桌面式PPCNC在《CAD-CAM》教学实践中应用

1、桌面式ppcnc在cad/cam教学实践中应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

2、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

3、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

4、 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

5、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：4o 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 ppcnco 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

6、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50x50x 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

7、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xxyxz=66x40x66mm选取毛坯件材料为代木， 尺寸是45x40x10mmo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 铳。mastercam数控铳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

8、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 （完成一次铳削或避让岛屿时刀具回升的高度），

9、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. 2mmo主轴转速2200r/min,进给率400mm/min,进刀速率 100mm/min,提刀速率 400mm/mino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

10、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

11、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

12、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

13、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/ca

14、m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. p442445.2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)： p126127.3于源，张连凯对高校机械工