家具CAM技术在产品设计中教学方法的应用分析

刘雄飞

（东北林业大学,黑龙江哈尔滨 150040）

一、引言

家具CAM技术，就是运用计算机技术完成家具制造的通称。CAM所代表的含义为计算机辅助制造（即Computer Aided Manufacturing），它的核心技术就是计算机数字化控制，它是制造技术自动化、智能化、信息化发展的必然趋势，同时也代表着制造业未来的发展方向，在数控机床的应用上具有得天独厚的重要性，也是衔接CAD技术的必备工具之一，更是CAD/CAM一体化技术不可或缺的重要组成部分，对于生产效率的提高和设计精度的提升具有独特的重要性，

由于手动编程的工作量比较大，致使数控机床使用效率受到限制，所以将CAM技术数控机床加工技术进行融合成为迫切的选择，二者结合之后，不但可以缩短设计时间，也可以提高产品的设计精度，制作出更多符合精度的产品，这不仅是生产的要求，也是时代的要求，凡是滞后拖沓的生产模式都会受到新生产模式的影响和冲击，如果不做出相应改变就会被淘汰。

产品设计作为普通高等学校的设计学类专业，目标是培养符合国家现代化建设与发展需要的专业人才，要求该专业的毕业生了解相关的科学技术新发展、文艺思潮、流行时尚、风土人情等，能从事工业产品设计、展示设计、宣传策划、市场开发等方面工作，对于本校“产品设计”专业来说，依托于学院国际一流学科林业工程的背景，在多年的发展建设中，形成了以“家具设计与制造技术”为特色的专业发展道路，更注重于家具与室内的计算机辅助设计表达，因此在家具CAM技术的应用方面具有多方面的应用与实践。如何更好在地在产品设计专业中开展家具CAM技术的教学及相关工作，具有十分重要的迫切性和现实意义，也为更好地展开教学和研究工作起到了很重要的推动性。

二、家具CAM技术在产品设计中的应用

产品设计专业的涵盖面较广，要求学生了解与专业方向有关的科学技术新发展、文艺思潮、流行时尚、风土人情，具有科学的理性精神、领先的审美判断，系统掌握设计学的基础核心及产品设计专业核心知识，能从事设计研发、设计教育的相关研究工作，具备自主创业能力，毕业后可在家具设计与生产企业从事家具产品开发、生产与技术管理、市场营销等工作，对于本校“产品设计”专业来说，尤为重视家具设计的重要性，在毕业设计环节体现得非常清晰和明显，大部分学生的选题都是家具方向，由此可见家具设计在专业发展中占有的重要性。

为了更好地了解、掌握家具设计之后进行制造的主要流程和环节，非常有必要深入探讨、实践计算机辅助制造技术，并应用在家具零部件的制造方面，由此引申出家具CAM技术在产品设计中的应用，实际上设计和制造本就是相辅相成的关系，按照生产流程来说都是先设计后制造，但是CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）技术与CAM技术却是几乎同时诞生，也没有提供互相兼容的接口，以至于到后期要提供彼此适应的连接方式，并提出了一体化与集成技术的应用，由此可见设计与制造二者紧密联系，任何一方都不可或缺。

在设计家具零部件的时候，一般有两种方法完成原始图形的绘制，第一种是在CAD软件中设计并完成零部件图形，然后导入到CAM软件中。由于不同的CAM软件有不同的格式要求，因此要通过不同的文件形式（如dwg文件或dxf文件）引入到CAM软件中。第二种是直接在CAM软件中完成图形的绘制，大多数CAM软件中都自带CAD功能，即自行绘制图形功能，各创建、修改、编辑命令及参数与CAD软件功能基本相似，掌握并深化了解的难度并不大，在CAM软件中绘制完图形后可直接进行刀具轨迹的生成，省去了中间环节的一些烦琐步骤。采用第二种方法转化时存在一个不太兼容的问题，主要在于使用者长期使用特定的CAD软件，已经形成了一定的制图习惯，对于在CAM软件中绘图需要一个适应和习惯的周期，从先入为主的角度来说，对于CAM软件的绘图功能适应起来有一定的缓冲期和接受过程，目前大多数操作者还是倾向于采用第一种方法。

通过CAD技术和CAM技术的一体化合作，可以使家具零部件完成从想法到草图的转变，然后从草图再变成正式的图纸，根据实际比例完成图形绘制，获得图纸并修改无误之后，然后对数据信息进行保存，要把它输入到相应的CAM软件中，二者的合作正体现在这里，在产品设计的过程中，通过对刀具参数、工件尺寸的设置，甚至夹具的位置和形状也可以选择，以其作为数控加工的基础条件。在这个环节务必确定家具零部件的设计所需要的工艺条件，这个环节很重要，目的就是为了生成刀具的轨迹。实际上刀具的轨迹是和最终生成的代码紧密联系在一起的，这些步骤都通过信息技术来实现，充分体现了计算机处理和网络数据库的强大能力，展现CAM技术的优势。

根据图形绘制提供的相关数据，CAM系统需要设定了解各项任务条件，如数控机床的规格尺寸、工件的大小、刀具的规格大小、夹具的位置及参数、主轴的转速及进刀退刀速率、工件进给速度，还需要设置刀具行进到与工件表面不同阶段的距离、加工深度、刀具补偿型式与方向。在确定刀位信息的过程中，需要了解刀具的中心轨迹和所处位置，在保证加工产品质量的前提下，可以通过计算方法和刀具补偿保证获取加工的稳定性和准确性。

在家具零部件的CAM软件操作时，通常需要生成多种形式的刀具的加工路径，包括外形铣削等加工路径，同时根据不同的路径配合使用不同的刀具。刀具路径一般由加工刀具、加工零件的几何模型以及各工序的特有参数来定义，不同刀具加工的工序和参数各不相同。

设定产品设计的加工工艺参数的时候，一个非常重要的环节是将绘制的图形转变成刀具轨迹。这个步骤极为关键，并且不可缺少，操作难度也最大，可以这样说，在生成刀具轨迹之前的步骤并不困难，比如设置刀具加工参数、选择加工道次这些内容，只需要按照常规操作进行即可，在生成刀具轨迹之后的步骤也不麻烦，比如程序导出与后台处理，基本不会出现什么问题，最难操作的还是图形转变成刀具轨迹的过程，为了完成这个关键的步骤，需要把不同阶段的刀具轨迹串联在一起，使之成为一个有机的整体，便于机床连续加工，保障刀具轨迹的合理性与逻辑性。在CAM软件的操作过程中，这个步骤是最容易出错的，经常需要多次尝试才能完成，有的时候甚至很难完成，所以这个环节最关键，也最重要，只要能顺利地把CAD图形转变成正确的刀具轨迹，整个CAM的操作过程就成功了一半。

在完成图形到刀具轨迹的转变后，家具CAM技术在产品设计中的前期操作基本完成，后续的工作就是代码的输出与校验。

三、家具CAM技术的教学模式

家具CAM技术是产品设计专业比较重要的一门课程，根据技术发展、专业要求和行业需求，为了培养高素质的应用型人才，需要在现有的教学模式下精益求精，提出符合课程体系的新的教学内容、教学方法和考核办法，以适应人才培养的市场要求。

按照以前的授课方式，学生初次学习软件，难免会处于不够了解的状态，只是承受老师填鸭式的理论教学与知识灌输，或者是为了完成作业、获得学分，始终缺乏主动掌控课程核心的信心和决心，所以为了让学生能更好地学习，充分利用有限的传授知识的时间，教师还需要开发更多的教学模式，以更好地行业追求为目标，能更加积极主动地学习。

同时，CAD技术也是教学中一个重要的基础课程，也是本专业学生熟练使用CAM软件进行设计的理论基础。学生不但要会操作CAM软件的各种命令，还应该掌握制图的基本操作，这样当以后遇到更复杂的问题的时候，也能够独立地去分析和解决。

在选择使用的CAM软件时，教师需要对根据教学大纲和学生的接受能力遴选软件，使软件能真正地被利用起来，发挥真正的作用，并为学生所接受，此外，由于学生的接受能力和掌握情况不一样，教师应当针对不同的教学内容来制定相应的教学模式，可采用理论课结合实践课的方式，对学生布置分阶段的实训内容，让学生循序渐进，通过不同的习题勤加练习，不断增进对软件的了解，从各个方面加深对软件操作的深化，同时能把这些内容根据理论课上老师讲授的知识印证并实践。如果学生有了疑惑之处，可以获得教师的指导。每次实践课结束后，学生要按时上交作业，包括程序代码和加工图形，教师进行点评，使学生能及时吸收和消化理论课上的内容。

目前的教学形式多停留在幻灯片展示与教师的示范操作上，对于家具CAM技术这样应用性较强的课程，还需要通过更多的方式展现教学内容，比如教师自行录制的视频互动，教师操作的虚拟仿真软件，这样可以进一步活跃课堂气氛，使教学方式更多样化，更生动活泼，使学生的理解能力大大提高，对丰富教学手段、提高教学质量也是极大的推动和促进。

此外，还要考虑到CAM技术的特殊性，该技术主要应用在数控机床或大型CNC（Computer Numerical Control，计算机数字化控制，简称计算机数控）加工中心上，在教学环节中，可以把数控机床或大型CNC加工中心作为操作和演示对象，让学生近距离感受程序的导入、机床的操作及加工过程，更好地领会课上所学的理论知识，比通过视频或老师口述的效果要更直观。但是在实际操作的教学环节，应时刻注意提醒学生安全第一，遵守实验室守则，不能随意触碰各类机床。

四、仿真演示在产品设计教学中的应用分析

在传统的教学中，教师主导课堂，根据大纲的要求传授教学内容，学生按照教师的操作过程进行练习，由教师主导学生每节课的训练内容和进度，对于课程有兴趣或自主学习能力较强的学生能够按照教师的学习进度安排达到预期的学习效果，对于缺乏兴趣或是自主学习能力不够强的学生，可能在学习时有一定的被动性，学习效果不能达到理想状态，学习的积极性也会受到影响。此外，学生在实践课中缺乏全过程引导，对综合技能的掌握不够扎实，也难以挖掘他们的创新潜力，很难符合综合性、应用性、创新性的要求。

针对传统教学受限制的一些问题，本研究引入仿真模型教学的形式，可以在产品设计专业的课程传授过程中取得较为理想的效果，同时便于与实践课对接，更好地巩固课堂上所学的知识。仿真模型教学主要从以下几个方面加以实施。

第一，在产品设计的教学中，要采用较高配置的硬件，既要符合实际情况，又要满足教学，如果学生使用的电脑配置太低，会影响绘图质量及图形渲染的效果，导致CAM软件在运行过程中的流畅性难以得到有效保障，所以需要学生准备配置较高的计算机，一般来说台式机比笔记本的性能更好一些，更利于进行图形处理。同时，学生采用的CAM软件应该对于图形有较好的分析、处理、转化能力，能够对加工过程进行不同角度的模拟，能把实际生产中可能出现的问题都模拟出来，便于发现故障，提前得以解决。

第二，依据数控机床的实际情况，需要合理拟定刀具的信息和其他工艺条件，这些内容必须和实际加工的数控机床上的刀具、工件的信息一致，而且确保能加工完成前面绘制的图形，确保能生产刀具轨迹并最终生成NC代码。利用CAM软件直接生成数控加工程序，这一环节是比较重要的步骤，之前的操作均为此步骤的准备工作。在产品设计的教学中，学生需要掌握此项技能，可以进行后处理程序的设置，确保能准确生成NC代码，同时能够导入程序到仿真软件中进行模拟演示，观看加工图形的形状是否与所绘制的图形一致。

第三，要求学生掌握手动编程的基本操作。CAM软件的编程包括手动编程和自动编程，自动编程即使用CAM软件进行编程，是未来发展的趋势，复杂的图形都需要软件完成，如果用手动编程，工作量是很大的，而且效率低，最后完成的效果也不好，但是学生一定要学会手动编程，学会看NC代码，因此要给学生说明手动编程的重要性。由于大部分CAM软件生成的程序都带有自动编程的习惯，不能直接应用在数控机床上，必须加以处理，改掉不适用的代码，使其能够应用在正式的生产加工中。只有能看懂基本的代码，才能对自动编程导出的NC程序进行修改，使其符合数控机床的要求，这也是产品设计中加工家具零部件之前必须经历的重要环节。

第四，通过手动编程的方法修改完成NC代码后，不能马上导入数控机床进行验证，应输入到数控仿真软件中进行三维图像仿真，查看系统运行是否可以满足加工标准，预防出现加工误差。如果在加工过程中出现问题要及时修正NC程序，然后再次导入到数控仿真软件中进行验证，直到没有问题并与最初设计的图形一致，才能正式导入到数控机床中进行试加工。对于家具CAM技术在产品设计中的应用，必须贯彻这一理念，凸显仿真软件的重要用处和关键地位。

结语

随着家具CAM技术在产品设计中的应用越来越广，为了更好地发挥数控技术在教学中的作用，需要使用计算机中的仿真软件对修改完的NC代码进行仿真加工，用于检查工艺、程序方面是否存在错误，这种仿真加工只需在计算机中进行即可，不需要在实际的数控机床中进行操作，减少了不必要的浪费，可以最大限度地减少各种损失，把失误控制在萌芽阶段，更好地校核教学中的理论，更好地检验产品设计的成果。

当仿真软件模拟演示完NC代码之后，可以输出文件，在数控机床中进行正式的应用。这种教学方式互动性更强，会使学生的兴趣更浓厚、参与度更高，除了满足教学要求之外，也符合产品设计的专业需求，有利于综合人才的培养。