基于PPCNC的数控加工实验教学与改革研究

马善红，吴新丽，杨金林，周静恺

（浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州）

一 引言

数控技术是现代制造业实现自动化和集成化生产的基础，数控技术水平标志着一个国家制造业水平的高低。《数控加工与编程技术》是应用型本科大学机械设计与制造等相关专业的一门重要主干课程，具有很强的实践性。随着科学技术不断发展及社会对人才要求的不断提高，培养满足企业需求的既具有夯实理论基础、又具有较强实践能力的高技能人才是关键。目前，高校数控加工与编程技术类课程因实训条件有限，多以理论授课为主，课堂教学内容和数控加工实训联系不甚紧密，课内学习的编程知识不能及时在实训环节中得到巩固。且在实践技能培训方面，大多高校把实训重点放在数控机床的简单操作上，而对数控加工工艺（如工艺路线选择、数控加工刀具选择、切削用量设置等）、模具设计、数控自动编程等专业技术能力训练不够，脱离生产实际，难以满足企业用人需求。近年来，受数控人才需求增长的拉动，各高校均建有不同规模的数控实训基地。为了与企业尽可能保持一致，各校在实训硬件选择上逐步趋向工业用数控机床、加工中心，而且实训基地往往以加工设备配备进口数控系统为主，但由于每台数控设备价格昂贵，购置的设备数量有限，每个学生的独立操作机会较少，多以“演示实验”为主，不能适应普及性的实验实践教学，实训效果不佳[1-5]。

鉴于数控加工技术的实践教学现状，本文提出一种基于PPCNC的数控加工实验教学与改革研究，应用于数控技术的实验实践教学，取得了良好的教学效果，为社会培养出既具有坚实理论基础、又具有较强实践能力的创新应用型人才奠定了良好的基础。

二 基于PPCNC的进阶式数控实验教学课程体系

（一） PPCNC简介

PPCNC（Personal Portable CNC的简称），是深圳大学王华权老师针对数控加工教学研发的一种个人便携式数控机床[6]，如图1所示。该设备以深圳大学自主开发的数控软件进行加工操作，具有自动执行模式、手动输入操作模式以及刀偏设置、刀路模拟、限位诊断等功能。以塑料、代木、木头作为加工对象，加工精度达到0.02mm。PPCNC的控制软件可读取PowerMill或者 MasterCAM软件生成的G代码，通过USB接口与安装在电脑上的控制软件进行通讯，获取操作指令，完成作品的加工，具有安全性好、场地要求低、维护费低、耗材省等特点，开创了一种全新的数控加工教学模式，为普及和提高我国数控加工技术的教学和应用水平提供了一个崭新的平台[7-9]。

图1 个人便携式数控机床PPCNC

为培养学生的数控加工能力与创新实践能力，自2017年始，我校陆续引进安全、高效的PPCNC用于数控加工实践教学，如今已建成含有40台PPCNC的数字工匠坊数控专业实验室，取得了较好的教学效果，受到往应届学生的一致好评。同时为适应应用型人才的培养目标、提升课程教学质量、调动学生积极性、激发学生的自主能动性提供了很大的益处。

（二） 基于PPCNC的数控加工实验教学课程体系设计

我校在数控人才的创新实践能力培养中，设计了一条以提升学生实践创新能力的连续性、进阶式的实验实践教学主线，贯穿大一至大三年级。主要开设了以激发专业学习兴趣的大一新生研讨课《机械工程师启蒙》，以培养创新实践能力的《“三创”之机械创新项目训练之数字化制作》《数控编程与实践》，以提升专业综合素养的《机制专业综合实验》，同时将PPCNC数字工匠坊作为开放实验室，为学生创新性研究及学科竞赛提供支撑，基于PPCNC的进阶式实践教学课程体系如图 2 所示。

图2 基于PPCNC的进阶式实践教学课程体系

三 基于PPCNC的数控加工实验教学改革实施

将PPCNC贯穿于大学三个年级的数控实训教学，应用于《数控原理与系统》《数控加工与编程技术》等课程实验，数控技能实训环节和创新性研究及学科竞赛中。一方面，可以加强学生的动手实践能力，通过多渠道多样式的宣传与教学，使学生将专业知识转化为实践。另一方面，PPCNC低功耗、安全性高等优势，为学生提供了大胆尝试的机会。从学生角度出发，实现“教、学、做”一体化的教学模式，从根源处激发学生专业学习兴趣，鼓励学生勇于试错，在失败中总结经验，以动带学，培养创新实践能力，提升专业综合素养，真正体现以学生为中心。

（一） 激发专业学习兴趣

为帮助刚入大学的机械类学生“树信心、唤兴趣、激热情、钓期待”，大一年级开设了《机械工程师启蒙》的新生研讨课，以制作机械手为教学抓手，基于PPCNC完成零件的加工，让学生在制作机械手的零件如舵机架、机械手爪以及装配机械手的过程中，帮助学生养成良好的设备使用习惯，体验机械工程师的工程素养，培养做人做事严谨求实的态度，为其开启精彩机械世界的大门，引领其在机械工程领域入门、入神、入行、入胜，了解机械工程师的职业活动内容和职业使命。从而激发学生对本专业及理工科相关专业的学习兴趣，使学生能结合自己的爱好进一步明确自己的发展方向，规划好大学的学习生活。并鼓励学有余力的同学，成立课外创新学习小组，完成一辆完整的智能小车制作，为后期参加工程训练小车的竞赛打下良好的基础。

在启蒙课堂上，更是较好地融入了课堂思政元素。在PPCNC操作入门体验中，先是给定加工代码，雕刻了“浙理欢迎你”，表达对新生的欢迎，让学生有更好的归属感，同时借此激发学生雕刻自己作品的期望。在接下来的课程中，学生自己设计编程，根据不同的时节和假日，安排了诸如人生座右铭、校训、三八节快乐、母亲节快乐等的文字雕刻，传递积极向上的正能量，表达我们爱国爱校、对母亲的感恩之情，部分作品如图3。

图3 部分课堂思政雕刻作品

（二） 培养创新实践能力

创意驱动创新，创新带动创业。大学生的创新精神和实践能力是衡量高校教育质量的一项重要标准，青年学生是未来中国创意、创新、创业的生力军和主力军。为适应国家创新发展的需要，培养“创意、创新、创业”（简称三创）型人才，我校对数控技术、数控加工感兴趣并喜欢自己动手制作创意作品的大二学生，开设了《“三创”之机械创新项目训练之数字化制作》，致力于调动学生学习兴趣、激发学生创新思维、增强实践操作能力，并逐步转化为社会生产力。

课程从身边的生活中精选数控加工案例，开发了一套含有多个案例的数控加工技术实验音像教材，融合了待加工作品的数控刀具选择与创建、刀具路径选择与参数设置、数控加工G代码如何自动生成并修改、以及作品加工过程中如何换刀、对刀、工件如何装夹、工装夹具如何设计等。该课程嵌入专业综合实训、数控技术课内实验、开放实验，通过案例式教学，学生先通过计算机佩戴耳机观看产品从建模状态——数控编程——PPCNC上加工的完整视频，通过多个案例的练习，熟练掌握Mastercam X9对一般零件的自动编程方法。学生再分小组进行创新设计，对小组作品进行三维建模，导入数控编程软件Mastercam X9，根据作品相关零件的尺寸选择毛坯的尺寸和材料，根据各零件的工艺流程选择合适的刀具、刀具路径并进行参数设置，利用Mastercam X9进行加工仿真，无误后生成数控加工G代码并导出，最后将G代码导入PPCNC操作软件，最后完成小组作品的加工和装配，既提升了学生熟练掌握数控加工技术的能力，又培养了学生科学严谨的学习态度和团队协作精神。

（三） 提升专业综合素养

专业综合实验是学生基本修完本专业课程后所进行的一项专业性综合实验教学活动，是对理论知识的一次综合检验，是理论联系实际的重要实践教学环节，是培养学生工程应用能力的重要途径。为进一步培养提高学生的创新设计能力，提升学生的专业综合素养，锻炼团队协作能力，使学生养成勤于思考并解决复杂工程问题的能力[9-10]，我校对机械设计制造及其自动化专业大三的学生开设了《机制专业综合实验》，通过该实验训练学生综合运用包括模具设计、数字制造、加工工艺、工装夹具设计等方面的知识与技能，与工程实践相结合，为毕业设计和今后的生产实际工作打下必要的实践基础。

本课程综合利用所学知识，包括工程制图、力学、机械设计、机械制造、数控加工等，完成机械产品的设计、三维建模、编制数控加工程序、基于ADMAS的机构运动仿真、机构的运动特性测试与分析报告。以项目为驱动，学生以个人或小组进行自主创意设计，如一套巧妙的机械机构或设备模型等，利用个人便携式数控机床实现创意作品的加工和装配，鼓励学生进一步添加控制系统或驱动元件，实现多学科融合，最后撰写设计报告，并进行课程比赛。

四 结语

本文提出的基于PPCNC的数控加工实验教学与改革研究，将PPCNC应用于数控加工的实验实践教学，安全可靠，可行性强，有效解决了数控实训时长不足、学生操作机会少的问题。从学生角度出发，从根源处激发学生专业学习兴趣，培养创新实践能力，提升专业综合素养，实现“教、学、做”一体化的教学模式，真正实现以学生为中心。通过贯穿于大学三个年级的以提升学生实践创新能力的连续性、进阶式的实践教学课程体系，学生参与数控实训的兴趣大大提高，数控加工能力得到明显提升，培养了一批具有较强的实操能力和开拓创新能力的应用型人才，取得了良好的数控加工实践教学效果。