桌面式PPCNC在《CAD/CAM》教学实践中的应用

[摘 要] 随着数字化技术的迅速发展及其与制造业的紧密融合，CAD/CAM技术已成为机械工程师不可或缺的一项专业技能。很多工科院校已将《CAD/CAM》课程纳入本科教学的专业主干课群中。在课堂教学中引入桌面式PPCNC，实时展示数控加工过程，并建设开放式CAD/CAM技术平台和组建CAD/CAM技术实践小组，对凸显CAD/CAM技术的实践性、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都是有益的探索和尝试。

[关键词] 机械工程； CAD/CAM； PPCNC；实践能力； 开放式平台

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1671-6639（2013）02-0076-04

一、PPCNC的引入

随着数字化技术对制造业生产模式及产品生命周期的影响日益显著，计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing， CAD/CAM） 技术已成为机械工程师不可或缺的一项专业技能。CAD/CAM的基本理论和应用技术可为学生在日后的工作实践中不断自我学习、拓展创新夯实基础，因此该课程已成为各工科院校机械类、信息类以及电子技术类专业学生的一门专业基础主干课程。本课程是一门实践性及综合性很强的交叉性课程，要求学生能够运用计算机三维建模方法和计算机辅助数控加工技术进行产品设计、建模、仿真及加工。但笔者在对国内外大学CAD/CAM课程教学进行的调研中发现，由于工业通用数控机床具有价格昂贵、维护费用高、对实操人员专业技能要求高等特点，使得许多高校在教学中都存在数控设备匮乏与CAM技术的实践要求之间的矛盾 [1][2][3]。尽管笔者在CAD/CAM课程的教学过程中通过MasterCAM软件的课堂教学和上机实践使学生掌握了计算机辅助数控加工刀位规划及仿真，但是MasterCAM软件所构建的虚拟加工环境终究无法有效解决实际加工中存在的问题。

工艺设计是一项经验性很强、影响因素很多的决策过程，工艺参数的设定为自动数控编程模块提供必需的工装及切削参数，直接决定生成的刀位轨迹是否合理可行。由于学生缺乏数控机床的实际操作经验，工艺知识的缺乏成为他们规划加工刀具路径时的技术瓶颈。学生往往只能照着示例所给出的工艺参数参考值进行设定，“知其然，不知其所以然”。因此，对于加工工艺的弱化是CAD/CAM教学中存在的一个现实问题。

尽管MasterCAM提供给用户的模拟加工功能可以使学生直观地看到零件的整个加工过程，但是这种仿真仅仅是几何仿真，而并非物理仿真，对于实际工况的切削力、加工表面质量甚至过切和干涉等问题无法表征。学生对于G代码控制数控机床的运动过程也无法深入了解，更无从学习对于数控机床的实操技能。可以说，仅仅停留在加工模拟仿真，不能真正体现出CAD/CAM的实践性，正是目前CAD/CAM课程教学的一个薄弱环节。

PPCNC （Personal Portable CNC） 即个人便携式数控机床，是一种专门用于教学、科研用途的教学设备，如图1所示[4]。PPCNC体积小巧，与HP小型激光打印机相仿，可放置于教学课桌上，供学习使用，故本文称之为桌面式PPCNC。PPCNC的控制软件可读取MasterCAM软件生成的G代码，该设备可通过USB接口与安装在操控电脑上的控制软件进行通讯，获得操作指令，执行相应的动作和运动，完成加工。

PPCNC运动部件小，具有防护罩，安全性好，不易伤及操作人员，且其运动惯性小，设备不易损坏，为消除高校数控加工教学实践中长期困扰教师的人员安全和机床安全问题，提供了良好的解决方案。PPCNC在正常使用状态下不用特别维护，平均耗电30W，每个加工实例可在50×50×10mm的塑料（或代木）上完成（材料费用仅0.5元），日常的教学经费完全可以承担。

笔者将桌面式PPCNC引入到CAD/CAM的课程教学中，旨在使学生获得数控加工的直观体验，深化学生对CAM的认识。更重要的是，激发学生的自主创新，使他们能够利用数控加工技术和设备将设计模型转变成产品原型实物。

图1 桌面式PPCNC与操控电脑示意图

二、 应用实践

（一）PPCNC在课堂教学中的应用

经过笔者前期的教改实践，学生已能较为熟练地利用MasterCAM软件（CAD/CAM集成系统）进行零件设计并且规划数控加工刀位文件[5]。在其基础上，笔者选择了造型较为复杂的洗洁净瓶凸模（按1：4缩小后的模型）作为教学实例，贯穿整个零件建模、设计、工艺参数制定以及加工等环节。洗洁净瓶凸模三维曲面造型如图2所示[6]。PPCNC的工作行程X×Y×Z=66×40×66mm选取毛坯件材料为代木，尺寸是45×40×10mm。设定的加工路线为曲面挖槽粗加工、曲面等高外形区域粗加工、浅平面精加工、平行精加工，顺铣。

MasterCAM数控铣削自动编程模块所需的工艺参数主要包括刀具类型的选择、刀具参数的设定和加工参数的设定（如加工余量、安全高度、下刀位置、下刀方式、下刀速率、提刀速率、切削方式、切削量、主轴转向、主轴转速及进给率等）。在进行刀位路径规划时，要对这些参数进行合理设置，否则可能产生无效刀路或错误刀路。

以曲面挖槽粗加工为例：在曲面挖槽粗加工的加工参数设定中，为高效去除大部分毛坯材料，应选择直径较大的刀具进行切削（鉴于加工零件尺寸较小，为减少后续加工中换刀次数，这里选择3mm的平底刀）。Z轴切削深度为0.8mm。安全高度为50 mm（指刀具加工最开始或加工切削完成后，设定的一个离开工作表面的Z轴安全位置），参考高度为25mm（完成一次铣削或避让岛屿时刀具回升的高度），进给下刀位置为5mm（该选项表示刀具从安全高度以G00方式快速移到的位置，从此位置开始G01的方式下刀），精加工余量为0.2mm。主轴转速2200r/min，进给率400mm/min，进刀速率100mm/min，提刀速率400mm/min。

在MasterCAM软件中分别初步观察粗、精加工刀路轨迹模拟之后，将生成的G代码读入PPCNC的控制软件，准备数控加工。加工后的洗洁净瓶凸模实物模型如图3所示。由于数控加工是耗时且不能间断的，所以需要教师协调课时，学生可分组进行观察。为了使学生明确设置的工艺参数对于刀具路径的影响，在实时加工时，对PPCNC的控制软件以及加工过程进行讲解。通过向学生实时展示数控加工过程，使学生获得数控加工过程（G代码控制数控机床的运动过程）的直观体验；同时强调加工工艺拟定在产品制造中的重要作用和数字化技术在产品设计、建模以及数控加工等方面的强大功能。

图2 洗洁净瓶凸模三维曲面造型

图3 洗洁净瓶凸模模型加工实例

（二）开放式CAD/CAM技术平台

由于课时有限且PPCNC设备有限，不能在规定课时内给每个学生提供实践学时用以操作PPCNC，为此，笔者建设了开放式CAD/CAM技术平台，将学院现有的三台PPCNC对学生开放，如图4所示。要求学生3-5人分为一组，在课时内完成产品的自行设计并生成用于数控加工的G代码。由于PPCNC具有省电、节能、易维护且易操作等特点，学生可以利用课余时间，以自主加工为主，教师指导为辅，在实验室利用PPCNC完成对产品的加工。在CAD/CAM技术实践小组进行开放型实验的过程中，注意引导学生丰富理论知识，增强实践技能，培养学生团队合作精神及严谨认真的实验态度，引起学生探究的兴趣，形成感悟、理解、研究、发展的创造性自主学习的良性循环。

图4 开放式CAD/CAM技术平台

三、 效果及评价

引入PPCNC之前，在CAD/CAM课程的教学当中，由于CAD/CAM集成系统具有强大的CAD功能，学生能直观评价所构建的产品模型，故普遍对CAD部分比较感兴趣。而对于CAM部分（教学主要涉及刀位轨迹规划及自动生成G代码），学生主要利用CAD/CAM软件的几何仿真功能观察刀位轨迹，而关于G代码如何通过控制软件传输到数控机床中并用以控制机床的运动，学生仅作理论学习。这样，CAM教学与实际数控加工过程的脱节使学生对这部分内容的了解并不深入，且缺乏学习热情。笔者将桌面式PPCNC引入到课堂教学后，最大程度地将CAM技术的基础理论和操作实践结合起来，通过加工实例使学生对于CAM的整个流程有了全面的了解，激发了学生自行设计并加工的主动性。反馈调查表明，90%的学生基本掌握了CAM技术的关键点。

引入PPCNC之前，由于学生缺乏数控机床的实际操作经验，往往只能照着示例所给出的工艺参数参考值进行设定，对这些工艺参数的含义并没有清晰的认识。通过引入PPCNC，结合实时数控加工过程，对需要设定的工艺参数（包括刀具参数和加工参数）进行讲解，使学生明确其对加工过程的影响；同时提出实际加工中经常遇到的工艺问题，引起学生对于加工工艺以及实操技能的重视。反馈调查表明，95%的学生认识到了加工工艺的制定在产品制造中的重要作用。

通过引入PPCNC，拉近了学生和先进制造技术（数字化加工技术）的距离，增强了学生的学习积极性，同时开放式CAD/CAM技术平台也为他们提供了一个能够发挥自己创新能力的平台，反馈调查表明，82%的学生认为CAD/CAM技术平台对他们掌握CAD/CAM技术非常有益。

四、结论

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，大学生是我国机械制造行业振兴的生力军。为加强《CAD/CAM》课程教学的实践性，提高学生的实践能力和创新精神，笔者将桌面式PPCNC引入到课堂教学中，向学生展示实时数控加工过程，活化书本上对于CAD/CAM技能的讲解，提高了学生对于CAD/CAM技能的认知水平，在有限的硬件资源条件下，给学生提供了更多的实操机会。建设开放式CAD/CAM技术平台并组建CAD/CAM技术实践小组，使学生在实践过程中进一步提高了学习兴趣，激发了学生的自主能动性和创新思维。

[参考文献]

[1]于源.国内外大学计算机辅助设计与制造课程教学模式的比较与分析[A].2007机械类课程论坛会议文集[C].北京：高等教育出版社， 2007.p442～445.

[2]王英惠.基于CAXA软件的《CAD/CAM概论》课程实验教学改革实践[J].九江学院学报（自然科学版），2006（4）：p126～127.

[3]于源，张连凯.对高校机械工程专业教学资源共享的思考[A].2010机械类课程论坛会议文集[C].北京：高等教育出版社， 2010.p419～422.

[4]王华权，王钊.个人便携式数控机床的研制与及其在教学中的应用[J].中国现代教育装备，2012（11）：p4～6.

[5]于源，雷文.《CAD/CAM》课程的教学改革实践与探索[J].北京化工大学学报（社会科学版），2009（4）：p83～85.

[6]何满才.数控编程与加工MasterCAM实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2004.p4.