數控雕刻在工程訓練教學中的探索與實踐

武強強, 武樂強, 沈 亮, 陳 響, 寇文軍, 李國劍

(1. 西北民族大學 工程訓練中心, 甘肅 蘭州 730030；2. 西安易樸通訊技術有限公司, 陜西 西安 710077)

先進制造技術在機械行業領域有著舉足輕重的地位[1-2]。西北民族大學工程訓練中心(簡稱中心)于2016年引進了數控雕刻機床及激光內雕機等先進制造設備,并開設了數控雕刻、激光內雕實訓課程,使工程訓練實踐教學與先進制造技術相結合。中心現在已建設有機械原理演示、金工實訓、電子產品展示、電子電工實訓、創新實驗、先進制造等實訓平臺,形成傳統制造技術與現代先進制造技術相結合的實踐教學平臺體系。中心結合學校實際情況不斷完善實踐教學平臺,全面構建應用型人才培養體系[3-4]。在應用型人才培養的基本模式、方法、教學內容、手段等方面進行改革與創新,樹立新的應用型人才培養理念、創新培養模式,建立和營造良好的實踐教學環境,激發學生創新興趣、啟迪探索精神，培養學生的自主創新能力[5]。在實踐教學中,先進制造技術的引入對培養具有工程意識、創新意識、創新能力強的應用型人才起到推動作用[6-7]。中心以培養學生綜合能力和實踐創新能力為課程設置要求,結合數控雕刻的特點,開設了數控雕刻實訓課程。

1 數控雕刻技術應用于工程訓練的必要性

數控雕刻技術是將傳統的雕刻技術和現代數控技術相結合的一種先進制造技術,同時傳承了傳統手工雕刻精細輕巧、靈活自如的操作特點,順應了時代發展需求。工程訓練中心以培養學生綜合能力和創新實踐能力為目標,在金工實習課程中開設了數控雕刻實訓項目,并開設了數控雕刻選修課程。

數控雕刻實踐教學的對象大多是沒有接觸過機床,并且機械制造的相關基礎知識薄弱的學生。有別于機械類專業學生,數控雕刻實訓旨在通過有限的實習過程使學生了解數控加工工藝的相關知識、學習雕刻軟件、掌握機床基本操作技能，通過學習了解數控雕刻系統的概念、能夠利用雕刻軟件進行簡單浮雕作品的設計及刀具路徑規劃，并在實體機床上進行加工。通過該實踐課程的學習讓學生對數控技術有一個更深的認識,為后續課程學習和知識面的拓寬做準備工作,起到拋磚引玉的作用，使得學生在校期間就可以親身經歷CAD/CAM設計制造一體化的全過程,體驗到先進制造工藝技術的全過程。

把數控雕刻技術應用于工程訓練中,是提高實訓學生整體綜合能力、實踐能力、良好職業素養及對制造業發展水平初步了解的重要途徑,也是高校工程訓練發展的必然過程,引導學生的制造意識從傳統加工向先進制造技術過度,更好地適應畢業后進入先進制造的大環境中[7-8]。

2 實踐教學

2.1 實訓設備、配套軟件

中心改革和充實先進制造技術在工程訓練中的內容,于2016年引進了數控雕刻機床,型號為CarverPMS16_ATC, X、Y、Z軸運動定位精度為0.010/0.010/0.008 mm,重復定位精度為0.008/0.008/0.005 mm。該機床定位精度高,可實現浮雕產品的精細化加工。隨機床購置有ArtForm4.0及SurfMill7.0軟件,可以實現浮雕產品的建模及數控編程。

2.2 實訓內容

中心工程訓練實訓課程在原有的基礎上增加了數控雕刻、激光內雕等先進制造實訓項目,讓學生更多地接觸到新技術、新工藝,形成新思維和創新能力[9]。開設數控雕刻可以讓學生了解數控雕刻系統的組成,學習ArtForm4.0及SurfMill7.0軟件的簡單使用；學生可以自行設計平面或浮雕作品,并進行數控編程；通過教師的機床演示操作,學生了解數控雕刻機的操作方法,并將自己的設計作品在實體機床上進行加工。

中心開設的數控雕刻實訓項目及內容如表1所示,課程共36學時,要求學生進行平面圖形的設計、浮雕的生成、刀具路徑設計、生成數控程序、程序的輸出、機床操作,最后完成浮雕作品加工。

浮雕作品設計及加工流程如圖1所示。在實訓過程中增加趣味性,調動學生的積極性。在浮雕作品設計上,學生可以根據自己的喜好自主設計并在實體機床上進行加工,使數控雕刻實踐教學與學生自身的興趣結合起來,培養學生工程實踐能力和創新能力[10-11]。

表1 實訓項目及內容

圖1 浮雕設計及編程流程圖

浮雕的數控雕刻加工的關鍵技術有:

(1) 浮雕模型的建立。模型的好壞直接影響到數控加工的質量。

(2) 刀具路徑的規劃。合理的刀路規劃可以減少刀路的生成時間,提高數控加工的加工效率,所以設計出最優的刀具路徑走刀方式至關重要。

(3) 后處理技術。將輸出的程序進行特定機床的后處理技術,并在數控雕刻機床上進行實體加工。

浮雕作品的設計制作及加工原理是相通的,在實際設計及教學中應舉一反三,豐富數控雕刻實踐教學內容。

2.3 教學效果及分析

工程訓練中心每位教師本著求真、務實、高效的工作態度,依據實驗教學計劃正常開展實踐教學工作。結合學校實際情況,工程訓練中心承擔的必修課有金工實習,開設的選修課有工程訓練、數控雕刻、激光內雕,初步形成了選修、必修相結合的多層次、多學科的實習內容。必修課主要面向電氣工程學院、化工學院、土木工程學院的無機非金屬專業、生命科學學院的食品科學與工程專業學生,選修課面向全校所有本科專業學生。

金工實習實訓項目主要包括鉗、車、銑、刨、焊、鑄造、電子電工、數控車銑、數控雕刻、激光內雕等項目,通過實習項目使學生了解機械加工的原理及應用,熟悉各個工種之間的相互關聯配合,在實際操作過程中逐步培養學生的安全生產意識及工程概念。電子實訓主要包括電子元器件的識別、基本原理及元件檢測,通過動手實踐使學生掌握基本的電子焊接方法,在對電子產品的調試過程中發現設計、制作的問題,并最終將其解決。

工程訓練中心開設的金工實習作為必修課程,針對化工學院、電氣學院、土木工程學院的無機非金屬材料工程專業、生命科學學院的食品科學與工程專業。表2及圖2為近3年參加金工實習課程的學院及學生來源分布,從圖表可以看出,近3年來每年的實訓人數相對穩定。

表2 近3年參加金工實習學生人數

圖2 近3年參加金工實習學生來源分布

工程訓練中心開始的選修課針對全校所有專業的學生開放,從表3和圖3可以看出,有18個學院中的學生參加了工程訓練實踐教學課程,近幾年的選修人數呈增長趨勢,特別是2016—2017學年呈明顯增長態勢,說明學生對工程訓練中心開設的實踐性選修課程很感興趣,尤其是文科學生,如文學院、教育科學與技術學院、蒙古語言文化學院、維吾爾語言文化學院的學生,選課人數明顯高于其他學院。

表3 近3年選修工程訓練學生人數

圖3 2016—2017學年選修工程訓練各學院學生來源分布

參加實訓的學生須完成一件作品,作品的設計根據個人的喜好進行選擇,可以選擇自己喜愛的圖片或照片為對象,完成浮雕作品的設計制作,并在數控雕刻機床上加工出來。學生自己設計加工的作品自己保管,作為留念,因此學生的積極性很高。產品從選題、設計到實體加工都由學生自己完成,學生之間可以互幫互助,教師在過程中答疑解惑,幫助學生完成作品的設計制造。

浮雕產品的觀賞性較強,這很大程度上提高了學生學習的興趣,充分調動了學生的積極性。在作品設計過程中,學生發揮了自己的想象力,激發了求知欲,培養了學生的創新意識和實踐能力,并且通過實踐過程培養了學生的合作團隊精神,效果很好。學生部分作品見圖4。

3 結語

實踐證明,數控雕刻實訓項目在工程訓練中的應用與實踐,有效地提高了學生的學習興趣。參加實訓的學生積極主動地參與浮雕作品的設計及機床的操作,在興趣的驅動下,學生主動獲取數控雕刻方面的知識,設計圖形、制定加工方案,最終加工出浮雕作品。

圖4 學生部分作品

數控雕刻在實踐教學過程中以學生為中心,以教師為輔,以興趣為驅動,通過興趣推動學生學習實踐,取得了良好的教學效果。

參考文獻(References)

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