淺談三位一體模式在數控加工編程課程中的應用

程志青 范君艷 朱玉蓉

（上海師范大學天華學院 上海 201815）

傳統本科院校在數控機床類課程的教學中，由于各方面條件的限制，對數控編程及加工技術只是作為一個章節，對學生的實踐環節要求不高，學生對編程理論及編程方法的理解也不夠深刻，嚴重制約了學生創新思維和動手能力的提高，極大地影響了教學質量與教學效果。我院以應用型本科學生動手能力的培養為目標，積極改變傳統的教育模式，注重理論與實踐相結合，試圖探索一種適合機械設計制造及其自動化專業數控方向應用型本科教學行之有效的方法，旨在培養時代發展要求的創新型人才。

數控加工編程這門課程正是數控方向學生理論與實踐相結合的典范，也是我院機械設計制造及其自動化專業的一門專業主干課程。教學的目的是使學生在了解數控加工技術基本概念的基礎上，掌握數控車、銑、加工中心及線切割機床的編程和操作方法，培養學生數控刀具的選擇和數控工藝分析的能力，為后續數控系統原理及應用的學習打下良好的基礎。

互動式理論教學方式

互動式理論教學法在教學過程中應以師生之間的互相尊重為基本前提，以教學過程中的溝通交流為基本特征，以發現和解決問題為教學載體，最終達到激活學生的問題意識，在相互啟發中消除疑惑的目的。

互動式理論教學方式的實施步驟為：課前預習——拋出問題——引導式回答——引出式講授——間歇式發問——討論式作答——總結陳述——課堂小結。下面以講授“數控立式加工中心鉆鏜循環”為例，進行分析。

首先，在課前預習的基礎上，拋出問題并作引導式回答。在已經對加工直線快速進給指令G00和工作進給指令G01熟知的前提下，拋出所示圖形（如圖1所示），加工圖中所示的1號、2號和3號孔。之后，可以引導學生根據圖中所示數字的順序思考作答。

得出孔系的加工路徑如下：1（G00定位1號孔）——2（G00下刀到安全高度）——3（G01切削加工）——4（加工完成，G00退回）——5（G00抬刀到2號孔安全高度）——6（G00定位2號孔）——7（G01）——8（加工完成，G00退回）——9（G00定位3號孔）——10（G00）——11（G01）——12（G04暫停，光整加工）——13（加工完成，G00退回）——14（G00返回初始點）。根據這樣的路徑，學生就可以按照比較清晰的思路用G00和G01指令不斷地切換達到加工目的。但是，這樣的加工方法對于數控系統來說讀取時間較長，加工緩慢，而且程序冗長，與數控程序簡單、明了的目的相悖。

圖1 孔系加工路徑圖

其次，引出式講授穿插間歇發問。提醒學生回憶以往的學習內容：參照數控臥式車床編程的一種方法——固定循環指令——是不是有一種指令可以將幾個程序段合而為一呢？如果可以，怎么合？哪些路徑可以合起來？引發學生之間的討論，進而對鉆鏜固定循環指令展開詳盡的講解。

再次，討論式作答并作總結陳述。以提問的方式請學生對剛剛講述的指令對號入座：采用簡單鉆孔循環指令加工1號孔，采用深孔往復排屑鉆孔循環指令加工2號孔，采用孔底有暫停的鉆孔循環指令加工3號孔。得出的最終加工路徑：1（定位1號孔）——2——3——4（用一個指令G81完成）——5——6（定位2號孔）——7——8（用一個指令G73完成）——9（定位3號孔）——10——11——12——13（用一個指令G82完成）——14（返回），使原來要用14個程序段完成的指令用5個程序段完成，大大簡化了編程。

之后還可以對本節內容進行總結陳述。這樣，學生可以很容易地理解并掌握概念，同時也可以體會到同一個表面的加工可以通過不同的方式得到，但是考慮到現代加工的經濟性問題，則必須選擇一種最方便快速的方式。

目標式課后實驗

每一種類型的機床編程方法講述結束之后，都會安排3個課時的機床實驗環節，讓學生有針對性地對課堂所學的編程方法作更進一步的理解和掌握。仍然以圖1所示的零件為例來簡要說明實驗過程。

在實驗時，先將學生分成3～4人一組，每組學生拿到的只是一個長方體的毛坯零件。學生拿到毛坯件之后，可以分工合作。首先，分析零件圖紙，看清設計基準、技術要求、精度要求等內容，觀察加工對象的類型，選擇合適的機床及刀具材料與類型。同時，也要對拿到的零件毛坯的工藝性做簡單分析，確定毛坯余量是否充分及均勻，毛坯件如何定位裝夾等。

其次，要對零件做更詳盡的工藝分析。分析的內容包括工序的劃分，工步的安排，走刀路線的確定，切削參數（切削深度/寬度、切削速度Vc、進給量f）的選擇等。需將這些內容細化之后填寫數控加工的刀具卡和數控加工工序卡。

再次，在編程之前還需進行數值計算。主要根據每個工步的加工路線確定基點及坐標值，在圖樣上畫出走刀路線。然后就可以根據事先安排好的加工路線加入刀補之后進行加工。因為實驗的機床都具有刀具補償功能，此時，可以根據零件輪廓進行編程。

最后，將以上所有準備工作完成之后，就可以安裝毛坯，保證毛坯的安裝精度；安裝刀具，進行對刀操作；輸入所有的程序及刀補參數，對車床試運行加工。在粗加工時或空走刀時，盡量選擇大的切削用量和加工速度；精加工時，則選擇較高的主軸轉速和較低的進給速度，以保證加工精度。

經過一個零件完整的編程實踐，可以讓學生深刻地體會到編程不僅僅包括程序編制，編程之前的工藝分析也是必不可少的重要環節。通過本課程的學習與實踐，不僅加深了學生對課程本身的認識，同時也強化了與機械制造技術基礎課程的聯系，為后續的專業課程設計奠定了實踐基礎。

拓展式實習實訓

正常的教學環節結束后，還會安排為期4周的CAD/CAM實訓，內容包括兩周的CAD/CAM軟件實訓和兩周的加工實訓。兩周的軟件實訓主要運用UG進行三維造型設計，通過UG軟件的CAM功能，按照圖2所示流程完成圖紙的仿真模擬，可以根據模擬結果修改加工參數。兩周的加工實訓則是對實驗的補充，可以滿足每名學生都能上機操作的要求。同時，進行宇龍仿真軟件的實訓，將數控車、銑、加工中心等機床的實際加工操作，以虛擬的方式展現出來，使學生真正實現仿真與實操的結合，能更加深刻地理解先進制造技術的概念。另外，課余時間，我院還鼓勵學生參加數控中級、高級培訓，為學生的就業添磚加瓦。目前，我院機械系2010、2011兩級學生已完成了數控中級工的培訓和考核，部分學生已順利拿到了數控中級工證書。

圖2 CAD/CAM數控編程流程圖

結語

教學、實驗、實訓三位為一體的人才培養模式，可以構成一個相互交叉、相互融合、相互滲透的有機整體，有效提高了學生的學習興趣，學生愿意主動去操作、去練習。輔助的考級考證培訓也大大提高了學生對數控機床操作的積極性，為應用型本科人才的培養做出了很好的實踐。由于此類課程的專業性，講述內容相對枯燥，需要我們在教學過程中不斷搜集相關的多媒體教學資源，使學生更形象地接受所學內容。另外，在有條件的情況下，不應該只重視編程能力的培養，在對內容熟練掌握的前提下，應自行設計伺服系統，并在普通機床上進行數控化改造。

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