基于PPCNC提升學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的實(shí)踐教學(xué)研究

王 良，車曉毅，李志剛，楊 瑩，蔡悅?cè)A

基于PPCNC提升學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的實(shí)踐教學(xué)研究

王 良，車曉毅，李志剛，楊 瑩，蔡悅?cè)A

（湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

針對(duì)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在培養(yǎng)學(xué)生的工程訓(xùn)練綜合能力上存在的成本高和安全性弱等問(wèn)題，引入具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)的PPCNC，對(duì)具備傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生的工程訓(xùn)練綜合能力進(jìn)行進(jìn)階式提升，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。

工程訓(xùn)練；PPCNC；綜合能力

工程訓(xùn)練是工科學(xué)生培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的重要環(huán)節(jié)。工程訓(xùn)練不僅對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)有積極意義，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、工程意識(shí)和綜合能力的培養(yǎng)有重要作用，在工科教學(xué)中占有重要位置[1-4]。工程訓(xùn)練課程由“金屬工藝學(xué)”“金工實(shí)習(xí)”等課程發(fā)展而來(lái),教學(xué)內(nèi)容一般包括車削、銑削、刨削、磨削、鉗工、焊接、鑄造、數(shù)控車削、數(shù)控銑削（加工中心）等[5-6]。然而培養(yǎng)面向未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際竟?fàn)幜Φ母咚刭|(zhì)復(fù)合型“新工科”人才，僅工程訓(xùn)練課程已不足以支撐實(shí)踐能力強(qiáng)的“新工科”人才培養(yǎng)要求。另外，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在教學(xué)中存在成本高和安全等問(wèn)題，在一定程度上限制了學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的提高。因此，在學(xué)生具備傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)知識(shí)的基礎(chǔ)上，引入具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)的PPCNC，將其嵌入至相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是提升學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的有效途徑。

1 PPCNC介紹

PPCNC，即個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床，是一種專門(mén)針對(duì)數(shù)控加工教學(xué)用途研發(fā)的教學(xué)設(shè)備，如圖1所示。

該設(shè)備以PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，用數(shù)控軟件界面進(jìn)行加工操作，具有自動(dòng)、手動(dòng)直接輸入操作模式以及刀具設(shè)置、刀路模擬、診斷等機(jī)床顯示狀態(tài)。PPCNC的控制軟件可讀取MasterCAM軟件生成的G代碼，該設(shè)備可通過(guò)USB接口與安裝在操控電腦上的控制軟件進(jìn)行通訊，獲得操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)，完成加工，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)，且其運(yùn)動(dòng)慣性小，設(shè)備不易損壞，為高校數(shù)控加工教學(xué)實(shí)踐中的人員安全和機(jī)床安全問(wèn)題，提供了良好的解決方案[7-8]。

圖1 個(gè)人便攜式數(shù)控機(jī)床

2 PPCNC與課程關(guān)系

PPCNC在我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)課程體系中，主要嵌入至數(shù)控原理與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)、數(shù)控編程技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)、技能訓(xùn)練實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，同時(shí)作為開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)為學(xué)生創(chuàng)新性研究及學(xué)科競(jìng)賽提供支撐，嵌入課程體系如圖2所示。

圖2 PPCNC嵌入課程體系示意圖

3 PPCNC在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

將PPCNC嵌入到機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)課程體系，應(yīng)用于數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控編程技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)，技能訓(xùn)練實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新性研究及學(xué)科競(jìng)賽中，根據(jù)課程安排教學(xué)時(shí)間和教學(xué)內(nèi)容。PPCNC的作用一方面將這幾門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容和課外學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)；另一方面是在這幾門(mén)課程之間形成一條以提升學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力的連續(xù)性、進(jìn)階式的實(shí)踐教學(xué)主線，即激發(fā)學(xué)習(xí)興趣—夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)—提高專業(yè)技能—提升工程訓(xùn)練綜合能力。

3.1 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

數(shù)控原理與系統(tǒng)課程是學(xué)習(xí)數(shù)控編程技術(shù)的先行課程，是掌握數(shù)控技術(shù)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也是工程訓(xùn)練綜合能力培養(yǎng)的必備知識(shí)。由于數(shù)控原理與系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容較為抽象，借助現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床可以讓學(xué)生了解數(shù)控原理與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。但是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床操作復(fù)雜，且設(shè)置有安全防護(hù)，不能給學(xué)生直觀展示數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作原理以及數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工數(shù)據(jù)處理的流程，而PPCNC則剛好彌補(bǔ)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在此教學(xué)上的不足。

此外，給學(xué)生演示加工程序的生成，讓學(xué)生使用既定程序，通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)的PPCNC操作，將指定作品進(jìn)行加工，在學(xué)生完成作品過(guò)程中，了解數(shù)控系統(tǒng)，增強(qiáng)專業(yè)自信和成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的欲望，為數(shù)控原理與系統(tǒng)后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)打下較好的基礎(chǔ)。

數(shù)控原理與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)PPCNC操作的主要目的是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，對(duì)編程、工藝及精度等方面不作要求。因此，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的加工對(duì)象可以是簡(jiǎn)單零部件銑削、卡通人物造型銑削、圖案銑削等。

3.2 夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)

數(shù)控編程技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，掌握編程指令、編程方法和數(shù)控加工工藝的最好途徑就是實(shí)踐，實(shí)踐包含編程練習(xí)、仿真加工和數(shù)控機(jī)床加工。編程練習(xí)可以熟悉數(shù)控編程指令、編程方法；仿真加工和數(shù)控機(jī)床加工可以檢驗(yàn)數(shù)控加工工藝安排和程序編寫(xiě)是否正確，尤其是數(shù)控機(jī)床加工可以檢驗(yàn)加工程序和操作技能是否能夠保證零件加工的尺寸精度。

利用PPCNC進(jìn)行數(shù)控加工，不受場(chǎng)地限制，且教學(xué)可在機(jī)房進(jìn)行，上機(jī)時(shí)間和教學(xué)效果相比在車間進(jìn)行現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床操作能得到更好的保障，能更好地對(duì)學(xué)生的數(shù)控編程知識(shí)進(jìn)行夯實(shí)，同時(shí)也為后續(xù)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的操作學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 提高專業(yè)技能

技能訓(xùn)練實(shí)習(xí)課程是提高學(xué)生專業(yè)技能的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)前期的教學(xué)改革引入數(shù)控技能大賽實(shí)操試題和職業(yè)資格鑒定考核內(nèi)容，實(shí)踐教學(xué)的考核標(biāo)準(zhǔn)不再停滯于零件的輪廓要求，而是強(qiáng)調(diào)過(guò)程考核和最終工件檢測(cè)考核。在實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)行安全加工意識(shí)、計(jì)劃組織能力等綜合素質(zhì)考核，最終工件檢測(cè)考核按零件的加工特征精度檢測(cè)結(jié)果去評(píng)定成績(jī)[9]。引入PPCNC后，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)單人單機(jī)操作，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高專業(yè)技能，教學(xué)內(nèi)容單一零件的加工向多功能產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，功能產(chǎn)品的零部件的加工精度滿足裝配要求與單一零件技能大賽實(shí)操試題的過(guò)程考核、最終工件檢測(cè)考核是保持一致性的。學(xué)生以小組為單位自主設(shè)計(jì)一個(gè)小型產(chǎn)品，要求自行完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、工藝工裝、零件加工、產(chǎn)品組裝、運(yùn)動(dòng)調(diào)試。由于是學(xué)生自主選定的題目，除基本要求外，沒(méi)有特別限制，這樣便于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，從而拓展了學(xué)生的思維，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提升了專業(yè)技能。學(xué)生在該環(huán)節(jié)的部分作品如圖3所示。

圖3 技能訓(xùn)練實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)生作品

3.4 提升工程訓(xùn)練綜合能力

通過(guò)數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控編程技術(shù)和技能訓(xùn)練實(shí)習(xí)的實(shí)踐，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝編寫(xiě)水平和實(shí)踐操作技能得到進(jìn)階式提高，但是學(xué)生的工程應(yīng)用能力、工程管理能力只是通過(guò)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，并不能達(dá)到很好的培養(yǎng)效果。因此，還需要以工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽為導(dǎo)向，結(jié)合PPCNC加工小型零部件的特點(diǎn)，提升學(xué)生的工程訓(xùn)練綜合能力。

學(xué)生在工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽作品的設(shè)計(jì)、加工、裝配的過(guò)程中，本著應(yīng)用效果是第一位、帶著問(wèn)題主動(dòng)實(shí)踐的宗旨，把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單問(wèn)題，把自己生疏的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成熟悉的問(wèn)題，把不能辦到的事情轉(zhuǎn)化為可以辦到的事情，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，提高學(xué)生獨(dú)立工作和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生基礎(chǔ)文化知識(shí)與工程文化素質(zhì)的培養(yǎng)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)工程，提高專業(yè)興趣[10-11]。工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽“無(wú)碳小車”的命題既有“規(guī)定動(dòng)作”，如“8字”“S型”“環(huán)形S型”等，又有個(gè)性化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)、材料、工藝、能量轉(zhuǎn)化形式、方向控制、調(diào)試手段等完全由參賽者進(jìn)行自由創(chuàng)新設(shè)計(jì)，充分展示個(gè)性[12]。“無(wú)碳小車”作品特點(diǎn)首先是加工精度高，其次是小型零部件比較多。通用數(shù)控機(jī)床能夠滿足加工精度要求，但是小型零部件的加工在數(shù)控機(jī)床上的占機(jī)時(shí)間比較長(zhǎng)，且大部分時(shí)間為非加工時(shí)間，使作品制作成本增高。另外，學(xué)生設(shè)計(jì)的作品易出現(xiàn)返修加工的情況，因此通用數(shù)控機(jī)床在“無(wú)碳小車”作品制作方面存在成本高、不快捷的問(wèn)題。而PPCNC剛好能夠很好地解決通用數(shù)控機(jī)床制作“無(wú)碳小車”的問(wèn)題，在保證加工精度的前提下，其成本低、安全快捷，能快速實(shí)現(xiàn)小型零部件的加工和及時(shí)返修，提高工作效率。圖4為學(xué)生使用PPCNC加工的零部件安裝到“無(wú)碳小車”上的情況，運(yùn)行狀況良好。

圖4 學(xué)生使用PPCNC加工的零部件安裝在“無(wú)碳小車”上

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合PPCNC的高效、安全、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，通過(guò)將其應(yīng)用到以數(shù)控技術(shù)課程為主線的實(shí)踐教學(xué)中，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、提高專業(yè)技能和提升工程訓(xùn)練綜合能力的進(jìn)階式教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生的工程訓(xùn)練綜合能力得到有效提升，教學(xué)效果良好。

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Research on practice teaching for improving students’ comprehensive ability of engineering training based on PPCNC

WANG Liang, CHE Xiaoyi, LI Zhigang, YANG Ying, CAI Yuehua

(College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

In view of the problems of high cost and weak safety in training students’ comprehensive engineering ability for modern numerical control machine tools, PPCNC (personal portable computer numerical control machine) with the characteristics of high efficiency, safety and economy is introduced to improve the training of comprehensive engineering ability for the students who have the knowledge base of traditional metalworking practice. Good teaching effect is achieved through teaching practice.

engineering training; PPCNC; comprehensive ability

G642.0

A

1002-4956(2019)09-0032-04

2019-02-01

湖南省教育廳“機(jī)電大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心”項(xiàng)目（湘教通[2018]380號(hào)）；湖南省高等學(xué)校特色學(xué)科項(xiàng)目（湘教通[2018]469號(hào)），湖南省教育廳教改項(xiàng)目“數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)體系的構(gòu)建”（湘教通[2015]291號(hào)）

王良（1990—），男，四川敘永，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造、數(shù)控加工。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.009