基于PPCNC的數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

數控技術是現代制造業實現自動化和集成化生產的基礎，數控技術水平標志著一個國家制造業水平的高低。《數控加工與編程技術》是應用型本科大學機械設計與制造等相關專業的一門重要主干課程，具有很強的實踐性。隨著科學技術不斷發展及社會對人才要求的不斷提高，培養滿足企業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鍵。目前，高校數控加工與編程技術類課程因實訓條件有限，多以理論授課為主，課堂教學內容和數控加工實訓聯系不甚緊密，課內學習的編程知識不能及時在實訓環節中得到鞏固。且在實踐技能培訓方面，大多高校把實訓重點放在數控機床的簡單操作上，而對數控加工工藝（如工藝路線選擇、數控加工刀具選擇、切削用量設置等）、模具設計、數控自動編程等專業技術能力訓練不夠，脫離生產實際，難以滿足企業用人需求。近年來，受數控人才需求增長的拉動，各高校均建有不同規模的數控實訓基地。為了與企業盡可能保持一致，各校在實訓硬件選擇上逐步趨向工業用數控機床、加工中心，而且實訓基地往往以加工設備配備進口數控系統為主，但由于每臺數控設備價格昂貴，購置的設備數量有限，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]。

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

二 基于PPCNC的進階式數控實驗教學課程體系

（一） PPCNC簡介

PPCNC（Personal Portable CNC的簡稱），是深圳大學王華權老師針對數控加工教學研發的一種個人便攜式數控機床[6]，如圖1所示。該設備以深圳大學自主開發的數控軟件進行加工操作，具有自動執行模式、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，開創了一種全新的數控加工教學模式，為普及和提高我國數控加工技術的教學和應用水平提供了一個嶄新的平臺[7-9]。

圖1 個人便攜式數控機床PPCNC

為培養學生的數控加工能力與創新實踐能力，自2017年始，我校陸續引進安全、高效的PPCNC用于數控加工實踐教學，如今已建成含有40臺PPCNC的數字工匠坊數控專業實驗室，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目標、提升課程教學質量、調動學生積極性、激發學生的自主能動性提供了很大的益處。

（二） 基于PPCNC的數控加工實驗教學課程體系設計

我校在數控人才的創新實踐能力培養中，設計了一條以提升學生實踐創新能力的連續性、進階式的實驗實踐教學主線，貫穿大一至大三年級。主要開設了以激發專業學習興趣的大一新生研討課《機械工程師啟蒙》，以培養創新實踐能力的《“三創”之機械創新項目訓練之數字化制作》《數控編程與實踐》，以提升專業綜合素養的《機制專業綜合實驗》，同時將PPCNC數字工匠坊作為開放實驗室，為學生創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的數控加工實驗教學改革實施

將PPCNC貫穿于大學三個年級的數控實訓教學，應用于《數控原理與系統》《數控加工與編程技術》等課程實驗，數控技能實訓環節和創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，使學生將專業知識轉化為實踐。另一方面，PPCNC低功耗、安全性高等優勢，為學生提供了大膽嘗試的機會。從學生角度出發，實現“教、學、做”一體化的教學模式，從根源處激發學生專業學習興趣，鼓勵學生勇于試錯，在失敗中總結經驗，以動帶學，培養創新實踐能力，提升專業綜合素養，真正體現以學生為中心。

（一） 激發專業學習興趣

為幫助剛入大學的機械類學生“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，幫助學生養成良好的設備使用習慣，體驗機械工程師的工程素養，培養做人做事嚴謹求實的態度，為其開啟精彩機械世界的大門，引領其在機械工程領域入門、入神、入行、入勝，了解機械工程師的職業活動內容和職業使命。從而激發學生對本專業及理工科相關專業的學習興趣，使學生能結合自己的愛好進一步明確自己的發展方向，規劃好大學的學習生活。并鼓勵學有余力的同學，成立課外創新學習小組，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，根據不同的時節和假日，安排了諸如人生座右銘、校訓、三八節快樂、母親節快樂等的文字雕刻，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） 培養創新實踐能力

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

課程從身邊的生活中精選數控加工案例，開發了一套含有多個案例的數控加工技術實驗音像教材，融合了待加工作品的數控刀具選擇與創建、刀具路徑選擇與參數設置、數控加工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。該課程嵌入專業綜合實訓、數控技術課內實驗、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品從建模狀態——數控編程——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新設計，對小組作品進行三維建模，導入數控編程軟件Mastercam X9，根據作品相關零件的尺寸選擇毛坯的尺寸和材料，根據各零件的工藝流程選擇合適的刀具、刀具路徑并進行參數設置，利用Mastercam X9進行加工仿真，無誤后生成數控加工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控加工技術的能力，又培養了學生科學嚴謹的學習態度和團隊協作精神。

（三） 提升專業綜合素養

專業綜合實驗是學生基本修完本專業課程后所進行的一項專業性綜合實驗教學活動，是對理論知識的一次綜合檢驗，是理論聯系實際的重要實踐教學環節，是培養學生工程應用能力的重要途徑。為進一步培養提高學生的創新設計能力，提升學生的專業綜合素養，鍛煉團隊協作能力，使學生養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大三的學生開設了《機制專業綜合實驗》，通過該實驗訓練學生綜合運用包括模具設計、數字制造、加工工藝、工裝夾具設計等方面的知識與技能，與工程實踐相結合，為畢業設計和今后的生產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、數控加工等，完成機械產品的設計、三維建模、編制數控加工程序、基于ADMAS的機構運動仿真、機構的運動特性測試與分析報告。以項目為驅動，學生以個人或小組進行自主創意設計，如一套巧妙的機械機構或設備模型等，利用個人便攜式數控機床實現創意作品的加工和裝配，鼓勵學生進一步添加控制系統或驅動元件，實現多學科融合，最后撰寫設計報告，并進行課程比賽。

四 結語

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