模具CADCAM 課程改革與教學(xué)實(shí)踐

1、模具CAD/CAM教育教學(xué)實(shí)踐張玉新，張瑞珠，李 勇，馮在強(qiáng)（1.華北水利水電學(xué)院機(jī)械學(xué)院，河南鄭州，450045）摘要：模具CAD/CAM課程為專業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行了課程改革，結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)將教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。以杯子的注塑模設(shè)計與制造為案例進(jìn)行了技能融合理論知識的教學(xué)實(shí)踐。初步實(shí)踐充分證明了課程改革對人才的培養(yǎng)和專業(yè)的發(fā)展具有積極意義。關(guān)鍵詞：模具CAD/CAM；課程改革；教學(xué)實(shí)踐；模具設(shè)計Course Reformation and Teaching Practice ofDie & Mould CAD/CAMZHANG Yu-xin, ZHANG Rui-z

2、hu,LI Yong, FENG Zai-qiang （Department of Mechanical Engineering，North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou，450045）Abstract: The course reformation of Die & Mould CAD/CAM was carried on for the specialized development, the program of instruction and course conte

3、nt and educational model was adjusted with the specialized characteristic. This paper took the design and manufacturing of injection die of cup as the case and carried on teaching practice of the skill and theoretical knowledge together. The preliminary practice proved fully that the course reformat

4、ion has the positive sense for talented person's raise and the specialized development.Keywords: Die & Mould CAD/CAM; Course reformation; Teaching practice; Die designs1課程改革的背景與體現(xiàn)學(xué)院于2001年設(shè)立了材料成形及控制工程專業(yè)（以下簡稱“材控專業(yè)”），結(jié)合國內(nèi)院校材控專業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，以單一的模具方向?yàn)榻ㄔO(shè)重點(diǎn)。隨著專業(yè)日益的發(fā)展與經(jīng)驗(yàn)的沉淀，綜合模具行業(yè)的逐漸成熟、社會用工和模具專業(yè)的學(xué)生就業(yè)形式的嚴(yán)峻性

5、，材控專業(yè)增設(shè)了焊接方向，兩個方向的學(xué)生共同學(xué)習(xí)的材控專業(yè)的課程包括基礎(chǔ)課（如物理化學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、金屬學(xué)熱處理、材料成型原理、工程材料及成型技術(shù)和材料力學(xué)性能等）和少數(shù)專業(yè)限選課（如塑性成型工藝及模具設(shè)計和釬焊等，但模具CAD/CAM除外），其它課程作為專業(yè)任選課供學(xué)生選學(xué)。實(shí)踐和時間證明，專業(yè)學(xué)生的總體就業(yè)情況明顯好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為學(xué)生就業(yè)快且就業(yè)率高（就業(yè)和考研綜合高達(dá)97%）。但模具方向的就業(yè)情況一直以來不容樂觀，致使超過1/2學(xué)生選擇了備考研究生，少數(shù)學(xué)生選擇了從事焊接工作，模具方向的課程教學(xué)實(shí)施與發(fā)展遇到了瓶頸。雖然專業(yè)方向的增設(shè)使得學(xué)生的就業(yè)壓力小了，但新的問題隨之顯現(xiàn)，一則我校材控

6、專業(yè)在國內(nèi)基本無知名度，以及社會對從事模具相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)的要求過高等原因，導(dǎo)致社會用人單位的漠視；二則由于方向課程的系統(tǒng)性欠佳，我們培養(yǎng)的學(xué)生無論讀研深造還是就業(yè)從事模具或焊接或相關(guān)專業(yè)工作時出現(xiàn)專業(yè)不專等現(xiàn)象，教學(xué)改革迫在眉睫。本專業(yè)2010年上半年度進(jìn)行了有針對的課程體系改革，使專業(yè)課程更加系統(tǒng)、完整和合理，而受改革影響較大的課程當(dāng)屬模具CAD/CAM，即由原來的方向限選課變更為專業(yè)任選課。 緣于此，課程以課題“RE（逆向工程）技術(shù)在模具設(shè)計中的應(yīng)用研究”為平臺，對課程改革在教學(xué)內(nèi)容和模式以及人才的培養(yǎng)等方面進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐。2課程改革的實(shí)施傳統(tǒng)的模具CAD/CAM教學(xué)模式以厚重的理論教學(xué)為基

7、礎(chǔ)，以培養(yǎng)具有深厚理論基礎(chǔ)的技術(shù)型人才及研究人才為目的1。但隨著近年來高校本科招生的擴(kuò)招、越來越多的學(xué)校增設(shè)模具專業(yè)以及國家大力支持職業(yè)教育的發(fā)展實(shí)施，迫使畢業(yè)生即掌握技術(shù)又有技能，對傳統(tǒng)的模具CAD/CAM教育模式改革成為必然。為了使這一課程改革順利過渡和實(shí)施，并能與計算機(jī)及模具行業(yè)的快速發(fā)展、技能型人才的發(fā)展需求相適應(yīng)。從2010-2011學(xué)年第一學(xué)期開始，針對模具CAD/CAM的教學(xué)改革進(jìn)行了教學(xué)準(zhǔn)備、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等方面一系列的實(shí)施措施。模具CAD/CAM課程性質(zhì)的變更，要求教學(xué)大綱和內(nèi)容需要進(jìn)行徹底的調(diào)整。因?yàn)閷I(yè)任選課意味著模具和焊接方向的學(xué)生都可憑自己的興趣進(jìn)行選學(xué)，在有利于

8、學(xué)生增加知識面學(xué)習(xí)的同時，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)的實(shí)施都提出了更高要求。表1授課計劃的調(diào)整對照原授課內(nèi)容調(diào)整后授課內(nèi)容理論u 模具CAD/CA M系統(tǒng)組成u 數(shù)據(jù)的處理方法u 圖形變換u 幾何造型的形體表達(dá)模式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)u 數(shù)控加工原理與程序編制u 沖模與擠壓模CAD/CAMl 模具CAD/CAM系統(tǒng)組成l 圖形變換技術(shù)l 模具CAD技術(shù)l 逆向技術(shù)的運(yùn)用l 快速原型技術(shù)l 鑄造模/注塑CAEl 模具CAM的數(shù)控加工仿真實(shí)驗(yàn)u 二維數(shù)表程序化u 二維圖形變換u 三維圖形變換u 熱擠壓模CAD系統(tǒng)開發(fā)l 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)l 產(chǎn)品的RE模型重構(gòu)實(shí)驗(yàn)l 鑄模/注塑模CAD實(shí)驗(yàn)l 鑄模/注塑模CAE分析l

9、 模具CAM仿真實(shí)驗(yàn)首先，體現(xiàn)在對學(xué)生掌握知識的要求方面。任選課對學(xué)生所掌握知識的要求較低，尤其安排在第七學(xué)期（一般安排在后半學(xué)期），學(xué)生多以備考研究生和找工作為主，請假和逃課現(xiàn)象嚴(yán)重。如果以理論為主，學(xué)生需要系統(tǒng)地按部就班并花費(fèi)大量時間預(yù)習(xí)、聽課、消化和吸收，實(shí)踐證明效果很差。因此，課程不得不對學(xué)生掌握的理論知識降低要求，增強(qiáng)教學(xué)模塊之間銜接相對不很密切的實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容和環(huán)節(jié)。其次，體現(xiàn)在教材的選取上，適合本科教學(xué)的模具CAD/CAM教材版本較多，或以理論為主，或以軟件的應(yīng)用為主，而案例多以塑料件注塑模為主。只有模具方向?qū)W生學(xué)習(xí)過塑料模具知識，焊接方向?qū)W生無任何基礎(chǔ)，要求內(nèi)容須兼?zhèn)浣饘倥c塑料

10、模具設(shè)計，以供學(xué)生選學(xué)。最后，任選課要求教學(xué)內(nèi)容必須與專業(yè)方向課程的連接不能過于緊密銜接。由原來的以理論為主線、技能為輔更改為重點(diǎn)學(xué)習(xí)技能、理論要求了解為特色的應(yīng)用實(shí)踐課程。依托教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容，授課計劃的調(diào)整如表1所示。保持32個總學(xué)時（其中實(shí)驗(yàn)10學(xué)時）不變， 并根據(jù)學(xué)校近年來增添的可共享的教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況，開設(shè)今后模具行業(yè)較為常用的RE技術(shù)和快速原型技術(shù)課堂與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。實(shí)踐說明，這種輔以課堂演示與理論講解、實(shí)驗(yàn)操作與輔導(dǎo)結(jié)合的任選課課程內(nèi)容的調(diào)整與實(shí)施，不但加深了學(xué)生對模具設(shè)計與制造的理解，更提高了學(xué)生的專業(yè)知識綜合運(yùn)用能力。3教學(xué)實(shí)踐與案例模具CAD/CAM是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課

11、程，在應(yīng)用型人才的培養(yǎng)過程中具有重要的地位2、3。改革后的知識技能結(jié)構(gòu)既要使學(xué)生掌握CAD/CAE/CAM軟件的操作技能，又要理解產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，并了解如何進(jìn)行圖形分析和用正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)。這就要求教學(xué)過程中合理設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，技能操作輔以理論滲透，達(dá)到技能與技術(shù)的集合。實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，較為有利的條件有三。其一，本專業(yè)在第七學(xué)期開設(shè)了專業(yè)任選課Pro/E三維造型技術(shù)，課程應(yīng)用的Pro/E（Pro/ENGINEER，簡寫為“Pro/E”）集CAD/CAE/CAM功能為一體，是模具行業(yè)較為成熟的軟件，為逆向技術(shù)、模具設(shè)計與模擬以及制造仿真教學(xué)的開展提供了教具。材控專業(yè)設(shè)置該課至今，

12、無論是三個還是四個專業(yè)班級，選課人數(shù)穩(wěn)定在80或110以上，選學(xué)學(xué)生接近滿員，學(xué)生具備了軟件的運(yùn)用基礎(chǔ)；其二，我校已下發(fā)大型儀器設(shè)備的共享文件，鋼結(jié)構(gòu)研究所的3D CaMega 便攜激光掃描儀和快速原型機(jī)為教學(xué)實(shí)驗(yàn)以及科研項(xiàng)目的實(shí)施帶來了便利；其三，專業(yè)已有大型注塑機(jī)可為教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合服務(wù)，更能以科研促進(jìn)教學(xué)。基于以上軟硬件條件，將教學(xué)模塊進(jìn)行了設(shè)計安排，現(xiàn)以注塑產(chǎn)品塑料杯為設(shè)計原型對教學(xué)進(jìn)行了案例法教學(xué)實(shí)踐探析，課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如圖1所示，流程中模具設(shè)計環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)得益于RE技術(shù)在課杯子的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理曲面構(gòu)建模型檢測實(shí)體模型杯子的注塑成型模具的NC仿真杯子的注塑CAE杯子的模具設(shè)計

13、杯子模型重構(gòu)技術(shù)快速原型技術(shù)杯子的母模圖1 杯子的實(shí)例教學(xué)流程 圖2影像逆向處理程中的教學(xué)運(yùn)用。RE技術(shù)是在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有杯子零件的實(shí)物模型，利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造原形CAD模型的過程。通過三維掃描儀可直接獲取零件的高精度三維數(shù)據(jù)，通過軟件構(gòu)造曲面或?qū)嶓w使之成為所需的三維數(shù)據(jù)模型；還可以運(yùn)用影像逆向，通過照相機(jī)或者其它攝影儀器對原實(shí)物進(jìn)行拍照，然后需將照片在Pro/E中進(jìn)行模型重構(gòu)，如圖2所示，這為教學(xué)提供了更為豐富的教學(xué)方式。為了更好貫徹表1中更新的教學(xué)內(nèi)容，對設(shè)計與制造杯子注塑模具時必須具備的基本能力進(jìn)行剖析分解，將理論知

14、識點(diǎn)和技能通過開發(fā)典型注塑模具設(shè)計實(shí)例，具體操作可根據(jù)注塑模具設(shè)計流程把注塑模具設(shè)計的理論基礎(chǔ)知識和軟件應(yīng)用知識結(jié)合講解。模具CAD/CAM課程教學(xué)演示與講解的知識點(diǎn)為：（1）RE技術(shù)相關(guān)知識在課程中的開展是按照工作流程對RE技術(shù)數(shù)字化測量系統(tǒng)和方法、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型重構(gòu)、RE技術(shù)系統(tǒng)以及快速原型技術(shù)和快速模具制造技術(shù)等進(jìn)行全面的講解，在影像逆向設(shè)計杯子參照模型時融入講解CAD/CAM軟件基礎(chǔ)知識。要求學(xué)生對技能會操作、知識點(diǎn)了解；（2）模具設(shè)計模塊作為重點(diǎn)知識點(diǎn)，技術(shù)與技能結(jié)合實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。即在杯子的模具零件設(shè)計融入講解型腔數(shù)目確定與布局、分型線與分型面的設(shè)計、動定模尺寸確定、澆口形

15、式與位置、流道設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、模架結(jié)構(gòu)設(shè)計等模具結(jié)構(gòu)知識的理論與方法。要求學(xué)生對技能會操作、知識點(diǎn)掌握；（3）注塑CAE知識點(diǎn)的教學(xué)即杯子的注塑件工藝分析時融入實(shí)際應(yīng)用的塑料材料成型特性、工藝參數(shù)的優(yōu)化、注塑CAE結(jié)果的分析等理論與方法。要求學(xué)生對技能會操作、知識點(diǎn)掌握；（4）模具CAM環(huán)節(jié)演示機(jī)床、加工方式和刀具的選擇、加工零點(diǎn)與退刀平面的確定、主軸轉(zhuǎn)速等制造參數(shù)的設(shè)置、NC序列數(shù)控加工仿真的操作。要求學(xué)生對技能會操作、知識點(diǎn)了解。4結(jié)語模具CAD/CAM課程由專業(yè)限選更改為任選課的教學(xué)改革促使教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式等從理論為主向技能+理論轉(zhuǎn)變。通過課堂操作與講解、實(shí)驗(yàn)演示與指導(dǎo)使學(xué)生得到較實(shí)際的實(shí)踐鍛煉并學(xué)會理論在實(shí)踐中的運(yùn)用。教學(xué)中取得了很好的教學(xué)效果，可供其它課程借鑒。為本科課堂教學(xué)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計提供了更先進(jìn)的模具設(shè)計方