1、CAD/CAE/CAM 技术与实训课程的开发 张小芹 伦翠芬 刘雅俊 孙磊 赵进尚 河北科技师范学院 摘 要： 以培养学生的应用能力为目的, 将 CAD、CAE、CAM 三个模块内容有序地衔接、有机地融合在一起, 开发了 CAD/CAE/CAM 技术与实训课程。文中详细介绍了课程的培养目标、内容设置、教学方法和组织形式。在本课程中以产品的生产过程为导向, 以任务驱动贯穿整个教学过程, 培养学生应用当前大型主流CAD/CAE/CAM 软件进行产品开发的能力, 同时培养学生综合职业能力。关键词： 任务驱动; 课程开发; CAD/CAE/CAM; 项目教学; 作者简介：张小芹, 河北省秦皇岛市, 河
2、北科技师范学院。作者简介：伦翠芬, 河北省秦皇岛市, 河北科技师范学院。作者简介：刘雅俊, 河北省秦皇岛市, 河北科技师范学院。作者简介：孙磊, 河北省秦皇岛市, 河北科技师范学院。作者简介：赵进尚, 河北省秦皇岛市, 河北科技师范学院。基金：河北科技师范学院教学研究项目:JYYB201605当前, 随着制造业的飞速发展, 积极开展高新技术研究, 培养特色鲜明的应用型人才已成为理工科院校发展的重要趋势。CAD/CAE/CAM 技术的发展推动了几乎一切领域的设计、制造技术革命, 从根本上改变了传统的设计、生产、管理模式。目前, CAD/CAE/CAM 技术已广泛应用于航空、航天、军工、汽车、船舶
3、、机械、模具、电子、轻工、装备等各个领域, 为企业在激烈的市场竞争中发挥着越来越重要的作用。CAD/CAE/CAM 技术的发展与应用程度已成为衡量一个国家科技发展水平和工业现代化水平的重要标志之一。作为机械设计与制造工程人员掌握现代化的 CAD/CAE/CAM 一体化技术是十分必要的。一、CAD/CAE/CAM 技术与实训课程的内涵CAD/CAE/CAM 涉及计算机图形学、数控加工技术、有限单元分析法、计算机仿真、最优化设计、计算机信息集成技术等多门课程, 是理论性和实践性都很强的综合性课程, 具体教学内容应体现知识的系统性、完整性、先进性和实用性。二、CAD/CAE/CAM 技术与实训课程的
4、开发(一) 课程的培养目标CAD/CAE/CAM 技术与实训课程的培养目标是培养学生的应用能力, 使在掌握CAD/CAE/CAM 技术的基础上, 能够熟练应用当前大型通用 CAD/CAE/CAM 软件, 进行装备制造业、汽车行业或模具产业产品的三维设计、有限元分析、结构优化、工艺分析与设计以及数控编程与加工仿真等工作。(二) 课程内容的设置以产品的生产过程作为导向, 将课程结构划分为 CAD、CAE 和 CAM 三个主模块。CAD 模块包括几何建模、零件装配、运动仿真和工程图四个子模块;CAE 包括有限元分析和优化两个子模块;CAM 模块包括工艺设计、自动编程、加工仿真和车间加工四个子模块。C
5、AD, CAE 模块采用法国达索公司的 SolidWorks 软件;CAM 模块采用美国 CNC Software, Inc 公司的 MasterCAM 软件。1. SolidWorks 软件概述SolidWorks 软件功能强大、易学易用, 是目前领先的、主流的三维 CAD 解决方案。使用 SolidWorks 软件, 机械设计工程师能快速按照其设计思想绘制出草图, 并运用特征与尺寸, 绘制模型实体、装配及详细的工程图。整个产品在设计过程中是百分之百可编辑的, 即模型实体、装配体和工程图之间是全相关的。除了产品设计, SolidWorks 还可以对设计的产品进行运动模拟、碰撞检查、运动学分析
6、、有限元分析及优化设计等功能。SolidWorks Simulation 是 SolidWorks 家庭最热销的分析解决方案, 集功能强大、计算精确和简单好用三大特点于一身, 能够进行应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析。使用 SolodWorks Simulation, 工程师可以最大限度地缩短设计周期、降低测试成本、提高产品质量, 加大利润空间。SolidWorks Motion 是基于 ADAMS 解决方案引擎创建的, 可以在 CAD 系统构建的原型机上查看其工作情况, 从而检测设计结果, 如电机尺寸、压力过载、齿轮转动率运动零件干涉等设计中可能出现的问题,
7、进而修改设计, 得到进一步优化的结果。在本课程中, 学生不仅可以熟练掌握利用 SolidWorks 软件进行草图设计、零件造型、装配、将三维实体转化成符合国标的二维工程图等基本建模技术, 而且深入学习 SolidWorks Simulation 的静力学分析、失稳分析、疲劳分析、优化及 Solidworks Motion 的虚拟样机分析等高级分析功能。2. MasterCAM 软件概述MasterCAM 是美国 CNC Software, Inc 公司开发的基于 PC 平台的 CAD/CAM 软件。该软件自 1984 年问世以来, 就以其强大的加工功能闻名于世。它集二维绘图、三维实体造型、数控
8、编程、刀具路径模拟及真实感模拟等到功能于一身。对系统运行环境要求较低, 而且价位适中, 对广大的中小企业来说是最理想的选择, 是最经济有效的全方位的软件系统。本课程中主要学习 MasterCAM 的 CAM 功能, 除了常用的数控车削加工、二维铣削加工之外, 还深入学习多轴铣削加工、车铣复合加工等高级功能。结合 SolidWork 的 CAD/CAE 和 MasterCAM 的 CAM 功能, 将软件的学习与产品的设计制造过程融合到一起, 将产品设计制造理论与软件操作实践相结合, 提升学生利用软件进行产品开发的能力。(三) 任务驱动模式教学方法在教学方法上, 秉承“以企业需求为导向, 以提高职
9、业能力为核心”的理念, 充分体现“教、学、做合一”思想, 采用任务驱动模式, 让学生在完成任务的过程中完成理论与实践的学生, 做到“学中做, 做中学”。以二级圆柱齿轮减速器为例, 任务分解为:减速器零件建模与装配, 运动仿真, 工程图的生成, 有限元分析及优化, 自动编程与加工仿真五个任务模块, 每个任务模块按减速器结构与零件类型分为若干子模块, 每个子模块中包含若干个项目, 每个项目结束, 根据软件功能增加 1-2 个项目拓展任务, 以进一步熟悉和深化软件的使用。在任务实施过程中, 以项目教学法的形式实现。每个项目由七部分组成, 包括项目任务描述、项目目标、知识链接、项目规划、项目实施、项目
10、拓展, 使学生在任务的完成过程中既学到了产品相关理论知识又掌握了实践操作技能。(四) 教学的组织在教学过程中, 采用项目教学的形式, 以学生操作为主, 教师指导为辅, 下面以直齿圆柱齿轮的建模为例进行说明。1. 项目任务: (任务零件图略) 2. 项目目标:掌握直齿圆柱齿轮建模方法;掌握渐开线生成的不同方法;掌握转换实体引用、放样特征、阵列特征、镜向特征等命令的使用。3. 知识链接:渐开线的绘制方法 (内容略) 4. 项目规划:方案 1:齿轮辐板 (旋转凸台) 轴孔与键槽 (拉伸切除) 齿形草图 (单齿齿形草图草图阵列) 拉伸。方案 2:齿根圆柱 (拉伸凸台) 辐板 (拉伸切除) 板孔 (拉伸
11、切除, 阵列) 轴孔与键槽 (拉伸切除) 单齿 (拉伸) 轮齿 (阵列) 。方案 3:齿轮端面草图 (包含所有齿齿形, 板孔, 轴孔与键槽截面) 拉伸辐板凹槽 (拉伸切除或旋转切除) 。其他方案。5. 项目实施:分组选择不同方案 (详细过程略) 6. 项目评价:各组介绍不同方案实施过程, 讨论不同方案的优缺点。7. 项目拓展: (略) 三、结论在应用型大学建设过程中, 对 CAD/CAE/CAM 技术与实训课程进行开发与探讨, 采用任务驱动的教学模式, 与项目教学法相结合, 将 CAD、CAE、CAM 三部分内容与产品的设计制造过程相融合, 强调基础知识与实例相结合, 突出设计理念和设计思路, 使学生能够轻松掌握所学软件进行产品开发的能力, 同时培养学生的学习能力、合作能力和解决问题的能力等综合职业能力。参考文献1郝洪艳, 孔凡新, 查光成.新技术应用能力需求下 CAD/CAM 实训教学体系的构建J.中国现代教育装备, 2009 (06) :123-125. 2高伟强.机械 CAD/CAE/CAM 技术M.武汉:华中科技大学出版社, 2013 (7) :4-10.
