虛實結合的數控實訓課程構建與應用

何流洪，管琪明，周崢嶸

（貴州大學 工程訓練中心，貴陽550025）

1 引言

分析現代工程人才培養需求，剖析當前數控實踐訓練的缺陷及制約因素，立足大工程觀及產品、零件全生命周期的全局視角，結合全新信息技術和現代教育理念[1]，從頂層規劃設計，契合虛擬仿真技術和先進制造技術，以UG 強大的CAD/CAM 功能、虛擬數控實踐平臺及實體數控機床作為保障，以“遞進式”思維和“串點為線”的方式，開發三維模型設計模塊、二維工程圖制作模塊、工藝分析模塊、數控編程模塊、數控程序仿真模塊、虛擬加工模塊及實體加工模塊，打造虛擬仿真數控實訓課程。

2 數控加工實訓課程背景

現代工程是一個開放、共享、協同、集成、課程化、綜合性的復雜系統，與之適應的現代工程人才，必須具備扎實的專業知識，優良的實踐能力、創新創業能力、溝通協調能力、解決復雜工程能力、持續提升能力、領導及工管能力等。工程實踐訓練是通過實踐將知識轉變成能力的重要手段，對知識的鞏固與強化意義重大，對實踐能力、創新能力、解決復雜工程能力的培養作用顯著。數控實踐訓練作為工程訓練的重要組成部分，是學習者了解先進制造技術的重要窗口，但目前，數控實踐訓練的實際教學效果與教學需求之間的落差甚為突出，為了找出原因，對某高校400 名師生進行調研，結果如表1 所示。

表1 數控實踐訓練存在的問題調查統計表

不難看出，制約及影響數控實踐訓練質量的因素主要體現在以下幾個方面：①設備少，人機比例失調。一方面數控設備價格相對昂貴，成本投入較大，另一方面，大多高校的實踐指導老師人數較少，而學生卻有增無減，導致“兩少一多”的尷尬局面。②安全問題凸顯。傳統的實訓模式，數控實踐的學生作為沒有一點操作機床經歷的初學者，興趣濃厚，但對機床的安全注意事項停留在皮毛的“紙上談兵”，安全事故率較高，加之數控機床是高轉速的大動力機床，發生事故后損失都較為嚴重。③課程結構不完整。科技高速發展的今天，工程實踐課程自身的拓展較快，但實踐課程課時沒有增加或更新，導致課程相對壓縮或滯后，加上數控實踐訓練安全風險較高，導致數控實踐訓練萎縮成“一寫加一看”，即寫個程序，看個示范。上述情況普遍存在，已經嚴重影響實踐教學質量。

3 課程構建及模塊功能

要解決數控實踐訓練的弊端和缺陷，完善現代工程人才的實踐訓練。還不能著眼于解決問題本身，因為問題之間相互制約，惡性促進并循環，對單一問題的解決毫無意義，最好的方式是全盤推倒，重新構建。虛實結合的數控實訓課程以軟硬結合的“三平臺”作為支撐，構建貫穿零件數控加工“七模塊”，具體構成如圖1 所示。

圖1 虛實結合的數控實訓課程的構成圖

課程把虛擬仿真技術與信息技術、數控技術結合，將數控實踐訓練和理論知識應用相融合，通過“設計→制作→運行”，讓學習者掌握零件數控加工全生命周期的各個環節，從而將知識、素質、能力融會貫通。

三維模型設計模塊：根據要求，運用三維建模軟件，將三維模型繪制出來。同一模型有不同的制作過程，鍛煉學生設計規劃能力及設計軟件的掌握能力。

工程圖模塊：將三維模型圖轉換成便于加工的二維工程圖，便于后續的工藝分析及數控程序編輯。

工藝模塊：對零件進行數控加工工藝分析，涉及加工工序設計、走刀路線規劃以及刀具選擇、夾具選擇等，是零件加工過程中極為重要的過程，工藝規劃的優劣，直接影響后續加工程序的編寫質量，最終決定零件加工的質量和效率。

數控編程模塊：從得到加工程序而編程轉變成學習編程技能，摒棄單純手工編程的單一授課方式，從加工原理及加工工藝分析引入，以UG 軟件作為載體，激發學生的學習興趣，最終掌握編程方法。

數控程序仿真：以輔助程序編制和運動軌跡校驗的仿真軟件作為基礎，結合更高級的能仿真出三維加工的環境數控的仿真軟件，通過程序輸入→程序規范→程序仿真→程序驗證→程序調試等步驟，得到可靠的數控程序。

虛擬數控加工模塊：對于數控實踐訓練來說，得到可靠的程序是遠遠不夠的，還需要將通過程序與機床對話，完成零件加工。如果直接操作機床，對從來沒有接觸過機床的學習者來說，難度較大，況且，受人機比例不協調，直接影響到數控實踐訓練教學的教學質量，而且存在較大的安全風險。所以，引入成本較低的虛擬仿真數控加工平臺，讓每個學生都有充足的學習機會。其強大的虛擬程序仿真功能，實現了輔助程序編制、校驗運動軌跡以及仿真三維加工的環境的要求，搭配上實體機床的操作功能鍵，除了不能真實加工出零件外，能安全可靠地實現數控機床加工的所有操作，為后期的實體機床加工打好基礎。

實體加工模塊：一般來說，學習者對此模塊的興趣很濃厚，經過前面模塊的充分準備，經歷多次虛擬仿真加工，可以有條不紊地將自己設計的零件變成實體。

4 課程應用案例

基于開發的虛實結合的數控實踐課程，要求學習者應用整套的數控實踐訓練。將訓練要求定為：①毛坯尺寸為φ30×100；②零件加工必須包括端面加工、圓弧面加工、槽加工、螺紋加工以及切斷。如下是A 同學的實踐訓練內容：三維零件模型設計，包括端面、圓柱面、槽、螺紋、圓弧面等，滿足實訓要求。根據三維模型制作規范的工程圖。根據二維工程圖進行工藝分析得出加工順序及進給路線為：平端面→粗、精加工外輪廓→倒角→切退刀槽→切螺紋→切斷，另外，對刀具和夾具進行選擇并制作工藝卡片。根據工藝分析，基于UG 軟件，完成程序編輯。為保證數控程序的正確性，將編輯好的數控程序進行虛擬模擬。得到正確的數控程序后，在虛擬數控實踐平臺上進行數控機床的程序仿真和操作訓練。熟練機床操作后，轉到實體機床上將實體零件加工出來。最后進行零件加工質量檢驗，合格后完成數控實踐訓練。

5 結語

虛實結合的數控實踐訓練課程，為學習者提供了一個更有安全保障的學習環境，通過貫穿零件加工全生命周期的模塊化學習，讓學習者從“走馬觀花式”的技能訓練轉變成結合設計、制圖、工藝分析、操作技能訓練的全新數控實踐訓練。課程通過“虛實結合、軟硬融合”的方式，把課程從課上延伸到課下，增加了訓練內容，提高了訓練難度，卻節約了課程時間，更為全面地將學習者的知識、能力及素質有機結合并持續提高。