数控加工工艺与编程课程设计改革研究

李铁钢

(沈阳工程学院 机械工程系，沈阳 110136)

一、研究背景

应用型本科院校机械专业的人才培养特色是“工程教育，职业取向”，所培养的学生即不同于普通高等教育的研究型人才，也不同于高职高专院校的技能操作型人才，而是培养具有够用的机械专业理论知识，一定的人文、科技和艺术素质，具有较强创新精神的高等应用型机械工程领域的复合性人才。

数控加工工艺与编程课程是应用型本科机械专业的主干课程，安排在大学第4 学年的上学期，课程所涉及的技术领域位于制造活动的最终阶段，是将产品由“图纸的理想”转变为“现实的零件”的最终方法，是学生对所有学过的专业知识的总结、应用和升华。课程重点讲授的是数控车、数控铣、数控线切割的数控加工工艺、数控加工工艺装备和数控加工程序的编制，理论课程结束后将安排有2 周的课程设计。但通过往届的教学反馈来看，学生并没有很好地掌握集成的数控加工工艺与编程理论知识和应用。

此外，尽管学生在学习完其他机械类课程和数控加工工艺与编程理论课程之后，已经基本掌握了工程制图、工程材料、机械制造工艺、机床、刀具、夹具等理论知识;进行了金工实习和对应的课程设计，初步掌握了一定的制造工程实践技能;已经基本掌握了二维平面图软件AUTOCAD、三维设计软件UG 和PRO/E、数控辅助编程软件PRO/E 或UG 的CAM 模块。但由于先前其他阶段的实训和课程设计只是完成对应课程内任务，学习和巩固了知识点，而没有进行交叉综合训练，学生综合应用知识的能力没有得到很好的培养，学生缺乏解决问题的能力。再者，由于设计实例取自教材或其他教辅书，例子过于简单且陈旧，与企业的实际零件相差较多，不能代表企业的技术发展现状。

综上所述，有必要探索数控加工工艺与编程的课程设计新方法，进而综合锻炼学生机械产品的制造能力，培养学生的数字化设计和制造的工程能力。

二、内容规划

课程设计总体采用基于项目的方法展开，首先改革课程设计的内容，将理论与实践相结合，设计过程包括理论设计、仿真加工和实际加工三大部分。

课程设计应体现综合性、探索性，根据培养方案和课程体系统一规划内容设计，将数控加工工艺与编程课程中的提高部分、实践性比较强部分、理论深奥难于理解需要配合实践才能掌握的部分放到课程设计中学习。课程设计要体现先进性，探索使用数控加工领域的新技术、新工艺，紧跟企业先进的工程应用技术，掌握数控加工与编程的发展方向。

按照典型企业典型零件的实际制造程序规划课程设计流程，课程设计分为零件设计与建模、夹具设计、数控加工工艺设计、数控编程、数控加工仿真、零件加工等阶段环节。

采用基于项目的方法开展设计，通过查阅数字化制造的资料，提出数字化综合制造的课程设计项目方案，利用三维设计软件设计数控加工零件，制定详细的工艺规程，设计工艺装备，进行工艺装备制造、结构零件数控加工程序编制、零件试切加工和现场问题处理、零件的检验、数控工艺和数控程序修改完善。

数控加工的硬件设备是数控加工工艺与编程课程设计的基础支撑，所使用的主要仪器设备为:

(1)数控车床4 台，用于零件数控车削加工，机床的数控系统为FANUC 0i、华中数控HNC－21T、SIEMENS 802s;

(2)数控铣床3 台，用于零件数控铣削加工，机床的数控系统为FANUC 15、华中数控HNC－21M、SIEMENS 840D;

(3)数控线切割机床1 台，用于精密外形、异型孔、窄缝和槽的加工;

(4)数控电火花加工机床1 台，用于精密孔和型面的加工;

(5)电锯1 台，用于零件毛坯的下料加工;

(6)数控三坐标测量机1 台，用于零件的数字化测量;

(7)CAD/CAM 综合实训室1 个，配备微机70 台，用于零件数字化设计造型、零件夹具设计、数控加工工艺规程设计、数控加工程序编制、数控加工程序仿真、数控程序DNC 传输、数控CMM 测量机测量数据处理;

(8)铝合金棒料、铝合金板材、塑料棒、塑料板若干，用于零件的试切加工和正式加工;

(9)游标卡尺、千分尺、高度尺、角度尺、螺纹量规、标准量块、标准塞规、表面粗糙度样块和表面粗糙度仪，用于零件的规范尺寸检测。

工程软件在数控加工制造过程中发挥着重要作用，是数控加工和编程技术的工具，工作人员对软件的应用能力在一定程度上反映了数控加工工艺与编程应用的技术水平。通过对近几年学生的就业企业和欲培植的产业企业就业客户群进行调研，从而掌握了典型企业所使用的数控加工工程软件情况，形成了基于企业实践的工程软件培养方案，以企业的工程实践环境为综合课程体系的支撑，构建了集成数控加工制造系统，具体使用的软件以及应用如表1 所示。

三、项目实施

1.过程组织

CDIO(C:Conceive，构思;D:Design，设计;I:Implement，实施;O:Operate，运行)是由美国麻省理工学院、瑞典皇家技术学院、瑞典查尔姆斯技术学院、瑞典林克平大学四所工程大学合作开发的工程教育新模式。具体项目课程设计的实施流程如图1 所示。

表1 综合课程设计软件及应用

图1 设计项目流程

选定企业的实际零件作为项目，所选项目应难度适中，尽量选择多工艺、多编程考核点的项目，以利于综合能力的培养，项目应注重多学科知识点的融合。

在项目构思阶段，将学生分成若干项目组。分组首先采用学生自我组合方式，而后教师根据学生情况进行微调，组内学员的分配按照近似的课程学习排名合理搭配，善于动手和善于思考的学生合理搭配，使每个组内的人员尽量平衡。每个项目组分为4 个小组，各组由3 ～4 人组成，分别为数控加工零件和夹具设计、数控加工工艺设计、数控程序编制、零件制造和检验。这4 个小组类似于制造型企业的工程设计、工艺设计、数控编程、制造和检验部门。每个小组设组长1名，由组内人员民主产生，负责组内的项目任务安排及组间协调。

在项目开始阶段，教师首先要布置任务，讲述课程设计的目的、内容、实验分组、总体时间安排、现有资源设备情况以及成绩考核方法，而后分组进行设计。在课程设计时间安排上采用2 周集中设计，在形式上采用教室理论设计、CAD/CAM 机房和实验室开放使用相结合的方式。每天实验开始时，组长总结上一天的成绩和不足，提出本次设计的任务安排，大家共同讨论，形成可行性方案和具体分工，将任务具体落实并实行。在执行过程中互相配合、团结协作。组长每天记录完成情况，并按指导教师的需求，不定期地当面汇报项目完成情况，组长根据组内的工作情况向教师提出集中指导需求申请。指导教师也要不定期地到现场，对学生的设计情况进行检查指导，并记录学生的完成情况。教师还应针对学生所存在的共性问题，采取集中传授的方法讲解，或采取启发式方式，给学生布置探索性问题，以利于学生思考，也可以组织学生讨论，对研究方向和方法提出建议。每小组在各子阶段项目完成后提出阶段性总结报告，总结项目的完成情况和不足，提出下一个阶段的目标要求，整个项目完成后由各组组长汇总阶段报告，形成项目总结报告。

对于项目中涉及的新技术、新工艺和工程软件的使用情况，教师提出原则和可行性研究方向，学生自主探索完成。项目进行过程中，应按照企业的管理理念，每组设置任务分配和完成展板，以利于设计的进行。

2.项目评价

项目评价是项目实施的最后阶段，在基于CDIO的课程设计中意义重大。数控加工工艺与编程综合课程设计的目的侧重于学生工程技能的培养，激发学生独立思考和创新能力，同时培养团队协作精神。项目评价首先要考查团队整体的表现能力，其次要分清个人在团队中的具体贡献度。在集体项目中评价个人能力是关系设计能否取得满意效果的关键，通过项目评价可以督促每名学生能够真心投入设计，而不是简单抄袭他人的设计成果。

最终评价成绩由四部分组成，其中平时成绩占20%，实验报告占20%，答辩占20%，互评占40%。平时成绩包括出勤、教师现场打分、进度完成情况;设计报告包括每天设计报告书、总结报告书，报告书要求用计算机软件排版打印，注意言简意赅、图文并茂;答辩是指在机床边和CAD/CAM 实验室口试或利用PowerPoint 制作的幻灯片进行演讲答辩，课程设计指导教师团队针对答辩表现以及回答问题情况给出成绩，其间包含现场操作实际设备加工和演示软件的环节;互评包括不同项目组成员互评成绩、同一项目组内各小组互评成绩、各小组之间互评成绩、组长和组员互评成绩等。每个项目组和项目组内小组的团体成绩将直接影响到个人成绩的优劣，互评结果将考虑组员在小组内的贡献权重。评价结果应做到“公平、公开、公正”，即客观给出分数，肯定贡献，促进学习。

3.拓展学习

为巩固已经学习的知识，教师还要布置一定的作业，以便于学生课后练习和掌握;适当介绍些在企业生产实践中有关复杂零件加工和编程技术的新技术，开拓学生视野;在数控加工仿真和编程方面布置些可行的研究课题，由有兴趣和精力的学生在课后业余时间自主完成。

针对具体项目可布置如下的可拓展性题目:

(1)数控车床和铣床加工零件的误差来源有哪些，如何提高数控车床和铣床加工零件的质量和效率;

(2)在复杂结构件的加工过程中，筋条的上顶面可以使用哪些方法加工，在利用CAM 软件编制程序的过程中如何实现;

(3)数控五坐标铣床的结构形式有哪些特点，数控铣床五坐标零件的程序如何进行编制，数控五坐标机床如何进行后置处理;

(4)市场上主流的数控加工仿真软件有哪些，各有哪些优缺点和适用范围;

(5)数控技术在机械制造行业还有哪些应用，哪些领域与你学过的课程相关，如何编制数控加工程序。

4.资源库建设

为了方便学生学习，可建立数控加工工艺与编程教学资源素材库，也可以把学生在构思项目阶段查找的素材纳入资源库，所有素材都可供学生进行项目试验时选择使用。素材包括文本文档类、图形和图片类、动画类、音频和视频类素材等。具体包括教师布置的任务、学生的作品、学生的工作过程录像等。在资源库建设方面应侧重于三维实体和动画类等直观素材的收集。学生完成课程设计后所上交的所有电子文档类素材，指导教师组在整理后应纳入清华大学网络教学资源库管理系统中，以便于日后交流使用。

综上所述，通过基于CDIO 的数控加工工艺与编程综合课程设计项目的改革，加深了学生工程综合应用能力的培养，使学生将知识应用于实践，激发了他们的学习兴趣，培养了动手能力，加强了团队合作精神，收到了一致的好评。

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