数控雕刻在工程训练教学中的探索与实践

2018-04-25武强强武乐强寇文军李国剑

实验技术与管理 2018年4期

武强强, 武乐强, 沈亮, 陈响, 寇文军, 李国剑

(1. 西北民族大学工程训练中心, 甘肃兰州 730030；2. 西安易朴通讯技术有限公司, 陕西西安 710077)

先进制造技术在机械行业领域有着举足轻重的地位[1-2]。西北民族大学工程训练中心(简称中心)于2016年引进了数控雕刻机床及激光内雕机等先进制造设备,并开设了数控雕刻、激光内雕实训课程,使工程训练实践教学与先进制造技术相结合。中心现在已建设有机械原理演示、金工实训、电子产品展示、电子电工实训、创新实验、先进制造等实训平台,形成传统制造技术与现代先进制造技术相结合的实践教学平台体系。中心结合学校实际情况不断完善实践教学平台,全面构建应用型人才培养体系[3-4]。在应用型人才培养的基本模式、方法、教学内容、手段等方面进行改革与创新,树立新的应用型人才培养理念、创新培养模式,建立和营造良好的实践教学环境,激发学生创新兴趣、启迪探索精神，培养学生的自主创新能力[5]。在实践教学中,先进制造技术的引入对培养具有工程意识、创新意识、创新能力强的应用型人才起到推动作用[6-7]。中心以培养学生综合能力和实践创新能力为课程设置要求,结合数控雕刻的特点,开设了数控雕刻实训课程。

1 数控雕刻技术应用于工程训练的必要性

数控雕刻技术是将传统的雕刻技术和现代数控技术相结合的一种先进制造技术,同时传承了传统手工雕刻精细轻巧、灵活自如的操作特点,顺应了时代发展需求。工程训练中心以培养学生综合能力和创新实践能力为目标,在金工实习课程中开设了数控雕刻实训项目,并开设了数控雕刻选修课程。

数控雕刻实践教学的对象大多是没有接触过机床,并且机械制造的相关基础知识薄弱的学生。有别于机械类专业学生,数控雕刻实训旨在通过有限的实习过程使学生了解数控加工工艺的相关知识、学习雕刻软件、掌握机床基本操作技能，通过学习了解数控雕刻系统的概念、能够利用雕刻软件进行简单浮雕作品的设计及刀具路径规划，并在实体机床上进行加工。通过该实践课程的学习让学生对数控技术有一个更深的认识,为后续课程学习和知识面的拓宽做准备工作,起到抛砖引玉的作用，使得学生在校期间就可以亲身经历CAD/CAM设计制造一体化的全过程,体验到先进制造工艺技术的全过程。

把数控雕刻技术应用于工程训练中,是提高实训学生整体综合能力、实践能力、良好职业素养及对制造业发展水平初步了解的重要途径,也是高校工程训练发展的必然过程,引导学生的制造意识从传统加工向先进制造技术过度,更好地适应毕业后进入先进制造的大环境中[7-8]。

2 实践教学

2.1 实训设备、配套软件

中心改革和充实先进制造技术在工程训练中的内容,于2016年引进了数控雕刻机床,型号为CarverPMS16_ATC, X、Y、Z轴运动定位精度为0.010/0.010/0.008 mm,重复定位精度为0.008/0.008/0.005 mm。该机床定位精度高,可实现浮雕产品的精细化加工。随机床购置有ArtForm4.0及SurfMill7.0软件,可以实现浮雕产品的建模及数控编程。

2.2 实训内容

中心工程训练实训课程在原有的基础上增加了数控雕刻、激光内雕等先进制造实训项目,让学生更多地接触到新技术、新工艺,形成新思维和创新能力[9]。开设数控雕刻可以让学生了解数控雕刻系统的组成,学习ArtForm4.0及SurfMill7.0软件的简单使用；学生可以自行设计平面或浮雕作品,并进行数控编程；通过教师的机床演示操作,学生了解数控雕刻机的操作方法,并将自己的设计作品在实体机床上进行加工。

中心开设的数控雕刻实训项目及内容如表1所示,课程共36学时,要求学生进行平面图形的设计、浮雕的生成、刀具路径设计、生成数控程序、程序的输出、机床操作,最后完成浮雕作品加工。

浮雕作品设计及加工流程如图1所示。在实训过程中增加趣味性,调动学生的积极性。在浮雕作品设计上,学生可以根据自己的喜好自主设计并在实体机床上进行加工,使数控雕刻实践教学与学生自身的兴趣结合起来,培养学生工程实践能力和创新能力[10-11]。

表1 实训项目及内容

图1 浮雕设计及编程流程图

浮雕的数控雕刻加工的关键技术有:

(1) 浮雕模型的建立。模型的好坏直接影响到数控加工的质量。

(2) 刀具路径的规划。合理的刀路规划可以减少刀路的生成时间,提高数控加工的加工效率,所以设计出最优的刀具路径走刀方式至关重要。

(3) 后处理技术。将输出的程序进行特定机床的后处理技术,并在数控雕刻机床上进行实体加工。

浮雕作品的设计制作及加工原理是相通的,在实际设计及教学中应举一反三,丰富数控雕刻实践教学内容。

2.3 教学效果及分析

工程训练中心每位教师本着求真、务实、高效的工作态度,依据实验教学计划正常开展实践教学工作。结合学校实际情况,工程训练中心承担的必修课有金工实习,开设的选修课有工程训练、数控雕刻、激光内雕,初步形成了选修、必修相结合的多层次、多学科的实习内容。必修课主要面向电气工程学院、化工学院、土木工程学院的无机非金属专业、生命科学学院的食品科学与工程专业学生,选修课面向全校所有本科专业学生。

金工实习实训项目主要包括钳、车、铣、刨、焊、铸造、电子电工、数控车铣、数控雕刻、激光内雕等项目,通过实习项目使学生了解机械加工的原理及应用,熟悉各个工种之间的相互关联配合,在实际操作过程中逐步培养学生的安全生产意识及工程概念。电子实训主要包括电子元器件的识别、基本原理及元件检测,通过动手实践使学生掌握基本的电子焊接方法,在对电子产品的调试过程中发现设计、制作的问题,并最终将其解决。

工程训练中心开设的金工实习作为必修课程,针对化工学院、电气学院、土木工程学院的无机非金属材料工程专业、生命科学学院的食品科学与工程专业。表2及图2为近3年参加金工实习课程的学院及学生来源分布,从图表可以看出,近3年来每年的实训人数相对稳定。

表2 近3年参加金工实习学生人数

图2 近3年参加金工实习学生来源分布

工程训练中心开始的选修课针对全校所有专业的学生开放,从表3和图3可以看出,有18个学院中的学生参加了工程训练实践教学课程,近几年的选修人数呈增长趋势,特别是2016—2017学年呈明显增长态势,说明学生对工程训练中心开设的实践性选修课程很感兴趣,尤其是文科学生,如文学院、教育科学与技术学院、蒙古语言文化学院、维吾尔语言文化学院的学生,选课人数明显高于其他学院。

表3 近3年选修工程训练学生人数

图3 2016—2017学年选修工程训练各学院学生来源分布

参加实训的学生须完成一件作品,作品的设计根据个人的喜好进行选择,可以选择自己喜爱的图片或照片为对象,完成浮雕作品的设计制作,并在数控雕刻机床上加工出来。学生自己设计加工的作品自己保管,作为留念,因此学生的积极性很高。产品从选题、设计到实体加工都由学生自己完成,学生之间可以互帮互助,教师在过程中答疑解惑,帮助学生完成作品的设计制造。

浮雕产品的观赏性较强,这很大程度上提高了学生学习的兴趣,充分调动了学生的积极性。在作品设计过程中,学生发挥了自己的想象力,激发了求知欲,培养了学生的创新意识和实践能力,并且通过实践过程培养了学生的合作团队精神,效果很好。学生部分作品见图4。