基于数控雕铣机研制过程的项目式教学探索与实践

陈嘉南 范 剑 李 军 王正初 潘 林 庞子柯 王镭钧 万宏伟

台州学院 浙江台州 310018

自制教学仪器设备应用于课程教学的做法近年在高校课程实验教学中备受重视且已得到广泛推广，其成效已经显现。孟书云等[1]研制了一套数控仿真实验平台应用于数控原理与系统等相关课程的实践教学；有些自制教具[2,3]以典型产品为载体进行了工学结合的教学模式改革，培养学生创新能力；王华权等[4]研制了便携式数控机床用于数控加工教学及培训。这些措施有效激发了学生的学习兴趣，提升了学习效果。同时笔者也注意到，类似的基于自制教具的教学绝大部分还只侧重或面向某些单一课程，有的甚至只立足于某些局部知识点的应用。笔者认为，既然教具是自主研制开发的，特别是针对机械专业而言，完全可以把工业级产品作为教具的开发对象，将其研制开发过程与学生的专业学习过程结合起来，着眼于产品从设计、制造等过程所蕴含的理论原理和技术要素，梳理出多门相关课程的知识点和技能点与之充分对接，使学做相融，让学生更系统、更有机完整地理解专业理论知识的应用，使学生自觉地融合各课程知识和技能解决复杂工程问题，进行产品的开发和工程实践。以机械专业为例，数控机床就是一类典型的机电一体化产品，数控机床中的小型数控雕铣机非常适合作为机电类专业相关课程的实验教具。为此，研究设计研制了第一代小型雕铣机作为典型产品教具，基于本教具，将其从结构设计、零件加工制造、装配以及电气系统设计、研制、软件开发、联机调试到质量检测等生产全过程融入相关课程教学，指导学生在使用教具的同时，又在学习专业课程的过程中研制开发新一代的教具。

1 数控雕铣机教具简介

小型数控雕铣机整机尺寸为300 mm×350 mm×350 mm，加工工作区域为100 mm×150 mm×50 mm，加工精度为0.01 mm，其结构外形如图1所示。机身Y轴运动工作台置于底座支架上，X轴运动工作台横跨于立柱支承上，Z轴运动工作台及主轴电机挂载于X轴运动工作台上。机身支承和联结部件采用2040铝型材和电木板制作，机身总重量为8 kg。为便于维护和修配，整机除主轴固定架和机身支承以外的零件均选用标准件；此外，本装置的开放式本体结构，易于学生观察机床各机构的运动，也便于学生完成机构的拆装和调试。

图1 小型数控雕铣机本体外形

研究基于单片机开发了数控系统的基本功能，如手动操作、自动加工、机床回零、系统参数设置等。其中，手动操作模块设计有X，Y，Z三轴手轮控制和主轴控制功能；自动加工模块设计有系统内部程序“单步运行”“自动运行”以及网络通信传输外部程序实现自动加工控制等功能。雕铣机控制器及其主界面如图2所示。

图2 数控雕铣机控制器及其主界面

2 基于数控雕铣机研制过程的项目式教学内容开发

研究围绕小型数控雕铣机教具的设计、制造、电气研发、调试运行全过程，以系列项目形式重构了机械专业相关课程的教学内容，实施了基于数控雕铣机研发过程的项目式“学做相融”教学模式改革，这一过程分为认知使用、CAD绘图、结构创新设计、加工制造装配、硬件电路研制、软件模块设计、数控系统开发7个课程群，分散于从本科一年级基础课到本科三年级专业课程学习的各阶段，基于本教具的教学过程如图3所示。

图3 基于数控雕铣机的学习实践过程

2.1 雕铣机的拆装和使用

针对刚入学的机械专业新生，结合专业导论和基础实践类课程，基于(前一代)已开发完成的数控雕刻机教具，开展“数控雕铣机的使用”“数控雕铣机的拆装及机构认知”以及“控制系统电路板电气模块认知和调试”等3个实践项目。指导学生学会使用数控雕铣机并完成一些卡通动物图形或文字铭牌的雕刻加工应用，以此激发学生对本装置的认知兴趣。然后通过对数控雕铣机整机的拆装练习，让学生了解零件的各种外形结构、零件的材料类型、机构的传动方式、零件间的联结和固定方式并初步掌握机构的装配工艺等；指导学生认识基本的电子元器件、初步掌握各电路模块的连接和调试方法。

2.2 雕铣机零件的测绘和计算机绘图

通过对数控雕铣机进行拆装和应用实践，学生对各类零件已经有了一定的认识，结合机械制图课程的教学继续安排针对数控雕铣机零部件测绘的大作业，让学生完成数控雕铣机零件图和装配图的绘制；在计算机绘图课程的教学中，以本教具作为对象，开展“雕铣机零件建模”“雕铣机虚拟装配”“雕铣机运动仿真分析”以及“雕铣机成套工程图纸生成”等系列教学项目，在指导学生熟练应用设计软件的同时，提高学生自觉结合专业知识进行产品造型设计的能力。

2.3 雕铣机结构创新设计

经过前期各阶段的学习和使用，学生对雕刻机的结构、功能已经非常熟悉。在接下来的机械设计和相关力学课程的教学中，安排“丝杠传动反向间隙消隙结构创新设计”“雕铣机结构创新设计”“雕铣机仿真优化设计”等课程讨论和大作业实践，指导学生进一步创新设计雕铣机机械本体并完成工程图纸绘制。

2.4 雕铣机零件的加工制造及装配

根据学生自主设计的雕铣机零部件图纸，结合机械制造工艺、数控加工技术等课程实践教学，指导学生完成零件选材、编制加工工艺、使用数控机床等设备加工雕铣机的全部非标零件，继而组装形成新一代雕铣机机械本体。需要注意的是，加工和装配过程中会随时暴露学生在结构设计方面的缺陷，从而有效地促使学生进一步改进和优化其结构设计，让学生能自觉、系统地把产品设计与加工制造有机结合起来。

2.5 雕铣机控制系统电路设计及制作

数控雕铣机数控控制系统包含电路设计、制作以及控制系统软件开发等内容。在电子电气类课程的教学中，开展“步进电机驱动器开发”“主轴电机控制器开发”以及“主控电路设计”等教学项目，让学生完成这些电路的PCB制作、元器件焊接和电路板测试等课程实践。这些学生作品将继续用于后续软件类课程的开发和实践。

2.6 雕铣机控制系统各软件模块设计

结合单片机课程教学，以开发数控雕铣机控制系统为目标，在前期各电路硬件开发的基础上，开展“数控雕铣机主轴电机及其调速控制”“步进电机及其调速控制”“按键和液晶显示人机交互”“手摇脉冲发生器控制步进电机”“限位开关的中断控制”“步进电机串行通信控制”“存储器及端口扩展应用”等系列实践项目，把单片机课程相关基本概念和理论有机地融合成一个系列，在功能递进的项目设计开发过程中，引导学生在“学中做、做中学”，基于数控雕铣机实施现场教学。

2.7 雕铣机控制系统开发

当学生完成了单片机课程的学习和实践，在数控原理与系统课程教学中，继续开展基于数控雕铣机的“平面和空间直线插补及其程序设计”“圆弧插补及其程序设计”“指令的译码及其程序设计”“数控系统开发程序架构设计”“串口通信传输自动加工控制”等系列开发实践项目，指导学生逐步设计开发出功能基本完备的新一代数控雕铣机作品。图4和图5分别展示了学生开发的数控雕铣机(上位机)网络控制系统和应用自主开发的系统正在雕铣加工的我校校徽作品。

图4 学生开发的雕铣机网络控制系统界面

图5 学生正在雕铣加工中的作品

3 课程考核与作品管理

为了达到预期教学效果，学院专门建立了一个近200 m2的数控雕铣机开放实训室，购置了实训制作所要的基本设备，供学生学习和制作实践，部分课程的现场教学也在这里展开。同时为了保证学生最终出品的数控雕铣机作品均为“合格品”，我院探索形成了一系列“实干论英雄”的课程考核方法，每门相关课程都有基于本教具的明确的阶段性设计内容和性能指标要求，课程考核直接对标检查学生作品的实际运行效果，合格后方可进入理论答辩环节，在答辩环节逐一考查学生对关键知识、技能的掌握情况，考核不合格者返工重做。此举有力地督促学生平时认真学习实践，努力高质量地完成每阶段的设计、开发任务。在实际执行过程中，因为有明确的任务目标，学生能以团队形式积极配合，相互促进，共同提高。表1列出了单片机原理及应用课程“手摇脉冲发生器控制步进电机”实践环节的考核示例。

表1 数控雕铣机研制过程实践环节考核表

由于数控雕铣机研制的整个过程涉及多门课程和多类不同的实践环节，为妥善管理学生已完成的各阶段作品，我院专门制订了管理办法，在实验室库房专门开辟一片区域放置学生作品，方便学生在作品柜中按编号存取作品。因为每个作品的零件和模块都是学生自己动手精心制作的合格作品，加之后续课程的学习都必须基于已完成部分才能继续，所以学生对作品的自觉管理意识很强。

4 成效与特色

我院在机械电子工程专业实施了基于数控雕铣机研制过程的课程群教学改革实践，强化了对学生专业核心能力的培养，在实施过程中推行的项目化“学做相融”教学模式深受广大学生欢迎，学生的专业能力得到切实加强，专业自信心大幅提升。本专业学生参加科研和学科竞赛的比例达到90%；结合数控雕铣机的系列项目开发设计，学生已主持开放性实验7项，申请获批浙江省新苗计划项目1项、台州市大学生科技创新项目1项、校立科研项目6项；近两年本专业学生参加浙江省机械设计、机器人竞赛等学科竞赛获一等奖5项、二等奖15项；已申请实用新型专利8项、发明专利2项。

数控雕铣机教具将绝大部分机械专业课程串联起来，让学生清晰、完整地掌握同一产品在机械设计、制造、装配以及电气系统设计、软件开发、联机调试等开发全过程所涉及的专业知识和技能。当专业的全部课程学完，新一代的数控雕铣机教具会随专业教学进程自然产出，寓教具的升级开发、生产制造过程于完整的教学过程之中，体现完全“学生自制”的鲜明特点。本教具性能可靠，维护方便，采用直流7.5 V直流安全电压，电气安全性好，且价格低廉，可以惠及全体学生，使学生有效地完成一系列专业课程教学和课外学习实践。本数控雕铣机教具在第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛中获得二等奖。

5 结语

基于本数控雕铣机教具，我院成功地实施了系列课程的项目化实践教学改革和探索，有效提高了学生的专业核心能力，提升了学生专业自信心，为理工科专业课程群的建设和专业教具开发提供了一种新的思路。下一步，我院将继续开发一些具有专业代表性的典型产品作为教具，努力使之更多地涉及并覆盖其他课程，实现机械专业课程全覆盖，让学生得到更全面、综合性的专业训练。