郭競杰++李勇峰++謝文龍

摘要：由于教學(xué)內(nèi)容落后、教學(xué)模式單一等原因，以往《機(jī)械CAD/CAM》的教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與適應(yīng)工程實(shí)踐的機(jī)械CAD設(shè)計理念等方面存在一些不足。為了解決此問題，在不增加學(xué)時的情況下，將3D打印技術(shù)與教學(xué)有機(jī)結(jié)合，注重對學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計能力、工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在潛移默化中引導(dǎo)學(xué)生逐步形成科學(xué)合理的機(jī)械CAD設(shè)計理念，開展了《機(jī)械CAD/CAM》的創(chuàng)新教學(xué)改革研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)械CAD/CAM；3D打印技術(shù)；創(chuàng)新

中圖分類號：G4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.30.083

《機(jī)械CAD/CAM》是機(jī)械類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在實(shí)際教學(xué)中，除了必要的理論教學(xué)之外，主要通過安排機(jī)械CAD/CAM軟件上機(jī)實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生掌握機(jī)械CAD/CAM的基本原理、基本方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的CAD技術(shù)應(yīng)用能力及創(chuàng)新意識，以期為學(xué)生今后從事機(jī)械CAD技術(shù)的應(yīng)用、研究及開發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

河南科技學(xué)院開設(shè)的《機(jī)械CAD/CAM》課程在教學(xué)安排上主要以學(xué)生上機(jī)實(shí)訓(xùn)為主。在以往的教學(xué)實(shí)踐中，由于課程總學(xué)時偏少（僅為24個），在完成CAD/CAM軟件教學(xué)后，已無多余學(xué)時安排學(xué)生使用數(shù)控機(jī)床加工自行設(shè)計的零件和機(jī)構(gòu)，只能讓學(xué)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(shí)際數(shù)控加工接觸較少的學(xué)生往往會形成一個錯誤觀念：在CAD軟件中設(shè)計好的零件只要仿真數(shù)控加工無問題，在真實(shí)數(shù)控機(jī)床上就一定能被加工成可以滿足設(shè)計要求的零件。但是仿真軟件只能盡可能真實(shí)地提供仿真加工結(jié)果，不可能絕對真實(shí)地模擬實(shí)際數(shù)控機(jī)床加工情況。而某些在CAD軟件中已設(shè)計好的機(jī)械零件盡管仿真數(shù)控加工無任何問題，但是由于零件結(jié)構(gòu)設(shè)計或公差選取不合理、加工參數(shù)設(shè)置錯誤、制造誤差等原因，導(dǎo)致在實(shí)際數(shù)控加工后無法滿足設(shè)計要求或無法裝配，這樣的現(xiàn)象屢見不鮮。很顯然，學(xué)生的錯誤觀念對其以后在機(jī)械行業(yè)的發(fā)展會產(chǎn)生消極影響。

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

針對以往教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式存在的弊端，為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力、引導(dǎo)學(xué)生形成正確合理的機(jī)械CAD設(shè)計理念，提出了基于3D打印技術(shù)的《機(jī)械CAD/CAM》教學(xué)改革方案。

13D打印技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)、運(yùn)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(gòu)造物體的新型的快速成型技術(shù)，被稱作是“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”，在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、建筑、航空航天、醫(yī)學(xué)、教育等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。近年來隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，3D打印在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，在教學(xué)、學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)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(shù)生成真實(shí)三維實(shí)體的時間已經(jīng)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(shí)體的大小、復(fù)雜程度以及3D打印機(jī)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(fù)雜程度，機(jī)器的性能，刀具的性能等等。3D打印技術(shù)不需要任何刀具、模具、夾具或機(jī)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(zhuǎn)換成真實(shí)三維實(shí)體，極大地簡化了制造過程，提高了制造效率。3D打印機(jī)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(shí)際需要方便地進(jìn)行縮放，特別有利于初學(xué)者研究制造三維模型。

3D打印技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)過程并不困難。首先通過機(jī)械CAD軟件完成某個實(shí)體的三維建模，再將三維模型進(jìn)行分層切片處理，生成3D打印機(jī)可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)格式文件（一般為STL格式文件），最后將該文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中即可逐層打印三維實(shí)體模型。在《機(jī)械CAD/CAM》課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以利用3D打印技術(shù)方便快速地完成三維模型的CAD建模到物理實(shí)現(xiàn)的整個過程。

2基于3D打印技術(shù)的《機(jī)械CAD/CAM》教學(xué)改革內(nèi)容及實(shí)施

2.1課程內(nèi)容設(shè)置注重夯實(shí)基礎(chǔ)、突出應(yīng)用性

根據(jù)教學(xué)大綱要求，課程是面向機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)三年級本科生開設(shè)的。學(xué)生之前已學(xué)過二維CAD軟件AutoCAD與《機(jī)械設(shè)計》、《機(jī)械原理》等先修課程，具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)。根據(jù)對國內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)的調(diào)研情況，課程主要講授國內(nèi)企業(yè)用戶較多、功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)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(zhǔn)面內(nèi)繪制不同的草圖，再對每個草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣等操作最終生成三維模型。因此在課程內(nèi)容設(shè)置上重視從兩種軟件的共性入手，首先重點(diǎn)講授軟件的基本原理和基本操作方法，使學(xué)生不僅能夠在較短時間內(nèi)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(jī)械工程中的應(yīng)用特點(diǎn)在實(shí)際教學(xué)中有其不同的側(cè)重點(diǎn)。對于SolidWorks，側(cè)重講授三維實(shí)體建模、裝配體設(shè)計、動畫制作、鈑金設(shè)計以及工程圖的繪制等；對于CAXA制造工程師，側(cè)重講授曲面造型、特征實(shí)體造型、實(shí)體與復(fù)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(xué)不僅為學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)使用3D打印技術(shù)打下良好基礎(chǔ)，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

2.2采用緊貼生產(chǎn)實(shí)際的項(xiàng)目式教學(xué)模式

在完成軟件的基礎(chǔ)部分教學(xué)后，學(xué)生已初步掌握軟件的基本操作方法。為了能夠與前段教學(xué)做到良好銜接，在教學(xué)中開始采用從易到難、貼近生產(chǎn)實(shí)際的項(xiàng)目式教學(xué)模式。這一教學(xué)模式內(nèi)容主要包括典型機(jī)械零件（如軸類零件、螺栓、齒輪、蝸桿、軸承等）和典型機(jī)械機(jī)構(gòu)（如連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)等）的CAD工程項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。學(xué)生學(xué)習(xí)過4—5個CAD工程項(xiàng)目、具備一定的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)后，將按照“分析——結(jié)構(gòu)設(shè)計——三維建模——物理實(shí)現(xiàn)——實(shí)物測量——修改”的設(shè)計流程自行完成3—4個典型CAD工程項(xiàng)目。學(xué)生需先使用軟件完成三維CAD建模，并將三維建模文件轉(zhuǎn)換生成STL格式文件；然后將STL格式文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中，并按照要求設(shè)置3D打印參數(shù)，即可打印自行設(shè)計的真實(shí)三維實(shí)體模型。打印完成后，學(xué)生需使用游標(biāo)卡尺、螺旋測微儀、百分表、三坐標(biāo)測量儀等測量工具對模型進(jìn)行測量，判斷模型在尺寸、形狀、裝配與配合等方面是否達(dá)到設(shè)計要求。如果存在超出設(shè)計要求的誤差，學(xué)生就要分析原因，并提出合理改進(jìn)方案。學(xué)生根據(jù)改進(jìn)方案再次打印出三維實(shí)體模型，然后再次測量以判斷模型是否達(dá)到設(shè)計要求。這不是一蹴而就的過程，學(xué)生一般需要多次改進(jìn)才能打印出滿足設(shè)計要求并能夠成功裝配的零件或者機(jī)構(gòu)。

由于學(xué)生的工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)相對不足，教師將會引導(dǎo)學(xué)生綜合利用已學(xué)的《機(jī)械設(shè)計》、《機(jī)械原理》等相關(guān)知識按照工程實(shí)際要求自行完成某個項(xiàng)目并探究解決一些工程實(shí)際問題。比如教師提出設(shè)計要求，讓學(xué)生完成一個運(yùn)行精度較高的凸輪機(jī)構(gòu)項(xiàng)目。學(xué)生已經(jīng)學(xué)過相關(guān)理論知識，一般都會按照設(shè)計要求完成凸輪機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)在運(yùn)行中有時會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，實(shí)際上是不能滿足設(shè)計要求的。這種現(xiàn)象在實(shí)際工程中是比較常見的，但是學(xué)生在CAD設(shè)計中很少會考慮如何避免產(chǎn)生這一現(xiàn)象。在教師主導(dǎo)的原因分析中，很多學(xué)生反映在結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)生分析可能是凸輪基圓半徑或者壓力角設(shè)計不合理等。學(xué)生根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，再打印出并裝配好經(jīng)過重新設(shè)計的凸輪機(jī)構(gòu)，再次驗(yàn)證改進(jìn)方案是否有效合理。類似這樣的工程問題還有很多，學(xué)生需要逐漸學(xué)會以工程實(shí)踐的視角分析、思考及解決問題。

2.3調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識

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

另一方面，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的想象力，鼓勵學(xué)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(jī)械零件或機(jī)械機(jī)構(gòu)。學(xué)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(jié)語

教學(xué)實(shí)踐表明，在保持《機(jī)械CAD/CAM》課程總學(xué)時不變的情況下，將3D打印技術(shù)引入教學(xué)之中，對于培養(yǎng)學(xué)生良好的工作作風(fēng)與創(chuàng)新能力是一種有益的嘗試，也有助于學(xué)生主動形成科學(xué)合理的機(jī)械CAD設(shè)計理念。下一步，將購置性能更為先進(jìn)的3D打印機(jī)和3D掃描儀以及相關(guān)軟件，另外積極與相關(guān)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)對接，探討3D打印技術(shù)的校企合作，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索《機(jī)械CAD/CAM》的創(chuàng)新教學(xué)改革。

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