基于數控雕銑機研制過程的項目式教學探索與實踐

陳嘉南 范 劍 李 軍 王正初 潘 林 龐子柯 王鐳鈞 萬宏偉

臺州學院 浙江臺州 310018

自制教學儀器設備應用于課程教學的做法近年在高校課程實驗教學中備受重視且已得到廣泛推廣，其成效已經顯現。孟書云等[1]研制了一套數控仿真實驗平臺應用于數控原理與系統等相關課程的實踐教學；有些自制教具[2,3]以典型產品為載體進行了工學結合的教學模式改革，培養學生創新能力；王華權等[4]研制了便攜式數控機床用于數控加工教學及培訓。這些措施有效激發了學生的學習興趣，提升了學習效果。同時筆者也注意到，類似的基于自制教具的教學絕大部分還只側重或面向某些單一課程，有的甚至只立足于某些局部知識點的應用。筆者認為，既然教具是自主研制開發的，特別是針對機械專業而言，完全可以把工業級產品作為教具的開發對象，將其研制開發過程與學生的專業學習過程結合起來，著眼于產品從設計、制造等過程所蘊含的理論原理和技術要素，梳理出多門相關課程的知識點和技能點與之充分對接，使學做相融，讓學生更系統、更有機完整地理解專業理論知識的應用，使學生自覺地融合各課程知識和技能解決復雜工程問題，進行產品的開發和工程實踐。以機械專業為例，數控機床就是一類典型的機電一體化產品，數控機床中的小型數控雕銑機非常適合作為機電類專業相關課程的實驗教具。為此，研究設計研制了第一代小型雕銑機作為典型產品教具，基于本教具，將其從結構設計、零件加工制造、裝配以及電氣系統設計、研制、軟件開發、聯機調試到質量檢測等生產全過程融入相關課程教學，指導學生在使用教具的同時，又在學習專業課程的過程中研制開發新一代的教具。

1 數控雕銑機教具簡介

小型數控雕銑機整機尺寸為300 mm×350 mm×350 mm，加工工作區域為100 mm×150 mm×50 mm，加工精度為0.01 mm，其結構外形如圖1所示。機身Y軸運動工作臺置于底座支架上，X軸運動工作臺橫跨于立柱支承上，Z軸運動工作臺及主軸電機掛載于X軸運動工作臺上。機身支承和聯結部件采用2040鋁型材和電木板制作，機身總重量為8 kg。為便于維護和修配，整機除主軸固定架和機身支承以外的零件均選用標準件；此外，本裝置的開放式本體結構，易于學生觀察機床各機構的運動，也便于學生完成機構的拆裝和調試。

圖1 小型數控雕銑機本體外形

研究基于單片機開發了數控系統的基本功能，如手動操作、自動加工、機床回零、系統參數設置等。其中，手動操作模塊設計有X，Y，Z三軸手輪控制和主軸控制功能；自動加工模塊設計有系統內部程序“單步運行”“自動運行”以及網絡通信傳輸外部程序實現自動加工控制等功能。雕銑機控制器及其主界面如圖2所示。

圖2 數控雕銑機控制器及其主界面

2 基于數控雕銑機研制過程的項目式教學內容開發

研究圍繞小型數控雕銑機教具的設計、制造、電氣研發、調試運行全過程，以系列項目形式重構了機械專業相關課程的教學內容，實施了基于數控雕銑機研發過程的項目式“學做相融”教學模式改革，這一過程分為認知使用、CAD繪圖、結構創新設計、加工制造裝配、硬件電路研制、軟件模塊設計、數控系統開發7個課程群，分散于從本科一年級基礎課到本科三年級專業課程學習的各階段，基于本教具的教學過程如圖3所示。

圖3 基于數控雕銑機的學習實踐過程

2.1 雕銑機的拆裝和使用

針對剛入學的機械專業新生，結合專業導論和基礎實踐類課程，基于(前一代)已開發完成的數控雕刻機教具，開展“數控雕銑機的使用”“數控雕銑機的拆裝及機構認知”以及“控制系統電路板電氣模塊認知和調試”等3個實踐項目。指導學生學會使用數控雕銑機并完成一些卡通動物圖形或文字銘牌的雕刻加工應用，以此激發學生對本裝置的認知興趣。然后通過對數控雕銑機整機的拆裝練習，讓學生了解零件的各種外形結構、零件的材料類型、機構的傳動方式、零件間的聯結和固定方式并初步掌握機構的裝配工藝等；指導學生認識基本的電子元器件、初步掌握各電路模塊的連接和調試方法。

2.2 雕銑機零件的測繪和計算機繪圖

通過對數控雕銑機進行拆裝和應用實踐，學生對各類零件已經有了一定的認識，結合機械制圖課程的教學繼續安排針對數控雕銑機零部件測繪的大作業，讓學生完成數控雕銑機零件圖和裝配圖的繪制；在計算機繪圖課程的教學中，以本教具作為對象，開展“雕銑機零件建模”“雕銑機虛擬裝配”“雕銑機運動仿真分析”以及“雕銑機成套工程圖紙生成”等系列教學項目，在指導學生熟練應用設計軟件的同時，提高學生自覺結合專業知識進行產品造型設計的能力。

2.3 雕銑機結構創新設計

經過前期各階段的學習和使用，學生對雕刻機的結構、功能已經非常熟悉。在接下來的機械設計和相關力學課程的教學中，安排“絲杠傳動反向間隙消隙結構創新設計”“雕銑機結構創新設計”“雕銑機仿真優化設計”等課程討論和大作業實踐，指導學生進一步創新設計雕銑機機械本體并完成工程圖紙繪制。

2.4 雕銑機零件的加工制造及裝配

根據學生自主設計的雕銑機零部件圖紙，結合機械制造工藝、數控加工技術等課程實踐教學，指導學生完成零件選材、編制加工工藝、使用數控機床等設備加工雕銑機的全部非標零件，繼而組裝形成新一代雕銑機機械本體。需要注意的是，加工和裝配過程中會隨時暴露學生在結構設計方面的缺陷，從而有效地促使學生進一步改進和優化其結構設計，讓學生能自覺、系統地把產品設計與加工制造有機結合起來。

2.5 雕銑機控制系統電路設計及制作

數控雕銑機數控控制系統包含電路設計、制作以及控制系統軟件開發等內容。在電子電氣類課程的教學中，開展“步進電機驅動器開發”“主軸電機控制器開發”以及“主控電路設計”等教學項目，讓學生完成這些電路的PCB制作、元器件焊接和電路板測試等課程實踐。這些學生作品將繼續用于后續軟件類課程的開發和實踐。

2.6 雕銑機控制系統各軟件模塊設計

結合單片機課程教學，以開發數控雕銑機控制系統為目標，在前期各電路硬件開發的基礎上，開展“數控雕銑機主軸電機及其調速控制”“步進電機及其調速控制”“按鍵和液晶顯示人機交互”“手搖脈沖發生器控制步進電機”“限位開關的中斷控制”“步進電機串行通信控制”“存儲器及端口擴展應用”等系列實踐項目，把單片機課程相關基本概念和理論有機地融合成一個系列，在功能遞進的項目設計開發過程中，引導學生在“學中做、做中學”，基于數控雕銑機實施現場教學。

2.7 雕銑機控制系統開發

當學生完成了單片機課程的學習和實踐，在數控原理與系統課程教學中，繼續開展基于數控雕銑機的“平面和空間直線插補及其程序設計”“圓弧插補及其程序設計”“指令的譯碼及其程序設計”“數控系統開發程序架構設計”“串口通信傳輸自動加工控制”等系列開發實踐項目，指導學生逐步設計開發出功能基本完備的新一代數控雕銑機作品。圖4和圖5分別展示了學生開發的數控雕銑機(上位機)網絡控制系統和應用自主開發的系統正在雕銑加工的我校校徽作品。

圖4 學生開發的雕銑機網絡控制系統界面

圖5 學生正在雕銑加工中的作品

3 課程考核與作品管理

為了達到預期教學效果，學院專門建立了一個近200 m2的數控雕銑機開放實訓室，購置了實訓制作所要的基本設備，供學生學習和制作實踐，部分課程的現場教學也在這里展開。同時為了保證學生最終出品的數控雕銑機作品均為“合格品”，我院探索形成了一系列“實干論英雄”的課程考核方法，每門相關課程都有基于本教具的明確的階段性設計內容和性能指標要求，課程考核直接對標檢查學生作品的實際運行效果，合格后方可進入理論答辯環節，在答辯環節逐一考查學生對關鍵知識、技能的掌握情況，考核不合格者返工重做。此舉有力地督促學生平時認真學習實踐，努力高質量地完成每階段的設計、開發任務。在實際執行過程中，因為有明確的任務目標，學生能以團隊形式積極配合，相互促進，共同提高。表1列出了單片機原理及應用課程“手搖脈沖發生器控制步進電機”實踐環節的考核示例。

表1 數控雕銑機研制過程實踐環節考核表

由于數控雕銑機研制的整個過程涉及多門課程和多類不同的實踐環節，為妥善管理學生已完成的各階段作品，我院專門制訂了管理辦法，在實驗室庫房專門開辟一片區域放置學生作品，方便學生在作品柜中按編號存取作品。因為每個作品的零件和模塊都是學生自己動手精心制作的合格作品，加之后續課程的學習都必須基于已完成部分才能繼續，所以學生對作品的自覺管理意識很強。

4 成效與特色

我院在機械電子工程專業實施了基于數控雕銑機研制過程的課程群教學改革實踐，強化了對學生專業核心能力的培養，在實施過程中推行的項目化“學做相融”教學模式深受廣大學生歡迎，學生的專業能力得到切實加強，專業自信心大幅提升。本專業學生參加科研和學科競賽的比例達到90%；結合數控雕銑機的系列項目開發設計，學生已主持開放性實驗7項，申請獲批浙江省新苗計劃項目1項、臺州市大學生科技創新項目1項、校立科研項目6項；近兩年本專業學生參加浙江省機械設計、機器人競賽等學科競賽獲一等獎5項、二等獎15項；已申請實用新型專利8項、發明專利2項。

數控雕銑機教具將絕大部分機械專業課程串聯起來，讓學生清晰、完整地掌握同一產品在機械設計、制造、裝配以及電氣系統設計、軟件開發、聯機調試等開發全過程所涉及的專業知識和技能。當專業的全部課程學完，新一代的數控雕銑機教具會隨專業教學進程自然產出，寓教具的升級開發、生產制造過程于完整的教學過程之中，體現完全“學生自制”的鮮明特點。本教具性能可靠，維護方便，采用直流7.5 V直流安全電壓，電氣安全性好，且價格低廉，可以惠及全體學生，使學生有效地完成一系列專業課程教學和課外學習實踐。本數控雕銑機教具在第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽中獲得二等獎。

5 結語

基于本數控雕銑機教具，我院成功地實施了系列課程的項目化實踐教學改革和探索，有效提高了學生的專業核心能力，提升了學生專業自信心，為理工科專業課程群的建設和專業教具開發提供了一種新的思路。下一步，我院將繼續開發一些具有專業代表性的典型產品作為教具，努力使之更多地涉及并覆蓋其他課程，實現機械專業課程全覆蓋，讓學生得到更全面、綜合性的專業訓練。