基于計算機仿真技術的應用型本科數控技術教學研究

張棟梁　徐曉華

【摘 要】從應用型本科數控技術課程教學的師資投入、教學安全、教學效果、教學效率和數控工藝體現五個方面，綜合分析傳統數控技術教學模式和基于計算機仿真技術的數控教學模式的優缺點。結合實際教學，提出基礎理論知識以計算機仿真模擬教學為主、數控工藝部分以傳統機床實際操作為主的教學模式，從而滿足應用型本科數控技術教學的要求。

【關鍵詞】計算機仿真技術 應用型本科 數控仿真系統 數控技術

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0077-02

應用型人才主要是在一定的理論規范指導下，從事非學術研究性工作，其任務是將抽象的理論符號轉換成具體操作構思或產品構型，將知識應用于實踐。也就是說，應用型本科的教育是保證培養的人才具有一定的理論知識，主要是能夠將所學習的理論知識應用于實踐。應用型人才的核心是“用”，本質是學以致用，“用”的基礎是掌握知識與能力，“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。

數控技術類課程是應用型本科機械設計制造及其自動化、機電一體化專業、數控技術專業的主干課程，在數控技術類課程的教學過程中一般采用理論和實際結合的方式進行。理論部分主要講解數控加工工藝、數控加工刀具、數控編程基礎等；實際操作部分主要是結合理論知識進行實際機床的操作和典型零件的加工。傳統的理論部分教學主要通過教師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，傳統的實踐環節教學主要通過老師帶領學生到實訓車間，通過具體演示零件的加工來完成。隨著計算機技術的發展，數控仿真技術逐漸融入到數控技術的教學和應用中，成為數控技術教學的重要輔助手段。根據桂林航天工業學院在實際教學過程中傳統教學方式方法和數控仿真技術輔助教學的實際情況做如下分析總結。

一、師資投入

桂林航天工業學院現有機械類學生中學習數控類課程的約2000人，相關教師18人，按照教學計劃的安排，每周約有700名學生參加288學時的數控理論和實踐教學活動，平均到每位相關教師約每周16學時的教學，參加每位教師課程的學習人數約40人。在教師每周8學時理論部分教學中，采用40名學生的課堂教學，按照傳統的PPT課件插入文字、動畫、圖片進行演示性教學幾乎沒有實際的困難，但教學效果往往欠佳；但每周約8學時實踐教學，按照傳統模式進行就比較困難，每2～4位同學一臺機床，1位教師進行指導幾乎無法實現；一次課兩個學時90分鐘，實際操作前利用1～2臺數控機床講解約20分鐘，約40個學生圍在周圍觀看，很多學生會無法看清楚，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，很難讓學生適應實際企業生產中眾多的機床廠家和機床型號。即使是桂林航天工業學院這樣的全國性質的數控實訓中心，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。總體上來講，受到場地、經濟的制約，不可能讓學生全面地操作實際生產中眾多廠家、型號、操作系統的機床。

如果采用計算機仿真技術進行教學，在理論部分和實踐部分可以完全相結合，并且由于采用虛擬仿真方式，可以調用任何廠家、型號和操作系統的機床，讓學生在結合理論知識編程的過程中，輸入不同的數控機床，體驗和理解由于數控機床的不同引起的編程格式、編程代碼的差異，以適應實際生產過程中的型號、廠家和數控系統的差異，充分達到應用型本科主要實際操作應用的能力。例如在桂林航天工業學院教學中使用的南京斯沃數控仿真系統，開機時的數控系統選擇界面包括了FAUNC、SINUMERIK、EZmotion、華中數控、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。以不同的操作系統選擇不同機床企業的操作面板，可供選用的機床幾乎覆蓋整個加工行業所使用的各種數控機床。

二、教學安全

對于教學安全主要是針對實踐操作部分，機床作為機械結構，一旦出現事故，輕則機器損壞，重則出現傷亡事件，這樣的事件已經給了我們血的教訓。例如，某高校機械專業學生在企業實習期間由于操作失誤，直接導致手臂被機械結構嚴重損傷，最終不得不截肢。如何避免機械事故發生是學生在實踐操作部分最需要注意的問題，因此很多學校非常強調安全問題。

傳統教學中，由于學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，很容易導致事故的發生，因此很多院校在進行數控實訓操作的時候，多是恐懼危險的發生而走走形式，真正實際進行操作，并能夠加工出零件的比較少，除非是學校為了讓學生參加比賽而培訓數量比較少的學生，難以達到教學計劃中關于實踐教學部分的實際要求。而采用計算機仿真技術的數控教學，可以在實際操作之前充分了解數控機床面板的操作和數控機床的運動運行規律，某種意義上說就是真正的數控機床操作的演習，為實習實訓部分做好充分的準備工作，即使在仿真中出現操作錯誤或者操作失誤，既不會導致機床的損壞，更不會導致人員的傷亡。

三、教學效果和效率

數控程序編寫是數控類課程的主要教學內容之一，如何正確地編寫數控程序也是數控類課程的重要任務。在傳統課堂上，教師主要利用PPT課間插入動畫、圖片、文字等內容進行講解，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雜的循環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置好的動作，缺乏參數的變化，不能通過修改參數來觀察刀具運動的變化。

目前大多數計算機數控仿真數控系統都是模擬實際的數控機床操作，幾乎完全和實際的數控機床操作相同。教師在授課過程中可以編寫實際的數控程序，再輸入到數控仿真系統中進行驗證，在驗證的過程中，可以隨時改變數控程序中的參數，來講解數控指令中參數控制刀具的運動規律，也可以改變數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控編程中的各種程序指令和指令中各個參數的含義。在斯沃數控仿真系統模擬加工零件過程中，在操作界面的左側顯示編寫的數控程序，仿真操作過程中根據刀具的運行軌跡，自動跳轉相應的程序段，幫助學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控程序或程序中的參數來獲取不同的軌跡。

四、數控工藝部分體現

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

在采用數控仿真系統進行教學過程中，可以根據加工零件結構的不同，按照工序要求講解各種刀具的結構、刀具的尺寸參數；并且幾乎不受任何限制，在斯沃數控仿真系統的數控車刀包括了14種車刀刀桿、各種形狀的刀刃，并可以根據加工需求輸入刀桿、刀刃的參數和材料，也可以根據實際機床的結構選擇四方刀架、八方刀架、十六方刀架，或者選擇前置刀架和后置刀架，滿足數控車床在加工各種零件的需求；在數控加工中心包括15種各種類型的刀具，同樣可以根據需求輸入刀桿、刀刃的參數和材料，選擇各種形式的刀庫，滿足數控銑削和加工中心加工各類零件的需求。

同時也可以根據零件的結構特征選擇適合的裝夾方式，也可以設計自己的專用夾具以滿足不同工藝裝夾的需求，使學生可以根據裝夾的情況，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于工件裝夾的要求。斯沃數控仿真系統為數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于裝夾的要求，數控車床根據板料或管料的需求提供外圓裝夾方式和內孔裝夾方式，以滿足車削零件加工的需求。

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

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

（責編 吳 筱）