基于計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用型本科數(shù)控技術(shù)教學(xué)研究

張棟梁　徐曉華

【摘 要】從應(yīng)用型本科數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)的師資投入、教學(xué)安全、教學(xué)效果、教學(xué)效率和數(shù)控工藝體現(xiàn)五個方面，綜合分析傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)教學(xué)模式和基于計算機仿真技術(shù)的數(shù)控教學(xué)模式的優(yōu)缺點。結(jié)合實際教學(xué)，提出基礎(chǔ)理論知識以計算機仿真模擬教學(xué)為主、數(shù)控工藝部分以傳統(tǒng)機床實際操作為主的教學(xué)模式，從而滿足應(yīng)用型本科數(shù)控技術(shù)教學(xué)的要求。

【關(guān)鍵詞】計算機仿真技術(shù) 應(yīng)用型本科 數(shù)控仿真系統(tǒng) 數(shù)控技術(shù)

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0077-02

應(yīng)用型人才主要是在一定的理論規(guī)范指導(dǎo)下，從事非學(xué)術(shù)研究性工作，其任務(wù)是將抽象的理論符號轉(zhuǎn)換成具體操作構(gòu)思或產(chǎn)品構(gòu)型，將知識應(yīng)用于實踐。也就是說，應(yīng)用型本科的教育是保證培養(yǎng)的人才具有一定的理論知識，主要是能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用于實踐。應(yīng)用型人才的核心是“用”，本質(zhì)是學(xué)以致用，“用”的基礎(chǔ)是掌握知識與能力，“用”的對象是社會實踐，“用”的目的是滿足社會需求，推動社會進步。

數(shù)控技術(shù)類課程是應(yīng)用型本科機械設(shè)計制造及其自動化、機電一體化專業(yè)、數(shù)控技術(shù)專業(yè)的主干課程，在數(shù)控技術(shù)類課程的教學(xué)過程中一般采用理論和實際結(jié)合的方式進行。理論部分主要講解數(shù)控加工工藝、數(shù)控加工刀具、數(shù)控編程基礎(chǔ)等；實際操作部分主要是結(jié)合理論知識進行實際機床的操作和典型零件的加工。傳統(tǒng)的理論部分教學(xué)主要通過教師PPT演示，在演示過程中插入文字、動畫、圖片對理論知識進行講解，傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)教學(xué)主要通過老師帶領(lǐng)學(xué)生到實訓(xùn)車間，通過具體演示零件的加工來完成。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控仿真技術(shù)逐漸融入到數(shù)控技術(shù)的教學(xué)和應(yīng)用中，成為數(shù)控技術(shù)教學(xué)的重要輔助手段。根據(jù)桂林航天工業(yè)學(xué)院在實際教學(xué)過程中傳統(tǒng)教學(xué)方式方法和數(shù)控仿真技術(shù)輔助教學(xué)的實際情況做如下分析總結(jié)。

一、師資投入

桂林航天工業(yè)學(xué)院現(xiàn)有機械類學(xué)生中學(xué)習(xí)數(shù)控類課程的約2000人，相關(guān)教師18人，按照教學(xué)計劃的安排，每周約有700名學(xué)生參加288學(xué)時的數(shù)控理論和實踐教學(xué)活動，平均到每位相關(guān)教師約每周16學(xué)時的教學(xué)，參加每位教師課程的學(xué)習(xí)人數(shù)約40人。在教師每周8學(xué)時理論部分教學(xué)中，采用40名學(xué)生的課堂教學(xué)，按照傳統(tǒng)的PPT課件插入文字、動畫、圖片進行演示性教學(xué)幾乎沒有實際的困難，但教學(xué)效果往往欠佳；但每周約8學(xué)時實踐教學(xué)，按照傳統(tǒng)模式進行就比較困難，每2～4位同學(xué)一臺機床，1位教師進行指導(dǎo)幾乎無法實現(xiàn)；一次課兩個學(xué)時90分鐘，實際操作前利用1～2臺數(shù)控機床講解約20分鐘，約40個學(xué)生圍在周圍觀看，很多學(xué)生會無法看清楚，而且剩下的時間每臺機床分配不到2分鐘時間，難度和效果可想而知。同時，由于機床的生產(chǎn)廠家和型號非常多，如果只是針對某種機床或者某些型號進行講解，很難讓學(xué)生適應(yīng)實際企業(yè)生產(chǎn)中眾多的機床廠家和機床型號。即使是桂林航天工業(yè)學(xué)院這樣的全國性質(zhì)的數(shù)控實訓(xùn)中心，雖然各種機床有60臺，總價值達到3000多萬元，仍然只能選擇非常有限的幾個廠家和型號的機床?？傮w上來講，受到場地、經(jīng)濟的制約，不可能讓學(xué)生全面地操作實際生產(chǎn)中眾多廠家、型號、操作系統(tǒng)的機床。

如果采用計算機仿真技術(shù)進行教學(xué)，在理論部分和實踐部分可以完全相結(jié)合，并且由于采用虛擬仿真方式，可以調(diào)用任何廠家、型號和操作系統(tǒng)的機床，讓學(xué)生在結(jié)合理論知識編程的過程中，輸入不同的數(shù)控機床，體驗和理解由于數(shù)控機床的不同引起的編程格式、編程代碼的差異，以適應(yīng)實際生產(chǎn)過程中的型號、廠家和數(shù)控系統(tǒng)的差異，充分達到應(yīng)用型本科主要實際操作應(yīng)用的能力。例如在桂林航天工業(yè)學(xué)院教學(xué)中使用的南京斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)，開機時的數(shù)控系統(tǒng)選擇界面包括了FAUNC、SINUMERIK、EZmotion、華中數(shù)控、北京凱恩帝、大連大森、南京華興等70種；同時在選擇FANUC 0i-M操作系統(tǒng)后，可以選擇的機床操作面板包括漢川機床、南通機床、南京二機、濟南機床、友嘉機床、托普機床、Duoleng、北京機床、大連機床、南京邁順、縱橫國際、南京東恒杰必克、臺中精機、沈陽機床、韓國Doosan、巴西Romi、韓國WIA等28家中外機床廠家的操作面板。以不同的操作系統(tǒng)選擇不同機床企業(yè)的操作面板，可供選用的機床幾乎覆蓋整個加工行業(yè)所使用的各種數(shù)控機床。

二、教學(xué)安全

對于教學(xué)安全主要是針對實踐操作部分，機床作為機械結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)事故，輕則機器損壞，重則出現(xiàn)傷亡事件，這樣的事件已經(jīng)給了我們血的教訓(xùn)。例如，某高校機械專業(yè)學(xué)生在企業(yè)實習(xí)期間由于操作失誤，直接導(dǎo)致手臂被機械結(jié)構(gòu)嚴重損傷，最終不得不截肢。如何避免機械事故發(fā)生是學(xué)生在實踐操作部分最需要注意的問題，因此很多學(xué)校非常強調(diào)安全問題。

傳統(tǒng)教學(xué)中，由于學(xué)生在上機床實際操作之前并沒有對機床的運動情況有很清楚的了解，很容易導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此很多院校在進行數(shù)控實訓(xùn)操作的時候，多是恐懼危險的發(fā)生而走走形式，真正實際進行操作，并能夠加工出零件的比較少，除非是學(xué)校為了讓學(xué)生參加比賽而培訓(xùn)數(shù)量比較少的學(xué)生，難以達到教學(xué)計劃中關(guān)于實踐教學(xué)部分的實際要求。而采用計算機仿真技術(shù)的數(shù)控教學(xué)，可以在實際操作之前充分了解數(shù)控機床面板的操作和數(shù)控機床的運動運行規(guī)律，某種意義上說就是真正的數(shù)控機床操作的演習(xí)，為實習(xí)實訓(xùn)部分做好充分的準備工作，即使在仿真中出現(xiàn)操作錯誤或者操作失誤，既不會導(dǎo)致機床的損壞，更不會導(dǎo)致人員的傷亡。

三、教學(xué)效果和效率

數(shù)控程序編寫是數(shù)控類課程的主要教學(xué)內(nèi)容之一，如何正確地編寫數(shù)控程序也是數(shù)控類課程的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)課堂上，教師主要利用PPT課間插入動畫、圖片、文字等內(nèi)容進行講解，雖然利用了一些多媒體資源，但是并沒有充分發(fā)揮多媒體最大的功用。在講解過程中往往比較枯燥乏味，難以更加形象具體地表述數(shù)控代碼控制刀具、機床主軸的運動情況。特別是對于一些比較復(fù)雜的循環(huán)指令只是通過這樣的講解方式往往很難準確地表達。雖然目前有些教師可以采用一些三維軟件、動畫軟件制作一些比較詳細的動畫，但是這種動畫往往就是固定設(shè)置好的動作，缺乏參數(shù)的變化，不能通過修改參數(shù)來觀察刀具運動的變化。

目前大多數(shù)計算機數(shù)控仿真數(shù)控系統(tǒng)都是模擬實際的數(shù)控機床操作，幾乎完全和實際的數(shù)控機床操作相同。教師在授課過程中可以編寫實際的數(shù)控程序，再輸入到數(shù)控仿真系統(tǒng)中進行驗證，在驗證的過程中，可以隨時改變數(shù)控程序中的參數(shù)，來講解數(shù)控指令中參數(shù)控制刀具的運動規(guī)律，也可以改變數(shù)控程序中的程序指令，來講解不同指令刀具的運行軌跡；這樣就可以更加清楚形象地講解數(shù)控編程中的各種程序指令和指令中各個參數(shù)的含義。在斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)模擬加工零件過程中，在操作界面的左側(cè)顯示編寫的數(shù)控程序，仿真操作過程中根據(jù)刀具的運行軌跡，自動跳轉(zhuǎn)相應(yīng)的程序段，幫助學(xué)生理解程序中控制對象的運行情況，并且利用不同的顏色來展示不同刀具的運動軌跡，在直觀地展示運動軌跡的同時也可以隨時更改數(shù)控程序或程序中的參數(shù)來獲取不同的軌跡。

四、數(shù)控工藝部分體現(xiàn)

在實際的加工過程中，數(shù)控工藝主要體現(xiàn)在刀具、裝夾、進給量、主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量、加工工序等。由于這部分內(nèi)容比較抽象，需要根據(jù)實際加工的材料、技術(shù)要求、零件現(xiàn)狀等具體情況進行講解。傳統(tǒng)授課方式只是通過語言的描述、圖片的展示來完成內(nèi)容的講解，學(xué)生很難理解。

在采用數(shù)控仿真系統(tǒng)進行教學(xué)過程中，可以根據(jù)加工零件結(jié)構(gòu)的不同，按照工序要求講解各種刀具的結(jié)構(gòu)、刀具的尺寸參數(shù)；并且?guī)缀醪皇苋魏蜗拗?，在斯沃?shù)控仿真系統(tǒng)的數(shù)控車刀包括了14種車刀刀桿、各種形狀的刀刃，并可以根據(jù)加工需求輸入刀桿、刀刃的參數(shù)和材料，也可以根據(jù)實際機床的結(jié)構(gòu)選擇四方刀架、八方刀架、十六方刀架，或者選擇前置刀架和后置刀架，滿足數(shù)控車床在加工各種零件的需求；在數(shù)控加工中心包括15種各種類型的刀具，同樣可以根據(jù)需求輸入刀桿、刀刃的參數(shù)和材料，選擇各種形式的刀庫，滿足數(shù)控銑削和加工中心加工各類零件的需求。

同時也可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征選擇適合的裝夾方式，也可以設(shè)計自己的專用夾具以滿足不同工藝裝夾的需求，使學(xué)生可以根據(jù)裝夾的情況，正確理解程序編寫過程中避開裝夾，防止車削或者銑削到夾具的零件，滿足工藝講解過程中關(guān)于工件裝夾的要求。斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)為數(shù)控銑床和加工中心工件提供了三種可選擇的裝夾方式，包括直接裝夾、工藝板裝夾和平口鉗裝夾，以滿足不同零件加工關(guān)于裝夾的要求，數(shù)控車床根據(jù)板料或管料的需求提供外圓裝夾方式和內(nèi)孔裝夾方式，以滿足車削零件加工的需求。

綜上所述，利用數(shù)控仿真系統(tǒng)于應(yīng)用型本科的數(shù)控技術(shù)類課程的教學(xué)中可以適應(yīng)不同專業(yè)方向關(guān)于數(shù)控知識技能的學(xué)習(xí)，在減少師資投入的情況下學(xué)生可以盡可能多地了解和模擬操作時間生產(chǎn)中眾多廠家、型號和操作系統(tǒng)的機床，以適應(yīng)未來走向工作崗位進行數(shù)控編程或者操作機床的需求；同時從教師實際教學(xué)的角度，在理論教學(xué)方面，可以結(jié)合數(shù)控仿真軟件，實時地通過仿真操作來幫助學(xué)生理解數(shù)控編程和數(shù)控工藝的基本知識，同時也可以模擬不同機床的實際操作，大大減少事故率，保證教學(xué)過程以及學(xué)生參加工作后實際操作機床的危險。經(jīng)過桂林航天工業(yè)學(xué)院多名教師近年來采用傳統(tǒng)教學(xué)方式和計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的方式進行教學(xué)證明，學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控技能的時候，一方面學(xué)習(xí)興趣大大提高，學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)的激情比簡單枯燥的傳統(tǒng)課堂教學(xué)具有明顯的差異，另一個方面學(xué)生學(xué)習(xí)的效果也明顯提升，實際掌握數(shù)控知識和數(shù)控操作的能力明顯提高。

【參考文獻】

[1]潘懋元，石慧霞.應(yīng)用型人才培養(yǎng)的歷史探源[J].江蘇高教，2009（1）

[2]吳中江，黃成亮.應(yīng)用型人才內(nèi)涵及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)[J].高等工程教育研究，2015（2）

[3]鄧遵義，李攀峰.數(shù)控仿真軟件在數(shù)控教學(xué)中的淺析[J].中國電力教育，2010（6）

[4]潘應(yīng)輝.數(shù)控仿真軟件教學(xué)應(yīng)用探討[J].武夷學(xué)院學(xué)報，2011（2）

[5]于久清.數(shù)控車床/加工中心編程方法、技巧與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014

【作者簡介】張棟梁（1979- ），男，湖北棗陽人，桂林航天工業(yè)學(xué)院機械工程系講師，研究方向：現(xiàn)代設(shè)計方法；徐曉華（1981- ），女，四川射洪人，桂林航天工業(yè)學(xué)院機械工程系講師，研究方向：材料加工工程。

（責(zé)編 吳 筱）