數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在數(shù)控技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用探討*

黃 祥

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，數(shù)控人才已成為社會(huì)上的熱門人才.高職院校作為培養(yǎng)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用性人才的主陣地，以不斷擴(kuò)大數(shù)控技術(shù)專業(yè)招生規(guī)模，來(lái)滿足社會(huì)對(duì)人才的需求，但在數(shù)控設(shè)備數(shù)量相對(duì)不足的狀況下，給專業(yè)教學(xué)尤其是實(shí)訓(xùn)教學(xué)帶來(lái)比較大的壓力，如何緩解學(xué)生人數(shù)多與實(shí)訓(xùn)設(shè)備少的矛盾，保證數(shù)控技術(shù)專業(yè)學(xué)生的教學(xué)質(zhì)量，是當(dāng)前各院校迫切需要解決的問(wèn)題［1］.實(shí)踐證明，采用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)，是一條有效的途徑.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工狀態(tài)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，且具備調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能，在安全、可靠的情境下，能快速提高學(xué)習(xí)者對(duì)數(shù)控技術(shù)的認(rèn)識(shí)與掌握程度.

1 仿真系統(tǒng)的教學(xué)適應(yīng)性

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠演示數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心對(duì)零件加工的全過(guò)程［2］，其中主要包括毛坯選擇、工件裝夾、夾具刀具定義與選用、刀具安裝與對(duì)刀、機(jī)床手動(dòng)操作、測(cè)量和碰撞檢測(cè)、數(shù)控程序輸入與處理功能等，還具有考試、互動(dòng)教學(xué)、自動(dòng)評(píng)分和記錄回放功能，仿真系統(tǒng)具有多系統(tǒng)、多機(jī)床、多零件的特點(diǎn)，可對(duì)機(jī)床操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)全仿真，并能借助相關(guān)軟件開(kāi)發(fā)多軸機(jī)床的仿真加工，進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床加工仿真的范圍，就教學(xué)而言，仿真系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)提高數(shù)控課程教學(xué)效果具有積極的促進(jìn)作用.

2 仿真在教學(xué)中的作用

在數(shù)控課程的教學(xué)中，“學(xué)做一體”是最有效的教學(xué)形式.如果僅在黑板上去講數(shù)控機(jī)床編程與操作，學(xué)生無(wú)法真正掌握，在實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行數(shù)控課程教學(xué)，又受到機(jī)床數(shù)量的限制，尤其在實(shí)訓(xùn)初期學(xué)生對(duì)設(shè)備不熟悉，誤操作會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的損壞，甚至是人身傷害事故，存在較大的安全隱患.通過(guò)仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)，可以起到以下作用.

2.1 激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性

使用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，學(xué)生可將所編程序輸入系統(tǒng)中，直接完成程序編寫的正誤檢查、干涉檢查等功能，并進(jìn)行數(shù)控加工的過(guò)程演示;仿真系統(tǒng)上機(jī)床的操作和零件的加工過(guò)程，與在真實(shí)機(jī)床上的操作程序基本一致，有利于學(xué)生對(duì)實(shí)際操作的學(xué)習(xí)和掌握;學(xué)生可以通過(guò)“旋轉(zhuǎn)”功能，從任意角度觀察數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，毛坯加工成為成品的過(guò)程直觀形象;應(yīng)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，便于在教學(xué)中運(yùn)用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”、“項(xiàng)目導(dǎo)向”等多種教學(xué)方法，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，體現(xiàn)學(xué)生主體地位，在理論講授時(shí)，適時(shí)結(jié)合仿真教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣［3］，有效提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性.

2.2 提供良好運(yùn)行平臺(tái)，保障安全可靠性

隨著企業(yè)數(shù)控化率的不斷提高，對(duì)數(shù)控方面人才的需求量在不斷增加，對(duì)人才質(zhì)量與規(guī)格要求越來(lái)越高，數(shù)控機(jī)床是一種新型的機(jī)電一體化設(shè)備，它具備“高速、高效、高精度”的特點(diǎn)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，直接讓學(xué)生在數(shù)控機(jī)床上操作，可能會(huì)出現(xiàn)撞刀、過(guò)切等干涉現(xiàn)象，造成設(shè)備、人身危害.把仿真系統(tǒng)引入到教學(xué)中，通過(guò)對(duì)干涉現(xiàn)象的排查，糾正錯(cuò)誤程序，可完全避免實(shí)際操作中出現(xiàn)的事故，同時(shí)隨著學(xué)生人數(shù)的增多，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的大量配置，使每位學(xué)生有足夠的仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)間，徹底解決數(shù)控機(jī)床數(shù)量不足的問(wèn)題，較好地達(dá)到實(shí)訓(xùn)效果，這樣也減少了實(shí)習(xí)材料和能源的消耗，節(jié)約實(shí)習(xí)教學(xué)成本，因此，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)是數(shù)控實(shí)習(xí)前一種較好的訓(xùn)練手段，保障實(shí)習(xí)教學(xué)的安全與低耗.

2.3 理實(shí)聯(lián)系實(shí)際，提高教學(xué)實(shí)效性

數(shù)控加工技術(shù)系列課程的教學(xué)模式，如果以課堂理論講授為主，不利于學(xué)生對(duì)數(shù)控程序的理解，在黑板上講“按鍵”的作用與機(jī)床的操作，談不上對(duì)數(shù)控操作技能的掌握，理論與實(shí)踐教學(xué)效果都很差.如果把數(shù)控仿真教學(xué)引入教學(xué)中，學(xué)生可以將所編程序輸入仿真系統(tǒng)中，演示零件的加工過(guò)程，如果程序編寫錯(cuò)誤，就能在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，仿真軟件對(duì)零件的加工操作流程與實(shí)際機(jī)床相同，使學(xué)生對(duì)程序指令及機(jī)床實(shí)際操作就更加熟悉，這不但有利于提高數(shù)控理論教學(xué)效果，更有助于學(xué)生編程能力的提高，也為以后的實(shí)際操作奠定良好的基礎(chǔ)，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際編程與加工時(shí)更易上手.

3 仿真教學(xué)的實(shí)施

根據(jù)教學(xué)需要把理論教學(xué)與仿真、實(shí)訓(xùn)有機(jī)融合，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，邊仿真、邊操作，對(duì)數(shù)控加工有更直觀認(rèn)識(shí)，可以促進(jìn)專業(yè)課程的學(xué)習(xí).作為教學(xué)的一部分，與實(shí)訓(xùn)教學(xué)結(jié)合，在操作機(jī)床之前，學(xué)生先進(jìn)行數(shù)控加工仿真教學(xué)，能對(duì)所編程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)加工工藝的合理性，并能提高學(xué)生對(duì)機(jī)床操作的熟悉程度等，對(duì)保證實(shí)訓(xùn)效果與實(shí)訓(xùn)安全起到良好作用.

3.1 仿真教學(xué)的安排

《數(shù)控加工編程與操作》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在教學(xué)前應(yīng)合理安排理論教學(xué)、仿真教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的課時(shí)比例，確定教學(xué)的主要內(nèi)容等，見(jiàn)表1.在課堂教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)解決編程方法和編程中的工藝問(wèn)題，這也是對(duì)以后實(shí)習(xí)所做的必要的知識(shí)鋪墊.學(xué)生利用數(shù)控加工系統(tǒng)主要進(jìn)行程序的輸入、校驗(yàn)等訓(xùn)練，同時(shí)讓學(xué)生了解不同系統(tǒng)、不同機(jī)床的操作方式等，讓學(xué)生貼近真實(shí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，并培養(yǎng)獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力，在后續(xù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，能更快、更好地掌握操作技能.

表1 理論教學(xué)、仿真教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排

3.2 運(yùn)用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法

應(yīng)用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)輔助教學(xué)，目的是讓學(xué)生熟悉數(shù)控機(jī)床工程面板與按鍵功能、驗(yàn)證工藝合理性和檢測(cè)數(shù)控程序正誤等，并為學(xué)生“生產(chǎn)性”實(shí)訓(xùn)做好前期準(zhǔn)備，以真正提高學(xué)生的職業(yè)能力.因此在進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)，適宜采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法.教師在做仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)之前，從相關(guān)企業(yè)獲取真實(shí)零件的圖紙，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和要達(dá)到的教學(xué)目的，首先簡(jiǎn)要做好工藝分析，布置編程與仿真加工等任務(wù)，讓學(xué)生在課下通過(guò)查閱資料、相互討論的方式，完成工藝參數(shù)的選擇、數(shù)控加工程序的編制等工作，仿真實(shí)訓(xùn)時(shí)按工件實(shí)際加工工序完成:選擇機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)、安裝毛坯與刀具、對(duì)刀與校驗(yàn)、輸入程序與仿真加工、零件檢測(cè)等，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)工件或是工件中一部分工序的仿真加工.在仿真教學(xué)過(guò)程中，教師要指導(dǎo)學(xué)生完成糾正錯(cuò)誤程序、簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)、優(yōu)化走刀路徑等教學(xué)環(huán)節(jié)［4］，以進(jìn)一步提升學(xué)生數(shù)控編程與加工的能力.在仿真結(jié)束后，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的仿真情況，針對(duì)性地作出評(píng)價(jià)，主要是指出工藝分析和編程中存在的問(wèn)題和錯(cuò)誤，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

4 仿真對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)影響

學(xué)生在實(shí)訓(xùn)前通過(guò)數(shù)控加工仿真教學(xué)，認(rèn)識(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)與工作原理，如“x、y、z、u、v、w”軸的運(yùn)動(dòng)、行程范圍以及其它部件的工作情況等;利用手動(dòng)方式輸入程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，全面了解數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程;通過(guò)編程與輸入操作，對(duì)碰撞、干涉、加工失效等信息進(jìn)行檢查，掌握工件從安裝至加工完成的整個(gè)流程，并利用虛擬測(cè)量器具對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，最終生產(chǎn)出一個(gè)虛擬的產(chǎn)品［5］.通過(guò)仿真實(shí)訓(xùn)，學(xué)生對(duì)使用真實(shí)機(jī)床已有全面的認(rèn)識(shí)，在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，減輕學(xué)生實(shí)際加工的心理負(fù)擔(dān)，克服對(duì)機(jī)床的畏懼心理，保證實(shí)訓(xùn)安全.仿真后有效縮短學(xué)生對(duì)機(jī)床的認(rèn)識(shí)時(shí)間，同時(shí)學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)單零件的加工上手快，可以有更多的時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜零件的編程與加工實(shí)訓(xùn)，提高實(shí)訓(xùn)效率，進(jìn)一步提升學(xué)生的數(shù)控技術(shù)水平.

5 結(jié)論

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)具有逼真反映機(jī)床加工過(guò)程的功能，在數(shù)控課程教學(xué)中，利用仿真軟件輔助教學(xué)，在很大程度上，解決學(xué)生人數(shù)多與實(shí)訓(xùn)設(shè)備少的矛盾.采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，擺脫純粹的理論講授，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.把理論、仿真和數(shù)控實(shí)訓(xùn)有機(jī)融合，讓學(xué)生在安全的平臺(tái)上，先期熟悉數(shù)控機(jī)床工程面板和按鍵功能，認(rèn)識(shí)機(jī)床結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)控加工流程等，對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)起到積極的作用，有利于學(xué)生操作能力的增強(qiáng)，顯著提高數(shù)控課程教學(xué)效果.

［1］王海根，程國(guó)標(biāo)，方珠芳.數(shù)控加工技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)的探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(2):92－94.

［2］陳為國(guó).虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控加工編程教學(xué)中應(yīng)用研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(6):106 －109.

［3］潘應(yīng)暉.數(shù)控仿真軟件教學(xué)應(yīng)用探討［J］.武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，30(2):81－83.

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［5］王亞輝，趙冬晗.一種典型零件的數(shù)控銑削仿真加工［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(8):235 －237.