数控设备安装调试及维修实验台教学项目设计与实施

刘树青 汪木兰 宗亚妹

南京工程学院 江苏南京 211167

荀子有这样一句话：不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之。西方社会则流传着一句异曲同工的格言：What I hear, I forget. What I see, I remember, What I do, I understand. 李开复博士在给中国大学生的信中引用了这句格言，他说：我听到的会忘掉，我看到的能记住，我做过的才真正明白！

实践的重要性早已深入人心，无论学习什么专业，什么课程，都必须在学习中努力实践，做到融会贯通。数控设备安装调试及维修技术涉及机械、计算机、电气控制、PLC(可编程控制器)等多方面的知识，同时数控设备的安装调试及维修也是一项注重实践、对实践经验要求很高的技术，只有通过不断实践才能真正掌握。

充分借鉴CDIO工程教育理念，按照能力进阶、系列化、探究式项目教学的思路，针对本科学生设计了综合训练项目—数控设备安装调试及维修实验台开发[1-3]。要求学生能够完成数控调试维修实验设备的方案设计、电气控制系统设计、PLC程序设计，完成实验设备的安装调试，并撰写项目报告。

1 项目提出

数控机床是现代制造业实现自动化、柔性化、集成化，提高制造业产品质量和劳动生产率的物质基础。目前，数控设备维修力量不足是影响数控机床利用率和完好率的主要因素，汽车、模具、装备制造企业急需大量数控机床维修专门人才。一方面，企业不可能将用于生产的数控机床作为维修培训、实验装置；另一方面，一旦机床出现故障又需要维修人员在最短的时间内排除故障，以恢复生产。同时，用于生产的数控机床追求的是其功能完备性、高可靠性，缺乏实验、培训设备所需的开放性、灵活性。因此，开发数控调试维修实验设备对于专业人才培养至关重要[4]。

该项目融合了机床电气与PLC、数控原理与系统、伺服系统、数控机床故障诊断与维修等核心课程所要求的知识和技能，重点突出对数控设备的安装调试及维修能力。通过该项目的综合训练，可以使学生将所学的知识和技能综合运用，提高工程意识和工程能力。

2 项目目标

教学项目的设计必须充分考虑到学生的知识能力和具体情况，才能达到项目的预期目标。该项目旨在通过数控调试维修实验设备的开发，提高学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的工程能力，提高工程设计及综合实践能力。培养认真负责的工作态度、踏实严谨的工作作风及交流合作的团队精神。要求每一个参与者具有主动性与责任感，在项目实施过程中，重视相互间的技术交流与探讨[5-6]。

该项目针对大学本科学生进行，在项目实施之前，学生已经基本掌握了电气制图、机床电气与PLC、数控原理与系统、伺服系统、数控机床故障诊断与维修等课程的基本知识和基本技能，并完成了面向单一课程的实验、实习和课程设计，积累了一定的理论和实践经验。在该项目实施中，教师有目的地引导学生通过亲身实践和实际操作来提高解决实际问题的综合能力，并在工程实践与项目研究过程中学习和领会相应的科学方法，达到项目的预期目标。

3 项目实施

3.1 项目内容

(1) 根据原始数据及设备的功能要求做出整体方案设计；

(2) 设备的机械结构设计；

(3) 电气控制原理图、实验板PCB设计；

(4) PLC控制程序设计及编程；

(5) 设备的安装与调试。

各项内容之间的先后顺序和关系如图1所示。

图1 项目主要内容描述

3.2 项目过程

本项目过程按照CDIO的理念，分为四个步骤，分别完成对数控调试维修实验设备的构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，每个步骤规定不同的任务，按照要求提交相应的成果，具体如图2所示。

图2 项目实施过程

在项目教学过程中，坚持以学生为中心，充分发挥教师的协助作用。既充分发挥学生的主动性和创新精神，让学生根据自身行为的信息来实现自我反馈；同时又重视教师的指导作用，教师是教学过程中的帮助者、促进者，负责整个教学的设计和组织，直接参与学生的讨论。在项目教学过程中，教师需要让学生有多种机会在不同的情景下应用所学习的知识，给学生提供多种学习的资源；积极创造条件引导学生进行小组讨论、交流，让学生在群体中协商解决各种问题，培养团队合作能力，最后，根据学生完成项目的情况来评价学生学习效果。

在项目教学过程中，重视项目的完成，但不能忽略基础知识的掌握。注意吸取传统教学法的长处，把总目标细分成一个个小目标，每个小目标体现在项目中的小模块上，从而让学生建构一个系统的、全面的知识框架。强调了学生学习的主体性，并不能认为教师的任务就减轻了。其实教师的职责不但没有减轻，反而还加重了。因为教师不但要对所教科目融会贯通，随时回答各类学生提出的各种问题，而且还要为学生创设学习的情景、培养协作学习的气氛、审核项目的技术方案选取等[7]。

3.3 项目成果

学生通过项目解决现实问题，实现对知识的掌握，大大提高了学生学习的积极性和主动性，学生的工程素质和实践能力有了很大的提高。

通过项目教学完成的数控调试维修实验设备，还可以用于数控原理与系统、机床电气与PLC、伺服系统、数控机床故障诊断与维修等课程相关的实践教学环节，主要包括以下一些实验项目和内容(不限于此)：

(1)数控机床的结构组成、数控编程和典型零件加工操作；

(2)数控机床电气控制系统主要组成模块及数控功能实现；

(3)数控机床电气控制系统接线安装与联合调试；

(4)数控系统的二次开发及功能实现；

(5)数控系统参数设置及性能指标测试；

(6)数控机床PMC程序设计与调试；

(7)伺服系统调试与参数优化；

(8)数控机床主要功能部件调试；

(9)数控机床的数据备份与恢复；

(10)数控系统通信协议参数设置与调试；

(11)数控机床典型故障诊断与维修案例分析(单因素和多因素)。

除上述现有开发出的实验项目以外，该设备还可以用于数控机床装调维修技能的考核，相关专业学生的课程设计和毕业设计也可以在该设备上实施，在教学、培训、考核过程中发挥重要作用，也为教师以及技术人员进一步研究、开发数控系统的功能提供了试验平台。

图3 项目实施成果展示

4 项目总结

项目开始之初，参与项目的学生感到一片茫然，不知道如何下手。在指导教师的帮助下，经过分析、反复讨论、任务分解，学生逐渐参与到项目中，不仅完成了设计过程，而且在教师指导下，完成了设备的安装和调试。通过项目学习，掌握的不仅仅是理论知识，也不仅仅是特定的专业技能，更重要的是培养了学生的工程意识和工程能力，对所学专业有了更明确的认识，使学生对今后的职业生涯具有更好的规划，也有利于培养良好的学习风气，逐步建立起责任心和专业自豪感。

对于学生来说，要主动培养自己的工程素质是很不容易的，需要克服自身的缺点和弱点，需要有清醒的头脑和克服困难的勇气，也需要很好的团结协作精神；同时，更需要对所学专业有深刻的认识和很好的实践能力[8]。

对于培养学生的主体—教师，也同样需要良好的综合素质，主要体现在以下几个方面：

(1)以教书育人为本，在思想上能对学生进行正确的引导；

(2)精湛的业务能力、广博的知识面和丰富的实践经验，能对学生进行有效的指导；

(3)良好的个人魅力，能与学生进行深入的思想交流，并对其性格产生积极影响；

(4)很强的敬业精神和事业心，是学生学习的榜样。

[1]Wang Mu-lan, Zhou Ming-hu, Feng Shi-xin, Li Jiang-qi.Serial Project Teaching Method in the Excellent Engineer Education of Advanced Manufacturing Technology[C].2011 2nd International Conference on Management Science and Engineering (MSE 2011), Vol(6): 366-372.

[2]宗亚妹,汪木兰.建构主义教学观与系列化项目教学[J].机电产品开发与创新,2010,23(6):168-170.

[3]周明虎,汪木兰,封世新.项目教学法的实施与典型案例分析[J].中国现代教育装备,2010(13):6-8.

[4]刘树青,周明虎.基于FANUC 0i Mate-C系统的数控综合实验平台开发[J].实验科学与技术,2009(5):14-16.

[5]刘树青,汪木兰,王坤.基于项目教学理念构建数控机床故障诊断与维修课程教学体系[J].中国现代教育装备,2010(13):9-11.

[6]陈荷燕,汪木兰,刘树青.项目教学法在机床电气与PLC课程教学中的运用[J].中国现代教育装备,2010(13):12-14.

[7]汪木兰,朱晓春,刘坤.案例教学培养自动化专业学生大工程意识[J].中国现代教育装备,2008(12):165-167.

[8]张倩,李志民,赵宇.本科毕业设计教学中结合科研项目培养学生的科研能力与创新能力[J].西安建筑科技大学学报,2006(2):22-25.