基于PPCNC的數(shù)控加工實驗教學與改革研究

馬善紅，吳新麗，楊金林，周靜愷

（浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州）

一 引言

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)實現(xiàn)自動化和集成化生產(chǎn)的基礎，數(shù)控技術(shù)水平標志著一個國家制造業(yè)水平的高低?！稊?shù)控加工與編程技術(shù)》是應用型本科大學機械設計與制造等相關(guān)專業(yè)的一門重要主干課程，具有很強的實踐性。隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展及社會對人才要求的不斷提高，培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的既具有夯實理論基礎、又具有較強實踐能力的高技能人才是關(guān)鍵。目前，高校數(shù)控加工與編程技術(shù)類課程因?qū)嵱枟l件有限，多以理論授課為主，課堂教學內(nèi)容和數(shù)控加工實訓聯(lián)系不甚緊密，課內(nèi)學習的編程知識不能及時在實訓環(huán)節(jié)中得到鞏固。且在實踐技能培訓方面，大多高校把實訓重點放在數(shù)控機床的簡單操作上，而對數(shù)控加工工藝（如工藝路線選擇、數(shù)控加工刀具選擇、切削用量設置等）、模具設計、數(shù)控自動編程等專業(yè)技術(shù)能力訓練不夠，脫離生產(chǎn)實際，難以滿足企業(yè)用人需求。近年來，受數(shù)控人才需求增長的拉動，各高校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實訓基地。為了與企業(yè)盡可能保持一致，各校在實訓硬件選擇上逐步趨向工業(yè)用數(shù)控機床、加工中心，而且實訓基地往往以加工設備配備進口數(shù)控系統(tǒng)為主，但由于每臺數(shù)控設備價格昂貴，購置的設備數(shù)量有限，每個學生的獨立操作機會較少，多以“演示實驗”為主，不能適應普及性的實驗實踐教學，實訓效果不佳[1-5]。

鑒于數(shù)控加工技術(shù)的實踐教學現(xiàn)狀，本文提出一種基于PPCNC的數(shù)控加工實驗教學與改革研究，應用于數(shù)控技術(shù)的實驗實踐教學，取得了良好的教學效果，為社會培養(yǎng)出既具有堅實理論基礎、又具有較強實踐能力的創(chuàng)新應用型人才奠定了良好的基礎。

二 基于PPCNC的進階式數(shù)控實驗教學課程體系

（一） PPCNC簡介

PPCNC（Personal Portable CNC的簡稱），是深圳大學王華權(quán)老師針對數(shù)控加工教學研發(fā)的一種個人便攜式數(shù)控機床[6]，如圖1所示。該設備以深圳大學自主開發(fā)的數(shù)控軟件進行加工操作，具有自動執(zhí)行模式、手動輸入操作模式以及刀偏設置、刀路模擬、限位診斷等功能。以塑料、代木、木頭作為加工對象，加工精度達到0.02mm。PPCNC的控制軟件可讀取PowerMill或者 MasterCAM軟件生成的G代碼，通過USB接口與安裝在電腦上的控制軟件進行通訊，獲取操作指令，完成作品的加工，具有安全性好、場地要求低、維護費低、耗材省等特點，開創(chuàng)了一種全新的數(shù)控加工教學模式，為普及和提高我國數(shù)控加工技術(shù)的教學和應用水平提供了一個嶄新的平臺[7-9]。

圖1 個人便攜式數(shù)控機床PPCNC

為培養(yǎng)學生的數(shù)控加工能力與創(chuàng)新實踐能力，自2017年始，我校陸續(xù)引進安全、高效的PPCNC用于數(shù)控加工實踐教學，如今已建成含有40臺PPCNC的數(shù)字工匠坊數(shù)控專業(yè)實驗室，取得了較好的教學效果，受到往應屆學生的一致好評。同時為適應應用型人才的培養(yǎng)目標、提升課程教學質(zhì)量、調(diào)動學生積極性、激發(fā)學生的自主能動性提供了很大的益處。

（二） 基于PPCNC的數(shù)控加工實驗教學課程體系設計

我校在數(shù)控人才的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中，設計了一條以提升學生實踐創(chuàng)新能力的連續(xù)性、進階式的實驗實踐教學主線，貫穿大一至大三年級。主要開設了以激發(fā)專業(yè)學習興趣的大一新生研討課《機械工程師啟蒙》，以培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力的《“三創(chuàng)”之機械創(chuàng)新項目訓練之數(shù)字化制作》《數(shù)控編程與實踐》，以提升專業(yè)綜合素養(yǎng)的《機制專業(yè)綜合實驗》，同時將PPCNC數(shù)字工匠坊作為開放實驗室，為學生創(chuàng)新性研究及學科競賽提供支撐，基于PPCNC的進階式實踐教學課程體系如圖 2 所示。

圖2 基于PPCNC的進階式實踐教學課程體系

三 基于PPCNC的數(shù)控加工實驗教學改革實施

將PPCNC貫穿于大學三個年級的數(shù)控實訓教學，應用于《數(shù)控原理與系統(tǒng)》《數(shù)控加工與編程技術(shù)》等課程實驗，數(shù)控技能實訓環(huán)節(jié)和創(chuàng)新性研究及學科競賽中。一方面，可以加強學生的動手實踐能力，通過多渠道多樣式的宣傳與教學，使學生將專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為實踐。另一方面，PPCNC低功耗、安全性高等優(yōu)勢，為學生提供了大膽嘗試的機會。從學生角度出發(fā)，實現(xiàn)“教、學、做”一體化的教學模式，從根源處激發(fā)學生專業(yè)學習興趣，鼓勵學生勇于試錯，在失敗中總結(jié)經(jīng)驗，以動帶學，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力，提升專業(yè)綜合素養(yǎng)，真正體現(xiàn)以學生為中心。

（一） 激發(fā)專業(yè)學習興趣

為幫助剛?cè)氪髮W的機械類學生“樹信心、喚興趣、激熱情、釣期待”，大一年級開設了《機械工程師啟蒙》的新生研討課，以制作機械手為教學抓手，基于PPCNC完成零件的加工，讓學生在制作機械手的零件如舵機架、機械手爪以及裝配機械手的過程中，幫助學生養(yǎng)成良好的設備使用習慣，體驗機械工程師的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)做人做事嚴謹求實的態(tài)度，為其開啟精彩機械世界的大門，引領(lǐng)其在機械工程領(lǐng)域入門、入神、入行、入勝，了解機械工程師的職業(yè)活動內(nèi)容和職業(yè)使命。從而激發(fā)學生對本專業(yè)及理工科相關(guān)專業(yè)的學習興趣，使學生能結(jié)合自己的愛好進一步明確自己的發(fā)展方向，規(guī)劃好大學的學習生活。并鼓勵學有余力的同學，成立課外創(chuàng)新學習小組，完成一輛完整的智能小車制作，為后期參加工程訓練小車的競賽打下良好的基礎。

在啟蒙課堂上，更是較好地融入了課堂思政元素。在PPCNC操作入門體驗中，先是給定加工代碼，雕刻了“浙理歡迎你”，表達對新生的歡迎，讓學生有更好的歸屬感，同時借此激發(fā)學生雕刻自己作品的期望。在接下來的課程中，學生自己設計編程，根據(jù)不同的時節(jié)和假日，安排了諸如人生座右銘、校訓、三八節(jié)快樂、母親節(jié)快樂等的文字雕刻，傳遞積極向上的正能量，表達我們愛國愛校、對母親的感恩之情，部分作品如圖3。

圖3 部分課堂思政雕刻作品

（二） 培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力

創(chuàng)意驅(qū)動創(chuàng)新，創(chuàng)新帶動創(chuàng)業(yè)。大學生的創(chuàng)新精神和實踐能力是衡量高校教育質(zhì)量的一項重要標準，青年學生是未來中國創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的生力軍和主力軍。為適應國家創(chuàng)新發(fā)展的需要，培養(yǎng)“創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”（簡稱三創(chuàng)）型人才，我校對數(shù)控技術(shù)、數(shù)控加工感興趣并喜歡自己動手制作創(chuàng)意作品的大二學生，開設了《“三創(chuàng)”之機械創(chuàng)新項目訓練之數(shù)字化制作》，致力于調(diào)動學生學習興趣、激發(fā)學生創(chuàng)新思維、增強實踐操作能力，并逐步轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力。

課程從身邊的生活中精選數(shù)控加工案例，開發(fā)了一套含有多個案例的數(shù)控加工技術(shù)實驗音像教材，融合了待加工作品的數(shù)控刀具選擇與創(chuàng)建、刀具路徑選擇與參數(shù)設置、數(shù)控加工G代碼如何自動生成并修改、以及作品加工過程中如何換刀、對刀、工件如何裝夾、工裝夾具如何設計等。該課程嵌入專業(yè)綜合實訓、數(shù)控技術(shù)課內(nèi)實驗、開放實驗，通過案例式教學，學生先通過計算機佩戴耳機觀看產(chǎn)品從建模狀態(tài)——數(shù)控編程——PPCNC上加工的完整視頻，通過多個案例的練習，熟練掌握Mastercam X9對一般零件的自動編程方法。學生再分小組進行創(chuàng)新設計，對小組作品進行三維建模，導入數(shù)控編程軟件Mastercam X9，根據(jù)作品相關(guān)零件的尺寸選擇毛坯的尺寸和材料，根據(jù)各零件的工藝流程選擇合適的刀具、刀具路徑并進行參數(shù)設置，利用Mastercam X9進行加工仿真，無誤后生成數(shù)控加工G代碼并導出，最后將G代碼導入PPCNC操作軟件，最后完成小組作品的加工和裝配，既提升了學生熟練掌握數(shù)控加工技術(shù)的能力，又培養(yǎng)了學生科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和團隊協(xié)作精神。

（三） 提升專業(yè)綜合素養(yǎng)

專業(yè)綜合實驗是學生基本修完本專業(yè)課程后所進行的一項專業(yè)性綜合實驗教學活動，是對理論知識的一次綜合檢驗，是理論聯(lián)系實際的重要實踐教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生工程應用能力的重要途徑。為進一步培養(yǎng)提高學生的創(chuàng)新設計能力，提升學生的專業(yè)綜合素養(yǎng)，鍛煉團隊協(xié)作能力，使學生養(yǎng)成勤于思考并解決復雜工程問題的能力[9-10]，我校對機械設計制造及其自動化專業(yè)大三的學生開設了《機制專業(yè)綜合實驗》，通過該實驗訓練學生綜合運用包括模具設計、數(shù)字制造、加工工藝、工裝夾具設計等方面的知識與技能，與工程實踐相結(jié)合，為畢業(yè)設計和今后的生產(chǎn)實際工作打下必要的實踐基礎。

本課程綜合利用所學知識，包括工程制圖、力學、機械設計、機械制造、數(shù)控加工等，完成機械產(chǎn)品的設計、三維建模、編制數(shù)控加工程序、基于ADMAS的機構(gòu)運動仿真、機構(gòu)的運動特性測試與分析報告。以項目為驅(qū)動，學生以個人或小組進行自主創(chuàng)意設計，如一套巧妙的機械機構(gòu)或設備模型等，利用個人便攜式數(shù)控機床實現(xiàn)創(chuàng)意作品的加工和裝配，鼓勵學生進一步添加控制系統(tǒng)或驅(qū)動元件，實現(xiàn)多學科融合，最后撰寫設計報告，并進行課程比賽。

四 結(jié)語

本文提出的基于PPCNC的數(shù)控加工實驗教學與改革研究，將PPCNC應用于數(shù)控加工的實驗實踐教學，安全可靠，可行性強，有效解決了數(shù)控實訓時長不足、學生操作機會少的問題。從學生角度出發(fā)，從根源處激發(fā)學生專業(yè)學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力，提升專業(yè)綜合素養(yǎng)，實現(xiàn)“教、學、做”一體化的教學模式，真正實現(xiàn)以學生為中心。通過貫穿于大學三個年級的以提升學生實踐創(chuàng)新能力的連續(xù)性、進階式的實踐教學課程體系，學生參與數(shù)控實訓的興趣大大提高，數(shù)控加工能力得到明顯提升，培養(yǎng)了一批具有較強的實操能力和開拓創(chuàng)新能力的應用型人才，取得了良好的數(shù)控加工實踐教學效果。