机械CAD/CAM教学改革研究*

阮广东 , 吕新明

(湖州职业技术学院　机电与汽车工程学院, 浙江　湖州　313000)



机械CAD/CAM教学改革研究*

阮广东 , 吕新明

(湖州职业技术学院机电与汽车工程学院, 浙江湖州313000)

机械CAD/CAM作为机械类专业的核心实践课程，具有综合性、实践性强的特点，但在当前教学实践中，普遍存在着重操作轻理论、理论与实践衔接不紧密、课程关联性不强等问题，这对培养学生的实践能力是极为不利的。为改变这种现状，提出了机械CAD/CAM理实一体化教学改革，开发了一体化教学资源库，进行了课程整合与协同训练，并在制图测绘中进行试验，给出了校企结合的具体方案。

机械CAD/CAM; 理实一体化; 制图测绘; 教学资源库

机械CAD/CAM课程作为机械类专业的一门核心实践课程，对培养高职高专学生的识图与绘图能力、自动编程和数控加工能力等高级职业技能至关重要。针对教学实践中出现的问题，国内不少职业院校的教师从多方面对此门课程进行了教学改革与探索。其中，将CAD课程融入到机械制图教学中的一体化模式[1]157 [2]100及CAD/CAM一体化实验课程体系的建设及实践[3]40-41 [4]86-87 [5]255-256取得了良好的效果。但当前CAD/CAM课程教学中仍存在很多问题，主要体现在如下几方面：

(1)CAD/CAM实训中，倾向于软件的操作而不是识图能力、空间想象能力与工艺能力的培养，过度关注计算机绘图与编程工具的使用，而忽视了基本的制图理论与机械制造工艺知识的运用。

(2)CAD/CAM技能的提升尚没有形成完整、科学的训练体系和系统的课程体系支撑。

(3)CAD/CAM课程中，由于课程与实践、企业结合的少，学生的学习兴趣不浓，学习动力不足，更不知所学课程的价值所在。

结合当前课程教学现状、问题及国内兄弟院校取得的教学改革成果，本文进一步剖析CAD/CAM课程教学改革的有效途径与方法，以期提高学生的计算机绘图能力和自动编程能力。

一、机械CAD/CAM理实一体化改革

传统意义上的CAD/CAM课程是指利用同一软件如UG、PROE等对同一零部件进行三维建模和数控编程。文章所研究的CAD/CAM包括CAD和CAM两门课程。其中CAD课程指的就是利用CAD软件(包括二维绘图软件CAD和三维绘图软件UG、PROE等)进行绘图，其目的是训练学生的识图与绘图能力；CAM课程指的是利用CAM软件(UG、PROE等)进行数控编程，其目的是训练学生制定工艺和自动编程的能力。据此可知，CAD/CAM的理论基础便是机械制图和机械制造工艺课程，课程要实现的理实一体化改革就是要将制图、工艺和CAD/CAM软件操作进行结合起来授课。

(一)机械制图基本理论与CAD课程的结合

1.标注理论知识在CAD绘图中的应用根据以往教学方式，在CAD上机训练中，学生只是按照教师发给的图纸按部就班的进行绘图，往往只注重绘图技巧的使用，而忽略了制图知识的理解与运用。绘图完成后，按照图纸上的标注样例进行标注而并未思考为何如此标注，学生的标注能力并未在CAD课程中得到训练。鉴于此，CAD课程中增加了标注原则的讲解，将标注理论知识的学习与具体的标注实践结合起来，从而实现了理实一体化。

2.利用UG建模加深学生对零件图投影原理的理解正投影理论是机械制图中的核心理论，借助UG通过对所建模型的操作来完成投影知识的讲解，形象、直观、透彻。另外，学生作业中常有补画三视图的题目，许多同学所补画的视图不是多画就是漏画，或者画的不正确。利用UG建模可检验所画视图的正确性。尤其是在学习切割体三视图时，如果不用UG来进行教学，许多初学者会感到非常吃力。在切割体表达学习之后，采用UG进行绘制形状不同的切割体并进行投影练习对于学生空间想象能力的培养是非常有效的。图1所示为利用UG所建的某零部件的模型，学生在UG软件当中可对建好的模型进行旋转、缩放、定向视图等操作，从而可从不同角度观察所建零部件模型的各个部位。

3.利用UG制图模块加深学生对剖视图的理解机械零部件内部结构的表达要借助于剖视图来完成，许多学生对于零部件外部形状的表达尚能掌握，但一涉及到内部形状如阶梯孔，半剖图、全剖图的表达则往往束手无策。利用UG建立零部件的几何模型，再利用制图模块完成正等轴测图的投影，然后进行相关操作对视图进行半剖或全剖，这样零部件内部结构便清晰的展现出来，学生才能对剖视图有一个全面正确的理解与掌握。图2为一切割体与组合体的三视图，题目要求画出主视图的半剖图和左视图的全剖图，在绘图当中学生也会出现多画、漏画或者画错等现象。在CAD课堂之中让学生画完之后， UG课中再让学生将其转换为三维立体图，从而进一步观察模型的点线面投影，这样再让学生根据立体图或UG制图模块中所画剖视图进行重画或检验CAD课中画的剖视图，学生成功的几率将大大提高。

4.利用UG装配模块和CAD训练学生对装配图的理解与表达掌握了零件图的绘制与表达之后，按照零部件的配合关系将零部件进行组合便可得到装配图。UG和CAD绘制装配图的原理是一样的，都是先绘制零件图，然后进行拼图。在UG中，建好零部件模型之后，进入装配模块导入零部件模型进行接触、对齐等约束便可完成三维装配图的绘制；在CAD中，绘制好零件图后，利用设计中心导入要装配的图形并进行相关修改便可方便的完成二维装配图的绘制，这相对机械制图和测绘课程中手工绘制装配图要简单的多。在这样的训练当中，学生将主要精力集中在对装配关系的理解上，而不是机械的模仿抄画视图，这有利于培养学生对机械零部件结构视图表达的分析能力和综合能力。另外，为培养学生阅读装配图的能力，教学中还安排了学生根据装配图拆画零件图的训练。学生经过利用UG和CAD软件根据零件图组装绘制装配图和根据装配图拆画零件图的训练后，对装配图的识读和绘制能力会大大提高。

5.利用CAD强大的二维制图能力训练学生对视图点线面的掌握与理解在教学过程中，教师不能简单的将CAD和UG课程当作绘图工具独立的来进行讲授，而应该作为机械制图课程的实训课程来进行。学生在利用CAD抄画零部件视图过程中，首先要进行视图的分析、结构的想象及尺寸和技术要求的分析，在此过程中，可加强学生对“长对正、高平齐、宽相等”原理的理解与运用，即运用此原理进行识图与绘图，同时可培养学生的分析能力、推理能力和空间想象能力。学生经过大量的绘图训练，识图能力和计算机绘图能力大大提高，从而解决了当前学生中存在的重绘图轻识图、重技巧轻策略等问题。

(二)机械制图、机械制造工艺知识与CAM课程的结合

利用UG建模模块建好零部件的三维模型之后，进入加工模块进行相关设置及处理便可生成数控加工程序。在建模过程中，学生要分析视图，想象结构，进行二维图到三维图的转换，这个过程要用到制图相关知识和UG建模技巧，这部分内容学生尚能掌握。但在CAM技能训练中，学生对自动编程的过程和软件的操作运用往往缺乏一个清晰的思路。产生这种现象的原因主要是由于学生没有将理论知识的运用与软件的操作有机的结合起来，不明白CAM软件的操作过程实际上就是加工工艺制定与刀具运动设置相结合的过程[6]194 [7]175-176。图3为一曲面凸板的零件图，毛坯采用100×100×45的立方块铝料。CAM编程时,首先要进行零件图纸的分析,然后进行三维模型的创建、数控加工工艺方案的确定，最后要通过软件的操作完成刀具的创建、几何体的创建、工序的创建。

表1给出了该零件的加工工艺方案。各加工工序的创建以及每一工序中刀具的创建、工序创建中加工余量、进给速度的确定都要依据此表中给出的参数进行设定，除此之外还要进行刀具切削方向顺序、非切削移动参数、切削模式、步距等刀具运动数据的设定。学生在CAM软件操作前要对这些做到心中有数，操作时才会做到有条不紊，得心应手。

表1　加工工艺方案

二、以机械CAD/CAM改革为基础，促进测绘课程改革

(一)运用CAD替代传统手绘精确绘图

传统测绘课程中，学生将大部分时间与精力用在手工模仿绘图上，而忽视了观察能力、动手能力、分析能力、空间构思能力等核心能力的培养。运用CAD技术对此门课程进行改革后,学生的测绘工作主要是通过观察、分析和构思进行测试和草绘，复杂精确的绘图工作则主要依靠CAD和UG软件来完成。这不仅培养了学生的测试分析能力，还锻炼了学生运用CAD软件进行绘图的技能[8]164-166。

(二)虚拟测绘课程的开发

以往测绘课程的进行，是让学生对减速器实物测量并绘制出相关零件图和装配图，这种训练方法把测量、构思、转换等能力集成在一块训练，学生需要多种能力才能完成测绘工作。这种教学模式直接给出实物让学生进行测绘，没有将众多能力分解开来，没有按照高职学生的学习思维特点循序渐进、由浅入深的训练，跨度比较大。学生没有中间课程的过渡及能力的逐步训练，测绘时往往陷入无从着手、无章可循的状态。为改变这种状态，本课题选取了典型的标有尺寸的三维结构图。在教学中，先让学生按照三维结构图进行转换绘制成二维视图，然后再进行实物测绘课程。三维结构图中标注了全部尺寸，学生在分析结构图时也明白了零部件哪些部位需要测量哪些部位不需要测量。有了这样的过渡，学生的实物测量能力、视图选择能力与二维图构思能力得到训练与提升，再进行实物测绘则不会感到突兀。

三、教学资源库开发、校企合作与学生CAD/CAM技能的提升

(一)教学资源库配套开发建设与课程设置改革

CAD具有强大的二维制图能力，UG具有强大的三维建模能力及加工能力。为使二者的教学衔接起来，在教学内容上，本课题拟开发统一的教学案例。在CAD教学中，教师将要绘制的图纸发给学生，学生运用软件将图画出；同样，在UG教学实训中，教师运用同样的图纸让学生在UG中将其转换成三维图，并进行装配训练和自动生成制图训练；CAM授课过程中，同样采取以前所绘过的典型零部件进行UG自动编程训练，这样就真正实现了CAD/CAM教学的一体化。同时，为使机械制图、机械制造工艺学与CAD/CAM教学同步进行，制图与工艺课中的典型教学案例与习题也会放入CAD/CAM中让学生进行训练，这样，学生经过机械制图中的手工绘图、CAD中的二维图绘制、UG中的三维建模对同一零部件绘图训练之后，学生的空间想象能力、形体分析能力、绘图能力将会大大提高，学生对常见的零部件的特征、识图绘图方法与技巧也有了一个深入的掌握。

高职机械制图课程一般安排两学期进行，第二学期末学生开始测绘实训，CAD及UG的授课往往滞后于测绘课。这种教学安排导致学生在学习机械制图时，不能借助于CAD绘图工具进行制图的理解与绘制，教师也无法实现利用CAD软件讲解制图中重点难点知识。为改变这种局面，文章尝试将CAD、UG的授课与训练与机械制图的授课同步进行。利用UG强大的建模、制图、装配功能激发学生学习机械制图的兴趣与热情，并将这种兴趣与热情一直持续到测绘课程，从而强化与巩固学生的识图与绘图技能。机械制图、CAD、UG进行同步教学，学生在训练中提升了自己的基本功，从而达到培养高素质人才的目的。对于机械制造类专业学生，如数控技术、模具设计与制造等，教学中将增加UG的加工模块；对于非制造类专业学生，此部分内容暂不开设。在测绘课中，对于层次比较高的同学，还要求其用UG建立减速器的三维模型。这样，对不同的专业、不同层次的学生达到了因材施教，分类培养的目的。

(二)校企结合

尽管通过CAD/CAM实训学生掌握了基本的识图绘图与编程技能，但仍然达不到国家对高技能人才的要求。为切实提高学生实践能力，学校需要与生产企业进行零距离对接，建立校外企业实训基地，将典型机械制造企业生产过程中真实的零部件及其相关产品图纸呈现给学生，让学生进行分析、运用CAD、 UG绘制二维图和三维图并进行数控自动化编程。校内实训结束后，安排学生进企业观看真实的零部件结构及其生产加工过程，将自己绘制的图纸和编制的程序与真实的结构、真实的数控程序进行比较，让学生分析自己所绘图纸、所编程序的错误，并找出原因，加以更正，从而使学生产生深刻的印象，以切实提高学生的实战能力。

(三)学生CAD/CAM技能的提升

反复大量训练是掌握技能的根本途径，但仅有大量的训练，而没有掌握本质的内容与理论，并不利于学生技能的提升与熟练。CAD/CAM是一门软件操作课程，软件操作技巧是基础，软件操作原理是本质。如果学生不明白操作原理而仅仅反复的操作，虽然暂时弄懂了，但记忆效果不好，运用起来也不会得心应手。一个项目的实施(如绘图、建模、编程)，实际上是通过一系列操作过程即操作体系所完成的，学生只有在综合性的项目训练当中才能将各个操作有机的联系起来，从而形成自己的操作技能。因此，需要加强学生对操作体系、操作步骤的理解与认识。

由于实施了CAD/CAM一体化授课方式，并结合企业实践，取得较好效果，但还需对课程的共性进行研究，才能更好地提升学生技能。(1)CAD/CAM软件操作过程中会遇到大量的对话框及子对话框，在对话框中完成相关选择及数据的输入；(2)CAD与UG CAD操作的最终目的是在图形界面上输出图形，UG CAM操作要用到UG CAD所建的模型，最终目的是生成刀具轨迹与数控加工程序；(3)CAD与UG CAM在完成一个项目之前都要进行相关的设置。CAD画图之前要进行图层设置、标注样式设置、表格样式设置等，UG CAM在生成数控程序之前要进行切削参数、非切削参数等的选择与设置。

学生如果在实训当中能够做到对操作软件、操作原理、操作步骤了然于胸，在实训当中才能对训练项目做到融会贯通。同时，为提升学生的CAD/CAM技能，本文提出了相应的对策：(1)教师给出训练项目，演示操作步骤，学生进行操作实训并在操作过程中体会操作步骤之间的内在关系；(2)针对学生在操作中遇到的问题及难点，教师进行集中讲解；(3)学生进行项目的第二次操作训练，强化技能；(4)布置新的训练项目，让学生在完成项目当中实现知识与技能的迁移运用；(5)启发学生总结在项目训练中所掌握的技能，从而形成新的技能结构；(6)组织学生进行CAD/CAM技能资格认证考试，鼓励学生参与不同层次的竞赛项目，通过技能考试和竞赛，强化、巩固与提升学生的技能，培养学生的创新能力[9]178-180。

四、结　语

机械CAD/CAM课程改革后，由于建立了理实一体化的教学模式和开发了贯穿于机械制图、CAD、UG CAD/CAM的一体化教学资源库，学生对于基本概念、基本原理有了一个深入的掌握；通过在不同课程之间使用同一教学案例，强化了学生对基本实训项目掌握与熟练程度，有利于学生实现知识与技能的迁移；测绘课程的CAD改革，既训练了学生运用CAD进行实战绘图的能力，也锻炼了学生的空间想象能力和结构到图纸的分析转换能力；通过建立科学的CAD/CAM训练体系，强化与提升了学生的技能；学校与企业的零距离对接，有利于激发学生的学习兴趣和培养学生严谨的工作态度及实战能力。

[1] 李超伦.制图的基础知识在AutoCAD中的重要性[J].科技资讯,2014(36).

[2] 戚会滨，焦玉永.计算机辅助设计、制造(CAD、CAM)和《机械制图》课程的结合、探索与实践[J].科技风,2013(15).

[3] 王祎才.高职院校机械CAD/CAM课程教学改革研究[J].中国包装工业,2012(19).

[4] 高葛.《机械CAD/CAM》的项目化教学改革与实践[J].西安航空技术高等专科学校学报,2015(3).

[5] 乔东平,李浩,罗国富,等.机械CAD/CAM技术课程教学改革与创新探讨[J].河南科技,2013(15).

[6] 徐丽娜.《机械CAD/CAM》课程项目化教学改革的探索与实践[J].中国校外教育,2015(12).

[7] 郭利.融合工艺知识的机械CAD/CAM课程教学改革[J].苏州大学学报(工科版),2015(3)．

[8] 金鑫.工程制图与CAD及制图测绘的一体化教学实践[J].机械研究与应用,2015(1).

[9] 王颖.高职《机械CAD/CAM》课程改革初探[J].电子测试,2013(23).

Research on Teaching Reform of CAD/CAM

RUAN Guang-dong , LV Xin-ming

(School of Mechanical and Electrical & Automotive Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

As the core practice course of mechanical major, CAD/CAM has the strong comprehensive and practical features. But in the current teaching practice, there exists a single, one-sided phenomenon such as students concentrate on the operational practice but light theory, theory and practice articulation is not close, and the curriculum relevance is not strong. This is extremely detrimental to the training of students’ practical ability. In order to change this situation, this paper puts forward the views of integration of theory and practice in CAD / CAM, reforms the mapping curriculum basing CAD, development of the integrational teaching resources, integration the curriculum, studies the countermeasure of promoting the students’ CAD / CAM skills, and gives the specific program of the combination between school and enterprise.

computer aided design/computer aided manufacturing; integration of theory and practice; charting of mapping course; the bank of teaching resources

2016-01-21

本文系2015年度湖州职业技术学院教学改革项目“机械CAD/CAM教学改革研究(2016JY03)”的研究成果之一。

阮广东(1986-)，男，山东邹城人，助教，机械工程硕士，主要从事机械CAD/CAM研究；吕新明(1976-)，男，山东淄博人，讲师，机电工程博士，主要从事机械制图与CAD/CAM等研究。

G712

A

1672-2388(2016)03-0015-04