面向现代CAD/CAM技术的模具专业课程教学

引言

    早在20世纪90年代Boing777客机项目的研发，就由238个多功能团队利用CAD/CAM技术进行同时集中式协同研发，在研发周期缩短50%的前提下成功地完成了该项目的研发，开创了无图纸、研发的先河。随着互联网的普及及信息知识工程等技术的进一步发展，集成化、智能化、协同化成为CAD/CAM技术发展的新特点，特别是基于网络制造的动态联盟、绿色制造、生物制造、智能CAD技术、概念设计、动态联盟、全数子化设计、可视化制造等技术，更是三维CAD/CAM技术的衍生。

一 现代三维CAD/CAM软件的介绍

    目前在国际上主要的CAD/CAM软件被分为高档、中档和相对独立的软件。

    (一)高档CAD软件

    主要有：CATIA，I-DEAS，UG，Pro/E，等，提供复杂的产品全生命周期解决方案，优越的参数化设计，变量设计及造型特征技术与传统的实体和曲面造型功能结合在一起，加工方式完备，实用性强、包括三维CAD设计、CAM、CAE、CAPP等功能，可对数控过程进行自动控制和优化。
   
    (二)中档CAD软件

    主要有Solidworks，Solidedge，MasterCAM，Cimatron等，有灵活的用户界面、优良的三维造型、工程绘图、数字加工全面、各种通用专用数据接口及集成化的产品数据库。

    (三)相对独立的CAD软件

    主要有AutoCAD、Surfcam等，有图形设计功能、交互工艺参数输入模块、三维动态仿真及互联网功能。

    国产CAD软件有北航海尔CAXA、InteCAD、开目CAD、中望CAD、广州红地“金银花”等。

二 现代CAD／CAM技术软件的特点

    三维CAD软件大多具有易操作性，具有基于特征的参数驱动造型功能。运用其拉伸、旋转、扫描、放样等工具，可以高效地建立各种复杂的三维实体，且所造形体形象逼真、色彩丰富，通过三维CAD软件，三维实体大多可自动生成二维的工程制图。其尺寸具有相关联性，如修改一部分尺寸，则和其相关联的尺寸可自动修改。随着网络技术的不断发展及CAM(Computer Aided Manufacturing)的出现，基于Internet、Intrant及企业内部局域网体系的实现成为可能，出现了基于三维CAD软件的三维CAD／CAM软件，它不仅能实现三维设计还能进行有限元分析、三维仿真加工，并能通过后置处理生成NC代码，NC代码可直接通过网络输入到数控机床，由数控机床根据NC代码所传递的信息加工生成零件实体，从而实现了机械加工过程的自动化。现代三维CAD／CAM软件大都具CAE(Computer Aided)功能，有些还具有CAPP功能。它具有良好的可操作性，使用者可以使用任意一台装有浏览器的主机都可以使用系统功能，更适合未来分布式管理环境，在基于Internet网络的环境下，为充分发挥网络的协同作用，最大限度地将图纸资料共享，进行有效的网络决策交流，需要提供一个基于网络的多用户共享的可视化虚拟交流空间，在这个虚拟的空间中，分布在异地的设计团队成员可以聚集在一起，可以创建、共享和管理产品设计中的各种设计信息，可以进行各种设计方案与构思的协商讨论，不仅可以进行文字信息的交流，还能针对CAD的设计数据进行可视化的共享。

 三 基于互联网的现代CAD/CAM制造技术的发展

    (一)集成化

    是以统一产品数据库模型及工程数据库为基础，在CAD/CAM系统之间或系统内部实现信息传递、响应、分析及反馈，寻求全局最佳决策，实现可持续发展战略，集成包括信息集成、过程集成、工作机制集成、资源集成、技术集成、智能集成等。
     
    (二)智能化

    随着知识工程技术的发展和深入，CAD技术在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，它能及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识与帮助，智能地支持设计人员的设计，提供主动型、智能型的推理服务，利用web机制，可以实现信息共享与交换，解决了产品设计中对知识的需求问题。

    (三)协同化

    通过计算机网络建立及维持产品过程及源数据的统一模型，组织分散在各地的产品设计人员同时进行对产品各零部件的分工设计和制造，对产品开发过程实行动态管理，协同制作。

    (四)网络化虚拟现实技术
   
    设计人员可在虚拟世界中创造新产品，通过Internet网络将所设计的产品与用户及时进行交流，以所设计的产品最大限度地满足客户的要求。可以通过不同的虚拟工具来扭曲、挤压和拉伸物体，可以虚拟地切削或挤压材料，无需耗费材料或占用宝贵的加工设备，及早发现产品设计中的结构空间布局的干涉和运动机械的碰撞等问题。通过虚拟装配，在设计阶段模拟零部件的装配过程检查所用零部件是否正确和合适。

    (五)可视化

    网络化CAD/CAM系统是构筑在Internet，Intranet之上并采用典型的TCP/IP等通信协议实现相互通信和信息或资源的传输和集成。具有一定权限的设计人员、工艺人员采用基于电子白板在线交流、以及集成音视频等机制的协同工作模式进行产品的在线设计和制造。

四 当前模具专业课程教学改革的几点思考

    传统的设计是设计者先将头脑中构思的三维物体通过制图的手段表达在二维的图纸上，看图者再根据二维图纸的表达方式，再在头脑中想象出设计者所表达的三维设计产品，这种由三维物体到二维图纸的画图过程和二维图样到三维物体的看图过程，是将模具专业课程的重点放制图基础上，是设计者间接的、不直观的对设计思想的表达，传统的模具专业课程教学是以制图基础和“模具专业课程”国家标准的规定作为基础，研究如何设计和制造模具，课程由冲压模具和注塑模具设计两部分组成。随着现代制造技术的发展，三维CAD/CAM软件已能为使用者提供了强大的设计、分析计算、绘图、制造、运动仿真等功能，原来的模具专业课程教学内容急待调整，这样才能使高等学校所学课程应和工程实际应用紧密相联系，应适应现代制造业发展，满足企业人才竞争的需要。为此，笔者结合模具专业课程教学实践谈点自己的看法。

    (一)模具专业课程应加强三维CAD软件教学，增加三维实体的教学内容

    随着制造技术迅猛的发展，特别是在国家科技部倡导制造业信息化以来，大部分制造企业都已引入三维CAD/CAM软件，二维图形在机械加工生产中的地位已经大大下降，模具制造业已经不需要图纸来交流了，用二维图样去解决三维空间问题的作用已经不是必要途径了，即使需要二维图形，也不需要再用手工绘制了，可直接从三维CAD软件中直接绘制。为此，三维CAD软件教学，是模具专业课程学习的必备前期基础课程。

    (二)培养现代设计的理念
   
    利用CAD/CAM软件设计实物造型，通过局域网分组组建三维零件库、标准件库，并进行虚拟预装配，让学生在体验协同设计、并行设计、异地设计等先进设计思想的过程中逐步理解现代工程设计的特点，树立整体协同设计意识，培养学生的现代设计理念。

    (三)从整体出发，优化专业课教学

    CAD/CAM软件不仅涉及到模具专业课程一个领域，还涉及到机械设计、机械制造、传热学及金属材料学等诸多学科，三维几何造型有助于设计意识的培养，在进行模具专业课程学习的过程中，应从机械设计与产品开发的全局统筹考虑，重在讲解原理，要增加造型分析、特征分析、参数化设计等内容，重点培养学生设计和制造模具的全局观念。即构思一个零件时，将其分解为多个特征，搞清各特征之间的联系及其功用，最后在Pro/E中建立零件的三维模型。在不改变简单立体的形状，只改变相互位置和组合方式下，重新构形出不同实体，并观察二维投影的变化，进而考虑某种功能再进行造型，让同学们讨论其用途和使用场合，将模具零件的结构和工程实际加工结合起来，拓宽他们的思路，丰富他们的视野，培养他们的现代模具设计意识。学生也可根据模具专业课程实践活动积累的知识，大胆构思、想象并绘制出新实物。因为用计算机进行工程设计省去了大量的手工绘图工作，学生可马上着到自己的设计成果，这无疑将大大激发学生对模具专业课程的学习兴趣和创新意识。这不仅加深了他们对模具实物结构的了解，提高了构图能力，关键掌握了现代化工具进行工程设计的思维方式，加强了对学生的创新能力的培养。
   
结束语

    由于新知识的增加，教学学时的大大缩短，当前课程体系的设置和教学方法已经难以完成上述任务，必须重组教学内容，改革现有教学方法。教学中要以模具构形设计、模具创意设计为核心，培养空间一平面一空间的三维构形。在学生掌握模具基本知识点的情况下，尽可能多地把时间留给学生，比如，由让学生自己去根据教师提出的基本模具设计要求，思考、构思，在计算机面前理解消化所学知识，从而学生可一改被动接受知识的局面，成为求知的主人。另外，根据现代CAD/CAM软件发展的新形式，要尽快编制出新的、和目前模具专业课程配套教材，提高模具专业课程教学质量。