《机械CAD/CAM》创新教学改革研究

摘要：由于教学内容落后、教学模式单一等原因，以往《机械CAD/CAM》的教学在培养学生的创新能力与适应工程实践的机械CAD设计理念等方面存在一些不足。为了解决此问题，在不增加学时的情况下，将3D打印技术与教学有机结合，注重对学生机械创新设计能力、工程应用能力的培养，在潜移默化中引导学生逐步形成科学合理的机械CAD设计理念，开展了《机械CAD/CAM》的创新教学改革研究。

关键词：机械CAD/CAM；3D打印技术；创新

中图分类号：G4

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2016.30.083

《机械CAD/CAM》是机械类专业重要的专业基础课程。在实际教学中，除了必要的理论教学之外，主要通过安排机械CAD/CAM软件上机实训等实践教学环节使学生掌握机械CAD/CAM的基本原理、基本方法，注重培养学生的CAD技术应用能力及创新意识，以期为学生今后从事机械CAD技术的应用、研究及开发工作打下坚实基础。

河南科技学院开设的《机械CAD/CAM》课程在教学安排上主要以学生上机实训为主。在以往的教学实践中，由于课程总学时偏少（仅为24个），在完成CAD/CAM软件教学后，已无多余学时安排学生使用数控机床加工自行设计的零件和机构，只能让学生利用仿真软件完成零件的仿真数控加工。长此以往，对实际数控加工接触较少的学生往往会形成一个错误观念：在CAD软件中设计好的零件只要仿真数控加工无问题，在真实数控机床上就一定能被加工成可以满足设计要求的零件。但是仿真软件只能尽可能真实地提供仿真加工结果，不可能绝对真实地模拟实际数控机床加工情况。而某些在CAD软件中已设计好的机械零件尽管仿真数控加工无任何问题，但是由于零件结构设计或公差选取不合理、加工参数设置错误、制造误差等原因，导致在实际数控加工后无法满足设计要求或无法装配，这样的现象屡见不鲜。很显然，学生的错误观念对其以后在机械行业的发展会产生消极影响。

另外，由于课程侧重相关软件教学，而对学生的机械创新设计能力培养的不够重视。课程结束后学生一般都会使用CAD软件设计常用零件和机构，但是对于近年来现代制造业已开始应用的新颖、特殊的零件和机构，很多学生往往无从下手，不知道如何综合应用所学知识使用CAD软件去设计。

针对以往教学内容和教学模式存在的弊端，为了培养学生创新意识和工程实践能力、引导学生形成正确合理的机械CAD设计理念，提出了基于3D打印技术的《机械CAD/CAM》教学改革方案。

13D打印技术特点及优势

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础、运用粉末状金属或塑料等可黏合材料、通过逐层打印的方式来构造物体的新型的快速成型技术，被称作是“第三次工业革命最具标志性的生产工具”，在工业产品设计、建筑、航空航天、医学、教育等领域具有广阔的应用空间。近年来随着3D打印技术的快速发展，3D打印在教育领域中的应用越来越受到关注，在教学、学习和研究领域带来一系列令人瞩目的创新与变革。

与传统的数控加工相比，3D打印技术生成真实三维实体的时间已经缩短了数倍乃至数十倍。3D打印加工时间的长短仅取决于所打印实体的大小、复杂程度以及3D打印机性能。而传统的数控加工通常需要几小时到几天，是根据模型的复杂程度，机器的性能，刀具的性能等等。3D打印技术不需要任何刀具、模具、夹具或机械加工过程，可以直接将在CAD软件中绘制的三维数字模型转换成真实三维实体，极大地简化了制造过程，提高了制造效率。3D打印机可以使用ABS塑料或者生物分解性塑料来打印三维模型，其尺寸也可以根据实际需要方便地进行缩放，特别有利于初学者研究制造三维模型。

3D打印技术的具体实现过程并不困难。首先通过机械CAD软件完成某个实体的三维建模，再将三维模型进行分层切片处理，生成3D打印机可以读取的标准格式文件（一般为STL格式文件），最后将该文件导入到3D打印机中即可逐层打印三维实体模型。在《机械CAD/CAM》课程学习过程中，学生可以利用3D打印技术方便快速地完成三维模型的CAD建模到物理实现的整个过程。

2基于3D打印技术的《机械CAD/CAM》教学改革内容及实施

2.1课程内容设置注重夯实基础、突出应用性

根据教学大纲要求，课程是面向机械设计制造及其自动化专业三年级本科生开设的。学生之前已学过二维CAD软件AutoCAD与《机械设计》、《机械原理》等先修课程，具备一定的专业基础。根据对国内机械制造企业的调研情况，课程主要讲授国内企业用户较多、功能强大、简单易学的三维CAD/CAM软件SolidWorks和CAXA制造工程师。@两种软件的使用有一定的相似性，比如在三维建模时都需要先在不同的基准面内绘制不同的草图，再对每个草图进行拉伸、旋转、放样等操作最终生成三维模型。因此在课程内容设置上重视从两种软件的共性入手，首先重点讲授软件的基本原理和基本操作方法，使学生不仅能够在较短时间内熟悉软件的使用，而且能举一反三掌握其它同类软件的基本操作。

此外，根据这两种软件在机械工程中的应用特点在实际教学中有其不同的侧重点。对于SolidWorks，侧重讲授三维实体建模、装配体设计、动画制作、钣金设计以及工程图的绘制等；对于CAXA制造工程师，侧重讲授曲面造型、特征实体造型、实体与复杂曲面混合的造型、数控铣CAM功能以及知识加工等。对于这两种软件有针对性的教学不仅为学生继续学习使用3D打印技术打下良好基础，而且有利于培养学生的工程应用能力。

2.2采用紧贴生产实际的项目式教学模式

在完成软件的基础部分教学后，学生已初步掌握软件的基本操作方法。为了能够与前段教学做到良好衔接，在教学中开始采用从易到难、贴近生产实际的项目式教学模式。这一教学模式内容主要包括典型机械零件（如轴类零件、螺栓、齿轮、蜗杆、轴承等）和典型机械机构（如连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、棘轮机构等）的CAD工程项目的设计与实现。学生学习过4―5个CAD工程项目、具备一定的设计经验后，将按照“分析――结构设计――三维建模――物理实现――实物测量――修改”的设计流程自行完成3―4个典型CAD工程项目。学生需先使用软件完成三维CAD建模，并将三维建模文件转换生成STL格式文件；然后将STL格式文件导入到3D打印机中，并按照要求设置3D打印参数，即可打印自行设计的真实三维实体模型。打印完成后，学生需使用游标卡尺、螺旋测微仪、百分表、三坐标测量仪等测量工具对模型进行测量，判断模型在尺寸、形状、装配与配合等方面是否达到设计要求。如果存在超出设计要求的误差，学生就要分析原因，并提出合理改进方案。学生根据改进方案再次打印出三维实体模型，然后再次测量以判断模型是否达到设计要求。这不是一蹴而就的过程，学生一般需要多次改进才能打印出满足设计要求并能够成功装配的零件或者机构。

由于学生的工程设计经验相对不足，教师将会引导学生综合利用已学的《机械设计》、《机械原理》等相关知识按照工程实际要求自行完成某个项目并探究解决一些工程实际问题。比如教师提出设计要求，让学生完成一个运行精度较高的凸轮机构项目。学生已经学过相关理论知识，一般都会按照设计要求完成凸轮机构的三维CAD模型，但是发现根据模型打印并装配好的凸轮机构在运行中有时会出现失真现象，实际上是不能满足设计要求的。这种现象在实际工程中是比较常见的，但是学生在CAD设计中很少会考虑如何避免产生这一现象。在教师主导的原因分析中，很多学生反映在结构设计时并未考虑凸轮的工作廓线是否会出现失真现象，还有学生分析可能是凸轮基圆半径或者压力角设计不合理等。学生根据分析结果提出相应的改进方案，再打印出并装配好经过重新设计的凸轮机构，再次验证改进方案是否有效合理。类似这样的工程问题还有很多，学生需要逐渐学会以工程实践的视角分析、思考及解决问题。

2.3调动学生学习积极性、培养学生创新意识

现代机械制造业发展很快，新型机械零件与机械机构层出不穷。如果学生局限于只会用软件完成现有常用零件或机构的CAD设计，这对其以后的发展极为不利，因此在课程中培养学生机械设计创新意识显得必要而紧迫。一方面，在教学中适当引入易于用3D打印实现的、具有一定创新意义的新型机械机构设计项目（如并联机构、空间连杆机构、工业机器人机械手等），鼓励学生自由组合成团队，通过课下查阅资料自行提出总体解决方案、完成CAD设计、3D打印零部件以及装配与调试。项目完成后，团队应撰写一份设计报告，每个成员都要参加答辩，说明所采用的设计思路、技术路线及装配调试过程，教师提出指导意见并评分。对于设计新颖、完成情况较好的团队予以鼓励，并将其设计报告公布于众，让其他学生学习交流。对于评分不合格的团队需要对其项目及设计报告进行修改后再次参加答辩。

另一方面，充分调动学生学习积极性，发挥学生的想象力，鼓励学生自由选择主题制作有创意的3D打印作品，作品不必局限于机械零件或机械机构。学生对此兴趣非常浓厚，制作了多个具有一定创意的3D打印作品，部分作品如图1、图2所示。

3结语

教学实践表明，在保持《机械CAD/CAM》n程总学时不变的情况下，将3D打印技术引入教学之中，对于培养学生良好的工作作风与创新能力是一种有益的尝试，也有助于学生主动形成科学合理的机械CAD设计理念。下一步，将购置性能更为先进的3D打印机和3D扫描仪以及相关软件，另外积极与相关企业与科研机构对接，探讨3D打印技术的校企合作，并在此基础上继续探索《机械CAD/CAM》的创新教学改革。

参考文献

[1]王洪波，邓伟刚，郁志宏.机械CAD课程的教学改革思路与实践[J].内蒙古农业大学学报（社会科学版），2013，（4）：7376.

[2]高奇，曾红，张德强.3D打印在大学生创新实验中的应用研究[J].实验技术与管理，2015，（11）：2830.

[3]吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2015.

[4]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.