虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控加工創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)探究

劉曉珍，楊林豐，蔡建新

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

制造業(yè)數(shù)字化、智能化是新的工業(yè)革命的核心技術(shù),同時(shí)也是我國(guó)由“制造大國(guó)”到“制造強(qiáng)國(guó)”轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略機(jī)遇[1]。其中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展成為制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，相應(yīng)地培養(yǎng)理論水平高、實(shí)踐能力強(qiáng)的數(shù)控技術(shù)人才成為高校人才培養(yǎng)的主要內(nèi)容。高校工程訓(xùn)練中心是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要基地。在傳統(tǒng)機(jī)械加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，越來(lái)越受到高校的重視，并取得了一定的效果[2-6]。我校工程訓(xùn)練中心在對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式分析的基礎(chǔ)上，以工程訓(xùn)練中心實(shí)習(xí)基地為基礎(chǔ)，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合數(shù)控加工創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，以思維化設(shè)計(jì)產(chǎn)品人才的培養(yǎng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

1) 教學(xué)模式單一。由于零件的加工往往需要多個(gè)工種的協(xié)作，零件與完整產(chǎn)品之間存在裝配關(guān)系，需要多種知識(shí)技能之間的相互融合。傳統(tǒng)教學(xué)模式僅停留在各訓(xùn)練項(xiàng)目獨(dú)立教學(xué)與操作層面，訓(xùn)練內(nèi)容互不關(guān)聯(lián)[7-8]。學(xué)生僅僅限于程序編寫和機(jī)床操作，對(duì)實(shí)際加工好零件的應(yīng)用缺乏具體的渠道，造成學(xué)生受益有限，特別是機(jī)械類專業(yè)工科類學(xué)生得不到全面培養(yǎng)，學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力得不到發(fā)揮。

2) 工藝教學(xué)缺失。合理選擇加工工藝，是確保零件加工質(zhì)量的重要保障。加工工藝的設(shè)計(jì)需要根據(jù)零件圖樣要求合理選擇材料、刀具、加工參數(shù)，刀具軌跡等，才能加工出符合形狀精度和表面粗糙度要求的工件。傳統(tǒng)的教學(xué)模式只是單一的技能操作訓(xùn)練，對(duì)于工藝方面的知識(shí)講解甚少，加工工藝過(guò)程相對(duì)固定，在一定程度上限制了學(xué)生對(duì)工藝知識(shí)的深入了解。

3) 教學(xué)內(nèi)容陳舊。由于各數(shù)控工種獨(dú)立教學(xué)，在教學(xué)過(guò)程中教學(xué)任務(wù)固定不變，與相關(guān)訓(xùn)練項(xiàng)目銜接少，特別是缺乏新技術(shù)理念的引入。在教學(xué)中使用的零件圖樣沒(méi)有根據(jù)數(shù)控工藝特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，限制了學(xué)生思維空間，從而使學(xué)生失去對(duì)工程訓(xùn)練的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)果往往是實(shí)習(xí)過(guò)程變成了走過(guò)場(chǎng)，沒(méi)有學(xué)到實(shí)質(zhì)性的知識(shí)，教學(xué)效率低。

2 構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的意義

1) 數(shù)控加工取代傳統(tǒng)加工趨勢(shì)明顯。隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)更新，傳統(tǒng)加工由于其生產(chǎn)效率低，加工成本高，已不適合企業(yè)開(kāi)展生產(chǎn)的設(shè)備需要。數(shù)控機(jī)床已成為企業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備，相應(yīng)地，高校應(yīng)當(dāng)采取數(shù)控加工逐漸取代傳統(tǒng)加工的實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生更快地更新知識(shí)，順應(yīng)數(shù)控制造領(lǐng)域的發(fā)展需求[9]。

2) 虛擬仿真與實(shí)踐加工相結(jié)合相得益彰。相對(duì)于手工編程，采用數(shù)控仿真軟件對(duì)零件進(jìn)行加工程序編制，不僅可以提高編程效率，同時(shí)也可以檢驗(yàn)加工方案的準(zhǔn)確性，從而提高加工效率。目前有多家軟件公司出品虛擬仿真軟件，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中操控機(jī)床與程序編制，了解工件的加工過(guò)程。同時(shí)，讓學(xué)生動(dòng)手操作數(shù)控設(shè)備加工作品，實(shí)現(xiàn)由虛擬制造向?qū)嵺`加工過(guò)渡，完成體現(xiàn)零件的整個(gè)加工過(guò)程[10]。

3 虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)實(shí)施過(guò)程設(shè)計(jì)

1) 網(wǎng)絡(luò)視頻預(yù)習(xí)

以機(jī)械專業(yè)本科生作為實(shí)踐訓(xùn)練對(duì)象，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控理論知識(shí)的前提下，通過(guò)中心專屬網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)控加工微課視頻的講解和預(yù)習(xí)[11]，完成相應(yīng)的課程作業(yè)后，方可進(jìn)入數(shù)控車銑一體化的實(shí)踐教學(xué)基地，通過(guò)指導(dǎo)老師的基礎(chǔ)講解，將學(xué)生帶入教學(xué)基地環(huán)境中，通過(guò)真實(shí)的教學(xué)和具體加工圖樣的設(shè)計(jì)，完成從上機(jī)操作制作零件，到測(cè)量、裝配、改進(jìn)、總結(jié)一系列的實(shí)踐制作過(guò)程(圖1)。

圖1 創(chuàng)新訓(xùn)練基本流程圖

2) 作品設(shè)計(jì)、工藝分析

作品設(shè)計(jì)是建立在數(shù)控車削和數(shù)控銑削工種原理基礎(chǔ)上，也是學(xué)生加工零件、分析工藝流程的關(guān)鍵。指導(dǎo)老師作為學(xué)生的引導(dǎo)者，用于訓(xùn)練的圖樣既要便于學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上加工出來(lái)，又要在設(shè)計(jì)加工上有創(chuàng)新改進(jìn)的空間，還要有工藝要素的合理性。學(xué)生可以根據(jù)圖樣加工要求，制作加工工藝卡，有步驟地做好前期準(zhǔn)備工作，這樣就有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與其中，順利完成任務(wù)(圖2)。

圖2 數(shù)控加工零件圖

數(shù)控加工工藝是數(shù)控加工的重要內(nèi)容，需要指導(dǎo)老師由淺入深地講解工藝工序安排的基本原理：對(duì)于大部分軸類零件，要遵循先近后遠(yuǎn)、先粗后精、先外后內(nèi)的工序原則，盡可能一次安裝下完成加工，避免多次掉頭裝夾，用保證工件同軸度的工藝原則來(lái)編寫加工程序；對(duì)于板材零件，選擇最近合理的走刀路徑，優(yōu)化加工過(guò)程，將位置精度要求較高的表面安排在一次安裝下完成，以免多次安裝所產(chǎn)生的安裝誤差影響位置精度。考慮諸多因素后，合理設(shè)置參數(shù)，生成加工代碼。

3) 虛實(shí)模式操作

學(xué)生進(jìn)入教學(xué)基地，經(jīng)過(guò)指導(dǎo)老師講解模擬仿真軟件使用，學(xué)生便可進(jìn)入虛擬空間操作。數(shù)控車削的GSK980系統(tǒng)仿真軟件的學(xué)習(xí)是數(shù)控制造的基礎(chǔ)，手工編程是加工軸類零件的主要手段。將程序?qū)敕抡孳浖M(jìn)行模擬加工，檢測(cè)程序的正確性，發(fā)現(xiàn)程序不足或錯(cuò)誤等問(wèn)題，以便及時(shí)得到解決(圖3)。

圖3 數(shù)控車削模擬仿真與加工現(xiàn)場(chǎng)

數(shù)控銑削采用自動(dòng)編程方式，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)用Mastercam或UG軟件畫(huà)出產(chǎn)品零件圖后以3D形式呈現(xiàn)，圖形經(jīng)過(guò)后處理，設(shè)置修改毛坯、刀具選用等參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上仿真模擬加工后，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將程序傳送到機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行空運(yùn)行檢測(cè)。采用GSK983Ma-H系統(tǒng)的數(shù)控銑床進(jìn)行加工，該計(jì)算機(jī)畫(huà)圖軟件可以直接轉(zhuǎn)換成G代碼導(dǎo)入機(jī)床，顯示路徑同步進(jìn)行實(shí)體加工，有效地縮短了加工前期準(zhǔn)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題加以解決(圖4)。

圖4 數(shù)控銑削模擬仿真與加工現(xiàn)場(chǎng)

4) 產(chǎn)品加工

實(shí)踐過(guò)程中采用分組式教學(xué)模式，1批4組，每4位學(xué)生為1組，其中2人分別學(xué)習(xí)數(shù)控車削和數(shù)控銑削專業(yè)知識(shí)和仿真軟件使用，進(jìn)行數(shù)控加工基本操作。學(xué)生之間可以相互交換學(xué)習(xí)心得，進(jìn)行加工方案調(diào)整，以便更好地制造出產(chǎn)品零件。

刀具量具的準(zhǔn)備是加工前的準(zhǔn)備工作，首先對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行安全檢查，然后將工件裝夾在卡盤上、刀具安裝在刀架工位上，采用杠桿百分表對(duì)工件進(jìn)行調(diào)整，程序檢測(cè)無(wú)誤后，使用帶表游標(biāo)卡尺和千分尺量具，進(jìn)行對(duì)刀工序，確定編程原點(diǎn)。同學(xué)們分組在各自的數(shù)控機(jī)床上開(kāi)始加工相關(guān)零件，期間不斷地觀察數(shù)據(jù)變化和現(xiàn)場(chǎng)加工動(dòng)態(tài)，進(jìn)行微調(diào)整，使公差配合達(dá)到理想狀態(tài)。在這種新型教學(xué)基地環(huán)境下，學(xué)生的創(chuàng)新思維可以得到激發(fā)，學(xué)生對(duì)機(jī)械制造的興趣和不服輸?shù)膱F(tuán)隊(duì)精神得以形成。

5) 零件裝配與作品評(píng)價(jià)

根據(jù)圖樣要求通過(guò)數(shù)控設(shè)備制作零件后，將各個(gè)零件進(jìn)行裝配，并對(duì)裝配過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、討論，培養(yǎng)學(xué)生的裝配技能，使學(xué)生充分了解零件的設(shè)計(jì)—制作—裝配的相互關(guān)系(圖5)。對(duì)制作完成后的作品進(jìn)行評(píng)比，學(xué)生可以通過(guò)小組之間、小組內(nèi)部對(duì)作品進(jìn)行敘述的評(píng)價(jià)，最后由指導(dǎo)老師總結(jié)，使學(xué)生對(duì)自己的實(shí)踐過(guò)程有一個(gè)綜合認(rèn)識(shí)。此外，實(shí)踐的作品可以成為下一批學(xué)生的實(shí)習(xí)參考，從而制作出更加具有創(chuàng)意的新作品(圖6)。

圖5 零件實(shí)體和裝配現(xiàn)場(chǎng)

圖6 學(xué)生數(shù)控加工作品

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)的特色

1) 改進(jìn)教學(xué)模式，完善制作多樣化

改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，讓實(shí)踐教學(xué)過(guò)程更為主動(dòng)、積極。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)完整的零件加工及產(chǎn)品制作，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容的系統(tǒng)化，形成相對(duì)完善的知識(shí)體系。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生按照自己興趣，設(shè)計(jì)并制作出自己的創(chuàng)意作品，既發(fā)揮了學(xué)生的主動(dòng)性，也鍛煉了學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

2) 強(qiáng)化工藝訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)

將數(shù)控車削和數(shù)控銑削兩種不同的加工方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練，可以強(qiáng)化其在加工工藝、加工特性方面的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐。將兩者的加工特性融合起來(lái)，加工不同的零件，加工中相互學(xué)習(xí)和交流，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)完整作品，使學(xué)生們得到一次實(shí)踐鍛煉的直接體驗(yàn)，有助于提高學(xué)生參與其中的積極性。

3) 虛實(shí)教學(xué)結(jié)合，提高教學(xué)效率

采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式有助于學(xué)生在編程過(guò)程中初步識(shí)別不同加工方法加工軌跡，并對(duì)加工中可能出現(xiàn)的發(fā)生刀具觸碰等問(wèn)題及時(shí)預(yù)警，此后通過(guò)實(shí)踐加工，對(duì)加工程序驗(yàn)證。這種方式不僅可以提高加工效率，同時(shí)，虛擬軟件的使用節(jié)省了學(xué)生編程時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控制造正在向高效率、高質(zhì)量、可復(fù)性多功能的柔性制造方向發(fā)展，秉承改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的思想，積極構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的數(shù)控加工創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，不僅對(duì)指導(dǎo)老師提出了教學(xué)高要求，同時(shí)給予學(xué)生充足時(shí)間獨(dú)立思考，解決實(shí)習(xí)中存在的疑難問(wèn)題，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，使工程訓(xùn)練課程不再成為走過(guò)場(chǎng)的必修課。新的教學(xué)平臺(tái)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、個(gè)人的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，更加有效地為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才提供服務(wù)。