馬善紅，吳新麗，楊金林，周靜愷

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州）

一 引言

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，數(shù)控技術(shù)水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的高低?！稊?shù)控加工與編程技術(shù)》是應(yīng)用型本科大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要主干課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展及社會(huì)對(duì)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(shí)理論基礎(chǔ)、又具有較強(qiáng)實(shí)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(lèi)課程因?qū)嵱?xùn)條件有限，多以理論授課為主，課堂教學(xué)內(nèi)容和數(shù)控加工實(shí)訓(xùn)聯(lián)系不甚緊密，課內(nèi)學(xué)習(xí)的編程知識(shí)不能及時(shí)在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中得到鞏固。且在實(shí)踐技能培訓(xùn)方面，大多高校把實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)放在數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)單操作上，而對(duì)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(shè)置等）、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控自動(dòng)編程等專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力訓(xùn)練不夠，脫離生產(chǎn)實(shí)際，難以滿足企業(yè)用人需求。近年來(lái)，受數(shù)控人才需求增長(zhǎng)的拉動(dòng)，各高校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地。為了與企業(yè)盡可能保持一致，各校在實(shí)訓(xùn)硬件選擇上逐步趨向工業(yè)用數(shù)控機(jī)床、加工中心，而且實(shí)訓(xùn)基地往往以加工設(shè)備配備進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)為主，但由于每臺(tái)數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，購(gòu)置的設(shè)備數(shù)量有限，每個(gè)學(xué)生的獨(dú)立操作機(jī)會(huì)較少，多以“演示實(shí)驗(yàn)”為主，不能適應(yīng)普及性的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，實(shí)訓(xùn)效果不佳[1-5]。

鑒于數(shù)控加工技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出一種基于PPCNC的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革研究，應(yīng)用于數(shù)控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果，為社會(huì)培養(yǎng)出既具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)、又具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的創(chuàng)新應(yīng)用型人才奠定了良好的基礎(chǔ)。

二 基于PPCNC的進(jìn)階式數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系

（一） PPCNC簡(jiǎn)介

PPCNC（Personal Portable CNC的簡(jiǎn)稱），是深圳大學(xué)王華權(quán)老師針對(duì)數(shù)控加工教學(xué)研發(fā)的一種個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床[6]，如圖1所示。該設(shè)備以深圳大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的數(shù)控軟件進(jìn)行加工操作，具有自動(dòng)執(zhí)行模式、手動(dòng)輸入操作模式以及刀偏設(shè)置、刀路模擬、限位診斷等功能。以塑料、代木、木頭作為加工對(duì)象，加工精度達(dá)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(guò)USB接口與安裝在電腦上的控制軟件進(jìn)行通訊，獲取操作指令，完成作品的加工，具有安全性好、場(chǎng)地要求低、維護(hù)費(fèi)低、耗材省等特點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了一種全新的數(shù)控加工教學(xué)模式，為普及和提高我國(guó)數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)和應(yīng)用水平提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)[7-9]。

圖1 個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床PPCNC

為培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)控加工能力與創(chuàng)新實(shí)踐能力，自2017年始，我校陸續(xù)引進(jìn)安全、高效的PPCNC用于數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)，如今已建成含有40臺(tái)PPCNC的數(shù)字工匠坊數(shù)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，取得了較好的教學(xué)效果，受到往應(yīng)屆學(xué)生的一致好評(píng)。同時(shí)為適應(yīng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)、提升課程教學(xué)質(zhì)量、調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、激發(fā)學(xué)生的自主能動(dòng)性提供了很大的益處。

（二） 基于PPCNC的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系設(shè)計(jì)

我校在數(shù)控人才的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)中，設(shè)計(jì)了一條以提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的連續(xù)性、進(jìn)階式的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)主線，貫穿大一至大三年級(jí)。主要開(kāi)設(shè)了以激發(fā)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣的大一新生研討課《機(jī)械工程師啟蒙》，以培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力的《“三創(chuàng)”之機(jī)械創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練之?dāng)?shù)字化制作》《數(shù)控編程與實(shí)踐》，以提升專(zhuān)業(yè)綜合素養(yǎng)的《機(jī)制專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》，同時(shí)將PPCNC數(shù)字工匠坊作為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生創(chuàng)新性研究及學(xué)科競(jìng)賽提供支撐，基于PPCNC的進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)課程體系如圖 2 所示。

圖2 基于PPCNC的進(jìn)階式實(shí)踐教學(xué)課程體系

三 基于PPCNC的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施

將PPCNC貫穿于大學(xué)三個(gè)年級(jí)的數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)，應(yīng)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(shí)驗(yàn)，數(shù)控技能實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)和創(chuàng)新性研究及學(xué)科競(jìng)賽中。一方面，可以加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，通過(guò)多渠道多樣式的宣傳與教學(xué)，使學(xué)生將專(zhuān)業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐。另一方面，PPCNC低功耗、安全性高等優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生提供了大膽嘗試的機(jī)會(huì)。從學(xué)生角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，從根源處激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣，鼓勵(lì)學(xué)生勇于試錯(cuò)，在失敗中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以動(dòng)帶學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力，提升專(zhuān)業(yè)綜合素養(yǎng)，真正體現(xiàn)以學(xué)生為中心。

（一） 激發(fā)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣

為幫助剛?cè)氪髮W(xué)的機(jī)械類(lèi)學(xué)生“樹(shù)信心、喚興趣、激熱情、釣期待”，大一年級(jí)開(kāi)設(shè)了《機(jī)械工程師啟蒙》的新生研討課，以制作機(jī)械手為教學(xué)抓手，基于PPCNC完成零件的加工，讓學(xué)生在制作機(jī)械手的零件如舵機(jī)架、機(jī)械手爪以及裝配機(jī)械手的過(guò)程中，幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的設(shè)備使用習(xí)慣，體驗(yàn)機(jī)械工程師的工程素養(yǎng)，培養(yǎng)做人做事嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，為其開(kāi)啟精彩機(jī)械世界的大門(mén)，引領(lǐng)其在機(jī)械工程領(lǐng)域入門(mén)、入神、入行、入勝，了解機(jī)械工程師的職業(yè)活動(dòng)內(nèi)容和職業(yè)使命。從而激發(fā)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)及理工科相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生能結(jié)合自己的愛(ài)好進(jìn)一步明確自己的發(fā)展方向，規(guī)劃好大學(xué)的學(xué)習(xí)生活。并鼓勵(lì)學(xué)有余力的同學(xué)，成立課外創(chuàng)新學(xué)習(xí)小組，完成一輛完整的智能小車(chē)制作，為后期參加工程訓(xùn)練小車(chē)的競(jìng)賽打下良好的基礎(chǔ)。

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(mén)體驗(yàn)中，先是給定加工代碼，雕刻了“浙理歡迎你”，表達(dá)對(duì)新生的歡迎，讓學(xué)生有更好的歸屬感，同時(shí)借此激發(fā)學(xué)生雕刻自己作品的期望。在接下來(lái)的課程中，學(xué)生自己設(shè)計(jì)編程，根據(jù)不同的時(shí)節(jié)和假日，安排了諸如人生座右銘、校訓(xùn)、三八節(jié)快樂(lè)、母親節(jié)快樂(lè)等的文字雕刻，傳遞積極向上的正能量，表達(dá)我們愛(ài)國(guó)愛(ài)校、對(duì)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(shí)踐能力

創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，創(chuàng)新帶動(dòng)創(chuàng)業(yè)。大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力是衡量高校教育質(zhì)量的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)，青年學(xué)生是未來(lái)中國(guó)創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的生力軍和主力軍。為適應(yīng)國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的需要，培養(yǎng)“創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”（簡(jiǎn)稱三創(chuàng)）型人才，我校對(duì)數(shù)控技術(shù)、數(shù)控加工感興趣并喜歡自己動(dòng)手制作創(chuàng)意作品的大二學(xué)生，開(kāi)設(shè)了《“三創(chuàng)”之機(jī)械創(chuàng)新項(xiàng)目訓(xùn)練之?dāng)?shù)字化制作》，致力于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、增強(qiáng)實(shí)踐操作能力，并逐步轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力。

課程從身邊的生活中精選數(shù)控加工案例，開(kāi)發(fā)了一套含有多個(gè)案例的數(shù)控加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(shè)置、數(shù)控加工G代碼如何自動(dòng)生成并修改、以及作品加工過(guò)程中如何換刀、對(duì)刀、工件如何裝夾、工裝夾具如何設(shè)計(jì)等。該課程嵌入專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)、數(shù)控技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，通過(guò)案例式教學(xué)，學(xué)生先通過(guò)計(jì)算機(jī)佩戴耳機(jī)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(guò)多個(gè)案例的練習(xí)，熟練掌握Mastercam X9對(duì)一般零件的自動(dòng)編程方法。學(xué)生再分小組進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)小組作品進(jìn)行三維建模，導(dǎo)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置，利用Mastercam X9進(jìn)行加工仿真，無(wú)誤后生成數(shù)控加工G代碼并導(dǎo)出，最后將G代碼導(dǎo)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(xué)生熟練掌握數(shù)控加工技術(shù)的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

（三） 提升專(zhuān)業(yè)綜合素養(yǎng)

專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)是學(xué)生基本修完本專(zhuān)業(yè)課程后所進(jìn)行的一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，是對(duì)理論知識(shí)的一次綜合檢驗(yàn)，是理論聯(lián)系實(shí)際的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的重要途徑。為進(jìn)一步培養(yǎng)提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)綜合素養(yǎng)，鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，使學(xué)生養(yǎng)成勤于思考并解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[9-10]，我校對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)大三的學(xué)生開(kāi)設(shè)了《機(jī)制專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用包括模具設(shè)計(jì)、數(shù)字制造、加工工藝、工裝夾具設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)與技能，與工程實(shí)踐相結(jié)合，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后的生產(chǎn)實(shí)際工作打下必要的實(shí)踐基礎(chǔ)。

本課程綜合利用所學(xué)知識(shí)，包括工程制圖、力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、數(shù)控加工等，完成機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、三維建模、編制數(shù)控加工程序、基于ADMAS的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試與分析報(bào)告。以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生以個(gè)人或小組進(jìn)行自主創(chuàng)意設(shè)計(jì)，如一套巧妙的機(jī)械機(jī)構(gòu)或設(shè)備模型等，利用個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意作品的加工和裝配，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步添加控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科融合，最后撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，并進(jìn)行課程比賽。

四 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于PPCNC的數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)與改革研究，將PPCNC應(yīng)用于數(shù)控加工的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，安全可靠，可行性強(qiáng)，有效解決了數(shù)控實(shí)訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)不足、學(xué)生操作機(jī)會(huì)少的問(wèn)題。從學(xué)生角度出發(fā)，從根源處激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力，提升專(zhuān)業(yè)綜合素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心。通過(guò)貫穿于大學(xué)三個(gè)年級(jí)的以提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的連續(xù)性、進(jìn)階式的實(shí)踐教學(xué)課程體系，學(xué)生參與數(shù)控實(shí)訓(xùn)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(qiáng)的實(shí)操能力和開(kāi)拓創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，取得了良好的數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)效果。