陳嘉南 范 劍 李 軍 王正初 潘 林 龐子柯 王鐳鈞 萬宏偉

臺州學(xué)院 浙江臺州 310018

自制教學(xué)儀器設(shè)備應(yīng)用于課程教學(xué)的做法近年在高校課程實驗教學(xué)中備受重視且已得到廣泛推廣，其成效已經(jīng)顯現(xiàn)。孟書云等[1]研制了一套數(shù)控仿真實驗平臺應(yīng)用于數(shù)控原理與系統(tǒng)等相關(guān)課程的實踐教學(xué)；有些自制教具[2,3]以典型產(chǎn)品為載體進(jìn)行了工學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力；王華權(quán)等[4]研制了便攜式數(shù)控機床用于數(shù)控加工教學(xué)及培訓(xùn)。這些措施有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)習(xí)效果。同時筆者也注意到，類似的基于自制教具的教學(xué)絕大部分還只側(cè)重或面向某些單一課程，有的甚至只立足于某些局部知識點的應(yīng)用。筆者認(rèn)為，既然教具是自主研制開發(fā)的，特別是針對機械專業(yè)而言，完全可以把工業(yè)級產(chǎn)品作為教具的開發(fā)對象，將其研制開發(fā)過程與學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)過程結(jié)合起來，著眼于產(chǎn)品從設(shè)計、制造等過程所蘊含的理論原理和技術(shù)要素，梳理出多門相關(guān)課程的知識點和技能點與之充分對接，使學(xué)做相融，讓學(xué)生更系統(tǒng)、更有機完整地理解專業(yè)理論知識的應(yīng)用，使學(xué)生自覺地融合各課程知識和技能解決復(fù)雜工程問題，進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)和工程實踐。以機械專業(yè)為例，數(shù)控機床就是一類典型的機電一體化產(chǎn)品，數(shù)控機床中的小型數(shù)控雕銑機非常適合作為機電類專業(yè)相關(guān)課程的實驗教具。為此，研究設(shè)計研制了第一代小型雕銑機作為典型產(chǎn)品教具，基于本教具，將其從結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件加工制造、裝配以及電氣系統(tǒng)設(shè)計、研制、軟件開發(fā)、聯(lián)機調(diào)試到質(zhì)量檢測等生產(chǎn)全過程融入相關(guān)課程教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生在使用教具的同時，又在學(xué)習(xí)專業(yè)課程的過程中研制開發(fā)新一代的教具。

1 數(shù)控雕銑機教具簡介

小型數(shù)控雕銑機整機尺寸為300 mm×350 mm×350 mm，加工工作區(qū)域為100 mm×150 mm×50 mm，加工精度為0.01 mm，其結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。機身Y軸運動工作臺置于底座支架上，X軸運動工作臺橫跨于立柱支承上，Z軸運動工作臺及主軸電機掛載于X軸運動工作臺上。機身支承和聯(lián)結(jié)部件采用2040鋁型材和電木板制作，機身總重量為8 kg。為便于維護(hù)和修配，整機除主軸固定架和機身支承以外的零件均選用標(biāo)準(zhǔn)件；此外，本裝置的開放式本體結(jié)構(gòu)，易于學(xué)生觀察機床各機構(gòu)的運動，也便于學(xué)生完成機構(gòu)的拆裝和調(diào)試。

圖1 小型數(shù)控雕銑機本體外形

研究基于單片機開發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，如手動操作、自動加工、機床回零、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。其中，手動操作模塊設(shè)計有X，Y，Z三軸手輪控制和主軸控制功能；自動加工模塊設(shè)計有系統(tǒng)內(nèi)部程序“單步運行”“自動運行”以及網(wǎng)絡(luò)通信傳輸外部程序?qū)崿F(xiàn)自動加工控制等功能。雕銑機控制器及其主界面如圖2所示。

圖2 數(shù)控雕銑機控制器及其主界面

2 基于數(shù)控雕銑機研制過程的項目式教學(xué)內(nèi)容開發(fā)

研究圍繞小型數(shù)控雕銑機教具的設(shè)計、制造、電氣研發(fā)、調(diào)試運行全過程，以系列項目形式重構(gòu)了機械專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容，實施了基于數(shù)控雕銑機研發(fā)過程的項目式“學(xué)做相融”教學(xué)模式改革，這一過程分為認(rèn)知使用、CAD繪圖、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、加工制造裝配、硬件電路研制、軟件模塊設(shè)計、數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)7個課程群，分散于從本科一年級基礎(chǔ)課到本科三年級專業(yè)課程學(xué)習(xí)的各階段，基于本教具的教學(xué)過程如圖3所示。

圖3 基于數(shù)控雕銑機的學(xué)習(xí)實踐過程

2.1 雕銑機的拆裝和使用

針對剛?cè)雽W(xué)的機械專業(yè)新生，結(jié)合專業(yè)導(dǎo)論和基礎(chǔ)實踐類課程，基于(前一代)已開發(fā)完成的數(shù)控雕刻機教具，開展“數(shù)控雕銑機的使用”“數(shù)控雕銑機的拆裝及機構(gòu)認(rèn)知”以及“控制系統(tǒng)電路板電氣模塊認(rèn)知和調(diào)試”等3個實踐項目。指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會使用數(shù)控雕銑機并完成一些卡通動物圖形或文字銘牌的雕刻加工應(yīng)用，以此激發(fā)學(xué)生對本裝置的認(rèn)知興趣。然后通過對數(shù)控雕銑機整機的拆裝練習(xí)，讓學(xué)生了解零件的各種外形結(jié)構(gòu)、零件的材料類型、機構(gòu)的傳動方式、零件間的聯(lián)結(jié)和固定方式并初步掌握機構(gòu)的裝配工藝等；指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識基本的電子元器件、初步掌握各電路模塊的連接和調(diào)試方法。

2.2 雕銑機零件的測繪和計算機繪圖

通過對數(shù)控雕銑機進(jìn)行拆裝和應(yīng)用實踐，學(xué)生對各類零件已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，結(jié)合機械制圖課程的教學(xué)繼續(xù)安排針對數(shù)控雕銑機零部件測繪的大作業(yè)，讓學(xué)生完成數(shù)控雕銑機零件圖和裝配圖的繪制；在計算機繪圖課程的教學(xué)中，以本教具作為對象，開展“雕銑機零件建?！薄暗胥姍C虛擬裝配”“雕銑機運動仿真分析”以及“雕銑機成套工程圖紙生成”等系列教學(xué)項目，在指導(dǎo)學(xué)生熟練應(yīng)用設(shè)計軟件的同時，提高學(xué)生自覺結(jié)合專業(yè)知識進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計的能力。

2.3 雕銑機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

經(jīng)過前期各階段的學(xué)習(xí)和使用，學(xué)生對雕刻機的結(jié)構(gòu)、功能已經(jīng)非常熟悉。在接下來的機械設(shè)計和相關(guān)力學(xué)課程的教學(xué)中，安排“絲杠傳動反向間隙消隙結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計”“雕銑機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計”“雕銑機仿真優(yōu)化設(shè)計”等課程討論和大作業(yè)實踐，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步創(chuàng)新設(shè)計雕銑機機械本體并完成工程圖紙繪制。

2.4 雕銑機零件的加工制造及裝配

根據(jù)學(xué)生自主設(shè)計的雕銑機零部件圖紙，結(jié)合機械制造工藝、數(shù)控加工技術(shù)等課程實踐教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生完成零件選材、編制加工工藝、使用數(shù)控機床等設(shè)備加工雕銑機的全部非標(biāo)零件，繼而組裝形成新一代雕銑機機械本體。需要注意的是，加工和裝配過程中會隨時暴露學(xué)生在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的缺陷，從而有效地促使學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓學(xué)生能自覺、系統(tǒng)地把產(chǎn)品設(shè)計與加工制造有機結(jié)合起來。

2.5 雕銑機控制系統(tǒng)電路設(shè)計及制作

數(shù)控雕銑機數(shù)控控制系統(tǒng)包含電路設(shè)計、制作以及控制系統(tǒng)軟件開發(fā)等內(nèi)容。在電子電氣類課程的教學(xué)中，開展“步進(jìn)電機驅(qū)動器開發(fā)”“主軸電機控制器開發(fā)”以及“主控電路設(shè)計”等教學(xué)項目，讓學(xué)生完成這些電路的PCB制作、元器件焊接和電路板測試等課程實踐。這些學(xué)生作品將繼續(xù)用于后續(xù)軟件類課程的開發(fā)和實踐。

2.6 雕銑機控制系統(tǒng)各軟件模塊設(shè)計

結(jié)合單片機課程教學(xué)，以開發(fā)數(shù)控雕銑機控制系統(tǒng)為目標(biāo)，在前期各電路硬件開發(fā)的基礎(chǔ)上，開展“數(shù)控雕銑機主軸電機及其調(diào)速控制”“步進(jìn)電機及其調(diào)速控制”“按鍵和液晶顯示人機交互”“手搖脈沖發(fā)生器控制步進(jìn)電機”“限位開關(guān)的中斷控制”“步進(jìn)電機串行通信控制”“存儲器及端口擴(kuò)展應(yīng)用”等系列實踐項目，把單片機課程相關(guān)基本概念和理論有機地融合成一個系列，在功能遞進(jìn)的項目設(shè)計開發(fā)過程中，引導(dǎo)學(xué)生在“學(xué)中做、做中學(xué)”，基于數(shù)控雕銑機實施現(xiàn)場教學(xué)。

2.7 雕銑機控制系統(tǒng)開發(fā)

當(dāng)學(xué)生完成了單片機課程的學(xué)習(xí)和實踐，在數(shù)控原理與系統(tǒng)課程教學(xué)中，繼續(xù)開展基于數(shù)控雕銑機的“平面和空間直線插補及其程序設(shè)計”“圓弧插補及其程序設(shè)計”“指令的譯碼及其程序設(shè)計”“數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)程序架構(gòu)設(shè)計”“串口通信傳輸自動加工控制”等系列開發(fā)實踐項目，指導(dǎo)學(xué)生逐步設(shè)計開發(fā)出功能基本完備的新一代數(shù)控雕銑機作品。圖4和圖5分別展示了學(xué)生開發(fā)的數(shù)控雕銑機(上位機)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和應(yīng)用自主開發(fā)的系統(tǒng)正在雕銑加工的我校?；兆髌贰?/p>

圖4 學(xué)生開發(fā)的雕銑機網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)界面

圖5 學(xué)生正在雕銑加工中的作品

3 課程考核與作品管理

為了達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果，學(xué)院專門建立了一個近200 m2的數(shù)控雕銑機開放實訓(xùn)室，購置了實訓(xùn)制作所要的基本設(shè)備，供學(xué)生學(xué)習(xí)和制作實踐，部分課程的現(xiàn)場教學(xué)也在這里展開。同時為了保證學(xué)生最終出品的數(shù)控雕銑機作品均為“合格品”，我院探索形成了一系列“實干論英雄”的課程考核方法，每門相關(guān)課程都有基于本教具的明確的階段性設(shè)計內(nèi)容和性能指標(biāo)要求，課程考核直接對標(biāo)檢查學(xué)生作品的實際運行效果，合格后方可進(jìn)入理論答辯環(huán)節(jié)，在答辯環(huán)節(jié)逐一考查學(xué)生對關(guān)鍵知識、技能的掌握情況，考核不合格者返工重做。此舉有力地督促學(xué)生平時認(rèn)真學(xué)習(xí)實踐，努力高質(zhì)量地完成每階段的設(shè)計、開發(fā)任務(wù)。在實際執(zhí)行過程中，因為有明確的任務(wù)目標(biāo)，學(xué)生能以團(tuán)隊形式積極配合，相互促進(jìn)，共同提高。表1列出了單片機原理及應(yīng)用課程“手搖脈沖發(fā)生器控制步進(jìn)電機”實踐環(huán)節(jié)的考核示例。

表1 數(shù)控雕銑機研制過程實踐環(huán)節(jié)考核表

由于數(shù)控雕銑機研制的整個過程涉及多門課程和多類不同的實踐環(huán)節(jié)，為妥善管理學(xué)生已完成的各階段作品，我院專門制訂了管理辦法，在實驗室?guī)旆繉ｉT開辟一片區(qū)域放置學(xué)生作品，方便學(xué)生在作品柜中按編號存取作品。因為每個作品的零件和模塊都是學(xué)生自己動手精心制作的合格作品，加之后續(xù)課程的學(xué)習(xí)都必須基于已完成部分才能繼續(xù)，所以學(xué)生對作品的自覺管理意識很強。

4 成效與特色

我院在機械電子工程專業(yè)實施了基于數(shù)控雕銑機研制過程的課程群教學(xué)改革實踐，強化了對學(xué)生專業(yè)核心能力的培養(yǎng)，在實施過程中推行的項目化“學(xué)做相融”教學(xué)模式深受廣大學(xué)生歡迎，學(xué)生的專業(yè)能力得到切實加強，專業(yè)自信心大幅提升。本專業(yè)學(xué)生參加科研和學(xué)科競賽的比例達(dá)到90%；結(jié)合數(shù)控雕銑機的系列項目開發(fā)設(shè)計，學(xué)生已主持開放性實驗7項，申請獲批浙江省新苗計劃項目1項、臺州市大學(xué)生科技創(chuàng)新項目1項、校立科研項目6項；近兩年本專業(yè)學(xué)生參加浙江省機械設(shè)計、機器人競賽等學(xué)科競賽獲一等獎5項、二等獎15項；已申請實用新型專利8項、發(fā)明專利2項。

數(shù)控雕銑機教具將絕大部分機械專業(yè)課程串聯(lián)起來，讓學(xué)生清晰、完整地掌握同一產(chǎn)品在機械設(shè)計、制造、裝配以及電氣系統(tǒng)設(shè)計、軟件開發(fā)、聯(lián)機調(diào)試等開發(fā)全過程所涉及的專業(yè)知識和技能。當(dāng)專業(yè)的全部課程學(xué)完，新一代的數(shù)控雕銑機教具會隨專業(yè)教學(xué)進(jìn)程自然產(chǎn)出，寓教具的升級開發(fā)、生產(chǎn)制造過程于完整的教學(xué)過程之中，體現(xiàn)完全“學(xué)生自制”的鮮明特點。本教具性能可靠，維護(hù)方便，采用直流7.5 V直流安全電壓，電氣安全性好，且價格低廉，可以惠及全體學(xué)生，使學(xué)生有效地完成一系列專業(yè)課程教學(xué)和課外學(xué)習(xí)實踐。本數(shù)控雕銑機教具在第五屆全國高等學(xué)校教師自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽中獲得二等獎。

5 結(jié)語

基于本數(shù)控雕銑機教具，我院成功地實施了系列課程的項目化實踐教學(xué)改革和探索，有效提高了學(xué)生的專業(yè)核心能力，提升了學(xué)生專業(yè)自信心，為理工科專業(yè)課程群的建設(shè)和專業(yè)教具開發(fā)提供了一種新的思路。下一步，我院將繼續(xù)開發(fā)一些具有專業(yè)代表性的典型產(chǎn)品作為教具，努力使之更多地涉及并覆蓋其他課程，實現(xiàn)機械專業(yè)課程全覆蓋，讓學(xué)生得到更全面、綜合性的專業(yè)訓(xùn)練。