)模塊內(nèi)容有序地銜接、有機(jī)地融合在一起，開發(fā)了CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程。文中詳細(xì)介紹了課程的培養(yǎng)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法和組織形式。在本課程中以產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為導(dǎo)向，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)貫穿整個(gè)教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用當(dāng)前大型主流CAD/CAE/CAM軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合職業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動(dòng)；課程開發(fā)；CAD/CAE/CAM；項(xiàng)目教學(xué)

當(dāng)前，隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，積極開展高新技術(shù)研究，培養(yǎng)特色鮮明的應(yīng)用型人才已成為理工科院校發(fā)展的重要趨勢。CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了幾乎一切領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)革命，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理模式。目前，CAD/CAE/CAM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、汽車、船舶、機(jī)械、模具、電子、輕工、裝備等各個(gè)領(lǐng)域，為企業(yè)在激烈的市場競爭中發(fā)揮著越來越重要的作用。CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國家科技發(fā)展水平和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。作為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程人員掌握現(xiàn)代化的CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)是十分必要的。

一、 CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程的內(nèi)涵

CAD/CAE/CAM涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)控加工技術(shù)、有限單元分析法、計(jì)算機(jī)仿真、最優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)信息集成技術(shù)等多門課程，是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性課程，具體教學(xué)內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)知識的系統(tǒng)性、完整性、先進(jìn)性和實(shí)用性。

二、 CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程的開發(fā)

（一） 課程的培養(yǎng)目標(biāo)

CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，使在掌握CAD/CAE/CAM技術(shù)的基礎(chǔ)上，能夠熟練應(yīng)用當(dāng)前大型通用CAD/CAE/CAM軟件，進(jìn)行裝備制造業(yè)、汽車行業(yè)或模具產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)、有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝分析與設(shè)計(jì)以及數(shù)控編程與加工仿真等工作。

（二） 課程內(nèi)容的設(shè)置

以產(chǎn)品的生產(chǎn)過程作為導(dǎo)向，將課程結(jié)構(gòu)劃分為CAD、CAE和CAM三個(gè)主模塊。CAD模塊包括幾何建模、零件裝配、運(yùn)動(dòng)仿真和工程圖四個(gè)子模塊；CAE包括有限元分析和優(yōu)化兩個(gè)子模塊；CAM模塊包括工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)編程、加工仿真和車間加工四個(gè)子模塊。

CAD，CAE模塊采用法國達(dá)索公司的SolidWorks軟件；CAM模塊采用美國CNC Software，Inc公司的MasterCAM軟件。

1. SolidWorks軟件概述

SolidWorks軟件功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，是目前領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。使用SolidWorks軟件，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師能快速按照其設(shè)計(jì)思想繪制出草圖，并運(yùn)用特征與尺寸，繪制模型實(shí)體、裝配及詳細(xì)的工程圖。整個(gè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中是百分之百可編輯的，即模型實(shí)體、裝配體和工程圖之間是全相關(guān)的。除了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，SolidWorks還可以對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬、碰撞檢查、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等功能。

SolidWorks Simulation是SolidWorks家庭最熱銷的分析解決方案，集功能強(qiáng)大、計(jì)算精確和簡單好用三大特點(diǎn)于一身，能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析、熱分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析。使用SolodWorks Simulation，工程師可以最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期、降低測試成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤空間。SolidWorks Motion是基于ADAMS解決方案引擎創(chuàng)建的，可以在CAD系統(tǒng)構(gòu)建的原型機(jī)上查看其工作情況，從而檢測設(shè)計(jì)結(jié)果，如電機(jī)尺寸、壓力過載、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)率運(yùn)動(dòng)零件干涉等設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題，進(jìn)而修改設(shè)計(jì)，得到進(jìn)一步優(yōu)化的結(jié)果。

在本課程中，學(xué)生不僅可以熟練掌握利用SolidWorks軟件進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)、零件造型、裝配、將三維實(shí)體轉(zhuǎn)化成符合國標(biāo)的二維工程圖等基本建模技術(shù)，而且深入學(xué)習(xí)SolidWorks Simulation 的靜力學(xué)分析、失穩(wěn)分析、疲勞分析、優(yōu)化及Solidworks Motion的虛擬樣機(jī)分析等高級分析功能。

2. MasterCAM軟件概述

MasterCAM是美國CNC Software，Inc公司開發(fā)的基于PC平臺(tái)的CAD/CAM軟件。該軟件自1984年問世以來，就以其強(qiáng)大的加工功能聞名于世。它集二維繪圖、三維實(shí)體造型、數(shù)控編程、刀具路徑模擬及真實(shí)感模擬等到功能于一身。對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求較低，而且價(jià)位適中，對廣大的中小企業(yè)來說是最理想的選擇，是最經(jīng)濟(jì)有效的全方位的軟件系統(tǒng)。本課程中主要學(xué)習(xí)MasterCAM的CAM功能，除了常用的數(shù)控車削加工、二維銑削加工之外，還深入學(xué)習(xí)多軸銑削加工、車銑復(fù)合加工等高級功能。

結(jié)合SolidWork的CAD/CAE和MasterCAM的CAM功能，將軟件的學(xué)習(xí)與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程融合到一起，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造理論與軟件操作實(shí)踐相結(jié)合，提升學(xué)生利用軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的能力。

（三） 任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，秉承“以企業(yè)需求為導(dǎo)向，以提高職業(yè)能

力為核心”的理念，充分體現(xiàn)“教、學(xué)、做合一”思想，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中完成理論與實(shí)踐的學(xué)生，做到“學(xué)中做，做中學(xué)”。以二級圓柱齒輪減速器為例，任務(wù)分解為：減速器零件建模與裝配，運(yùn)動(dòng)仿真，工程圖的生成，有限元分析及優(yōu)化，自動(dòng)編程與加工仿真五個(gè)任務(wù)模塊，每個(gè)任務(wù)模塊按減速器結(jié)構(gòu)與零件類型分為若干子模塊，每個(gè)子模塊中包含若干個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目結(jié)束，根據(jù)軟件功能增加1-2個(gè)項(xiàng)目拓展任務(wù)，以進(jìn)一步熟悉和深化軟件的使用。

在任務(wù)實(shí)施過程中，以項(xiàng)目教學(xué)法的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)項(xiàng)目由七部分組成，包括項(xiàng)目任務(wù)描述、項(xiàng)目目標(biāo)、知識鏈接、項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目拓展，使學(xué)生在任務(wù)的完成過程中既學(xué)到了產(chǎn)品相關(guān)理論知識又掌握了實(shí)踐操作技能。

（四） 教學(xué)的組織

在教學(xué)過程中，采用項(xiàng)目教學(xué)的形式，以學(xué)生操作為主，教師指導(dǎo)為輔，下面以直齒圓柱齒輪的建模為例進(jìn)行說明。

1. 項(xiàng)目任務(wù)：（任務(wù)零件圖略）

2. 項(xiàng)目目標(biāo)：掌握直齒圓柱齒輪建模方法；掌握漸開線生成的不同方法；掌握轉(zhuǎn)換實(shí)體引用、放樣特征、陣列特征、鏡向特征等命令的使用。

3. 知識鏈接：漸開線的繪制方法（內(nèi)容略）

4. 項(xiàng)目規(guī)劃：

方案1：齒輪輻板（旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——齒形草圖（單齒齒形草圖——草圖陣列）——拉伸。方案2：齒根圓柱（拉伸凸臺(tái)）——輻板（拉伸切除）——板孔（拉伸切除，陣列）——軸孔與鍵槽（拉伸切除）——單齒（拉伸）——輪齒（陣列）。方案3：齒輪端面草圖（包含所有齒齒形，板孔，軸孔與鍵槽截面）——拉伸——輻板凹槽（拉伸切除或旋轉(zhuǎn)切除）。

其他方案。

5. 項(xiàng)目實(shí)施：分組選擇不同方案（詳細(xì)過程略）

6. 項(xiàng)目評價(jià)：各組介紹不同方案實(shí)施過程，討論不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

7. 項(xiàng)目拓展：（略）

三、 結(jié)論

在應(yīng)用型大學(xué)建設(shè)過程中，對CAD/CAE/CAM技術(shù)與實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行開發(fā)與探討，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，與項(xiàng)目教學(xué)法相結(jié)合，將CAD、CAE、CAM三部分內(nèi)容與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程相融合，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)知識與實(shí)例相結(jié)合，突出設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思路，使學(xué)生能夠輕松掌握所學(xué)軟件進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、合作能力和解決問題的能力等綜合職業(yè)能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]高偉強(qiáng).機(jī)械CAD/CAE/CAM技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013（7）：4-10.

作者簡介：張小芹，倫翠芬，劉雅俊，孫磊，趙進(jìn)尚，河北省秦皇島市，河北科技師范學(xué)院。endprint