基于PPCNC提升學生工程訓(xùn)練綜合能力的實踐教學研究

王 良，車曉毅，李志剛，楊 瑩，蔡悅?cè)A

基于PPCNC提升學生工程訓(xùn)練綜合能力的實踐教學研究

王 良，車曉毅，李志剛，楊 瑩，蔡悅?cè)A

（湖南文理學院 機械工程學院，湖南 常德 415000）

針對現(xiàn)代數(shù)控機床在培養(yǎng)學生的工程訓(xùn)練綜合能力上存在的成本高和安全性弱等問題，引入具有高效、安全、經(jīng)濟等特點的PPCNC，對具備傳統(tǒng)金工實習知識基礎(chǔ)的學生的工程訓(xùn)練綜合能力進行進階式提升，通過教學實踐，取得良好的教學效果。

工程訓(xùn)練；PPCNC；綜合能力

工程訓(xùn)練是工科學生培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維的重要環(huán)節(jié)。工程訓(xùn)練不僅對學生動手能力培養(yǎng)有積極意義，對學生創(chuàng)新能力、工程意識和綜合能力的培養(yǎng)有重要作用，在工科教學中占有重要位置[1-4]。工程訓(xùn)練課程由“金屬工藝學”“金工實習”等課程發(fā)展而來,教學內(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)面向未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際竟爭力的高素質(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踐能力強的“新工科”人才培養(yǎng)要求。另外，現(xiàn)代數(shù)控機床在教學中存在成本高和安全等問題，在一定程度上限制了學生工程訓(xùn)練綜合能力的提高。因此，在學生具備傳統(tǒng)金工實習知識的基礎(chǔ)上，引入具有高效、安全、經(jīng)濟等特點的PPCNC，將其嵌入至相關(guān)課程實驗和實習等實踐教學環(huán)節(jié)，是提升學生工程訓(xùn)練綜合能力的有效途徑。

1 PPCNC介紹

PPCNC，即個人便攜式數(shù)控機床，是一種專門針對數(shù)控加工教學用途研發(fā)的教學設(shè)備，如圖1所示。

該設(shè)備以PC機作為數(shù)控系統(tǒng)，用數(shù)控軟件界面進行加工操作，具有自動、手動直接輸入操作模式以及刀具設(shè)置、刀路模擬、診斷等機床顯示狀態(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USB接口與安裝在操控電腦上的控制軟件進行通訊，獲得操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的動作和運動，完成加工，具有安全性好、場地要求低、維護費低、耗材省等特點，且其運動慣性小，設(shè)備不易損壞，為高校數(shù)控加工教學實踐中的人員安全和機床安全問題，提供了良好的解決方案[7-8]。

圖1 個人便攜式數(shù)控機床

2 PPCNC與課程關(guān)系

PPCNC在我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)課程體系中，主要嵌入至數(shù)控原理與系統(tǒng)課程實驗、數(shù)控編程技術(shù)課程實驗、技能訓(xùn)練實習等實踐環(huán)節(jié)，同時作為開放式實驗室平臺為學生創(chuàng)新性研究及學科競賽提供支撐，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在實踐教學中的應(yīng)用

將PPCNC嵌入到機械設(shè)計制造及其自動化專業(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)課程實驗，技能訓(xùn)練實習實踐環(huán)節(jié)和創(chuàng)新性研究及學科競賽中，根據(jù)課程安排教學時間和教學內(nèi)容。PPCNC的作用一方面將這幾門課程教學內(nèi)容和課外學習有機結(jié)合起來；另一方面是在這幾門課程之間形成一條以提升學生工程訓(xùn)練綜合能力的連續(xù)性、進階式的實踐教學主線，即激發(fā)學習興趣—夯實基礎(chǔ)知識—提高專業(yè)技能—提升工程訓(xùn)練綜合能力。

3.1 激發(fā)學習興趣

數(shù)控原理與系統(tǒng)課程是學習數(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)，同時也是工程訓(xùn)練綜合能力培養(yǎng)的必備知識。由于數(shù)控原理與系統(tǒng)的教學內(nèi)容較為抽象，借助現(xiàn)代數(shù)控機床可以讓學生了解數(shù)控原理與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識。但是現(xiàn)代數(shù)控機床操作復(fù)雜，且設(shè)置有安全防護，不能給學生直觀展示數(shù)控機床結(jié)構(gòu)、特點和工作原理以及數(shù)控系統(tǒng)對加工數(shù)據(jù)處理的流程，而PPCNC則剛好彌補現(xiàn)代數(shù)控機床在此教學上的不足。

此外，給學生演示加工程序的生成，讓學生使用既定程序，通過課程實驗的PPCNC操作，將指定作品進行加工，在學生完成作品過程中，了解數(shù)控系統(tǒng)，增強專業(yè)自信和成就感，激發(fā)學習興趣，增強自主學習和實踐的欲望，為數(shù)控原理與系統(tǒng)后續(xù)知識的學習打下較好的基礎(chǔ)。

數(shù)控原理與系統(tǒng)課程實驗PPCNC操作的主要目的是激發(fā)學習興趣，對編程、工藝及精度等方面不作要求。因此，其實驗項目的加工對象可以是簡單零部件銑削、卡通人物造型銑削、圖案銑削等。

3.2 夯實基礎(chǔ)知識

數(shù)控編程技術(shù)是一門實踐性很強的課程，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踐，實踐包含編程練習、仿真加工和數(shù)控機床加工。編程練習可以熟悉數(shù)控編程指令、編程方法；仿真加工和數(shù)控機床加工可以檢驗數(shù)控加工工藝安排和程序編寫是否正確，尤其是數(shù)控機床加工可以檢驗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進行數(shù)控加工，不受場地限制，且教學可在機房進行，上機時間和教學效果相比在車間進行現(xiàn)代數(shù)控機床操作能得到更好的保障，能更好地對學生的數(shù)控編程知識進行夯實，同時也為后續(xù)現(xiàn)代數(shù)控機床的操作學習打下堅實基礎(chǔ)。

3.3 提高專業(yè)技能

技能訓(xùn)練實習課程是提高學生專業(yè)技能的重要實踐環(huán)節(jié)，通過前期的教學改革引入數(shù)控技能大賽實操試題和職業(yè)資格鑒定考核內(nèi)容，實踐教學的考核標準不再停滯于零件的輪廓要求，而是強調(diào)過程考核和最終工件檢測考核。在實踐過程中進行安全加工意識、計劃組織能力等綜合素質(zhì)考核，最終工件檢測考核按零件的加工特征精度檢測結(jié)果去評定成績[9]。引入PPCNC后，學生可以實現(xiàn)單人單機操作，為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和提高專業(yè)技能，教學內(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操試題的過程考核、最終工件檢測考核是保持一致性的。學生以小組為單位自主設(shè)計一個小型產(chǎn)品，要求自行完成圖紙設(shè)計、工藝工裝、零件加工、產(chǎn)品組裝、運動調(diào)試。由于是學生自主選定的題目，除基本要求外，沒有特別限制，這樣便于學生進行創(chuàng)新性設(shè)計，從而拓展了學生的思維，培養(yǎng)了團隊合作意識，提升了專業(yè)技能。學生在該環(huán)節(jié)的部分作品如圖3所示。

圖3 技能訓(xùn)練實習實踐環(huán)節(jié)學生作品

3.4 提升工程訓(xùn)練綜合能力

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

學生在工程訓(xùn)練綜合能力競賽作品的設(shè)計、加工、裝配的過程中，本著應(yīng)用效果是第一位、帶著問題主動實踐的宗旨，把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為簡單問題，把自己生疏的問題轉(zhuǎn)換成熟悉的問題，把不能辦到的事情轉(zhuǎn)化為可以辦到的事情，激發(fā)學生的求知欲望，提高學生獨立工作和解決實際問題的能力，促進學生基礎(chǔ)文化知識與工程文化素質(zhì)的培養(yǎng)，幫助學生認識工程，提高專業(yè)興趣[10-11]。工程訓(xùn)練綜合能力競賽“無碳小車”的命題既有“規(guī)定動作”，如“8字”“S型”“環(huán)形S型”等，又有個性化設(shè)計，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行自由創(chuàng)新設(shè)計，充分展示個性[12]。“無碳小車”作品特點首先是加工精度高，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)控機床上的占機時間比較長，且大部分時間為非加工時間，使作品制作成本增高。另外，學生設(shè)計的作品易出現(xiàn)返修加工的情況，因此通用數(shù)控機床在“無碳小車”作品制作方面存在成本高、不快捷的問題。而PPCNC剛好能夠很好地解決通用數(shù)控機床制作“無碳小車”的問題，在保證加工精度的前提下，其成本低、安全快捷，能快速實現(xiàn)小型零部件的加工和及時返修，提高工作效率。圖4為學生使用PPCNC加工的零部件安裝到“無碳小車”上的情況，運行狀況良好。

圖4 學生使用PPCNC加工的零部件安裝在“無碳小車”上

4 結(jié)語

結(jié)合PPCNC的高效、安全、經(jīng)濟等特點，通過將其應(yīng)用到以數(shù)控技術(shù)課程為主線的實踐教學中，以激發(fā)學生學習興趣、夯實基礎(chǔ)知識、提高專業(yè)技能和提升工程訓(xùn)練綜合能力的進階式教學實踐，使學生的工程訓(xùn)練綜合能力得到有效提升，教學效果良好。

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

王良（1990—），男，四川敘永，碩士，助教，研究方向為機械設(shè)計制造、數(shù)控加工。

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.009