淺談三位一體模式在數(shù)控加工編程課程中的應(yīng)用

程志青 范君艷 朱玉蓉

（上海師范大學(xué)天華學(xué)院 上海 201815）

傳統(tǒng)本科院校在數(shù)控機(jī)床類課程的教學(xué)中，由于各方面條件的限制，對(duì)數(shù)控編程及加工技術(shù)只是作為一個(gè)章節(jié)，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)要求不高，學(xué)生對(duì)編程理論及編程方法的理解也不夠深刻，嚴(yán)重制約了學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的提高，極大地影響了教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。我院以應(yīng)用型本科學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)為目標(biāo)，積極改變傳統(tǒng)的教育模式，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，試圖探索一種適合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)數(shù)控方向應(yīng)用型本科教學(xué)行之有效的方法，旨在培養(yǎng)時(shí)代發(fā)展要求的創(chuàng)新型人才。

數(shù)控加工編程這門課程正是數(shù)控方向?qū)W生理論與實(shí)踐相結(jié)合的典范，也是我院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)主干課程。教學(xué)的目的是使學(xué)生在了解數(shù)控加工技術(shù)基本概念的基礎(chǔ)上，掌握數(shù)控車、銑、加工中心及線切割機(jī)床的編程和操作方法，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)控刀具的選擇和數(shù)控工藝分析的能力，為后續(xù)數(shù)控系統(tǒng)原理及應(yīng)用的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

互動(dòng)式理論教學(xué)方式

互動(dòng)式理論教學(xué)法在教學(xué)過程中應(yīng)以師生之間的互相尊重為基本前提，以教學(xué)過程中的溝通交流為基本特征，以發(fā)現(xiàn)和解決問題為教學(xué)載體，最終達(dá)到激活學(xué)生的問題意識(shí)，在相互啟發(fā)中消除疑惑的目的。

互動(dòng)式理論教學(xué)方式的實(shí)施步驟為：課前預(yù)習(xí)——拋出問題——引導(dǎo)式回答——引出式講授——間歇式發(fā)問——討論式作答——總結(jié)陳述——課堂小結(jié)。下面以講授“數(shù)控立式加工中心鉆鏜循環(huán)”為例，進(jìn)行分析。

首先，在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，拋出問題并作引導(dǎo)式回答。在已經(jīng)對(duì)加工直線快速進(jìn)給指令G00和工作進(jìn)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(hào)、2號(hào)和3號(hào)孔。之后，可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖中所示數(shù)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(hào)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(hào)孔安全高度）——6（G00定位2號(hào)孔）——7（G01）——8（加工完成，G00退回）——9（G00定位3號(hào)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(diǎn)）。根據(jù)這樣的路徑，學(xué)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(dá)到加工目的。但是，這樣的加工方法對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來說讀取時(shí)間較長，加工緩慢，而且程序冗長，與數(shù)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(fā)問。提醒學(xué)生回憶以往的學(xué)習(xí)內(nèi)容：參照數(shù)控臥式車床編程的一種方法——固定循環(huán)指令——是不是有一種指令可以將幾個(gè)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(fā)學(xué)生之間的討論，進(jìn)而對(duì)鉆鏜固定循環(huán)指令展開詳盡的講解。

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

之后還可以對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)陳述。這樣，學(xué)生可以很容易地理解并掌握概念，同時(shí)也可以體會(huì)到同一個(gè)表面的加工可以通過不同的方式得到，但是考慮到現(xiàn)代加工的經(jīng)濟(jì)性問題，則必須選擇一種最方便快速的方式。

目標(biāo)式課后實(shí)驗(yàn)

每一種類型的機(jī)床編程方法講述結(jié)束之后，都會(huì)安排3個(gè)課時(shí)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生有針對(duì)性地對(duì)課堂所學(xué)的編程方法作更進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將學(xué)生分成3～4人一組，每組學(xué)生拿到的只是一個(gè)長方體的毛坯零件。學(xué)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)、技術(shù)要求、精度要求等內(nèi)容，觀察加工對(duì)象的類型，選擇合適的機(jī)床及刀具材料與類型。同時(shí)，也要對(duì)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(duì)零件做更詳盡的工藝分析。分析的內(nèi)容包括工序的劃分，工步的安排，走刀路線的確定，切削參數(shù)（切削深度/寬度、切削速度Vc、進(jìn)給量f）的選擇等。需將這些內(nèi)容細(xì)化之后填寫數(shù)控加工的刀具卡和數(shù)控加工工序卡。

再次，在編程之前還需進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。主要根據(jù)每個(gè)工步的加工路線確定基點(diǎn)及坐標(biāo)值，在圖樣上畫出走刀路線。然后就可以根據(jù)事先安排好的加工路線加入刀補(bǔ)之后進(jìn)行加工。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的機(jī)床都具有刀具補(bǔ)償功能，此時(shí)，可以根據(jù)零件輪廓進(jìn)行編程。

最后，將以上所有準(zhǔn)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(jìn)行對(duì)刀操作；輸入所有的程序及刀補(bǔ)參數(shù)，對(duì)車床試運(yùn)行加工。在粗加工時(shí)或空走刀時(shí)，盡量選擇大的切削用量和加工速度；精加工時(shí)，則選擇較高的主軸轉(zhuǎn)速和較低的進(jìn)給速度，以保證加工精度。

經(jīng)過一個(gè)零件完整的編程實(shí)踐，可以讓學(xué)生深刻地體會(huì)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(huán)節(jié)。通過本課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，不僅加深了學(xué)生對(duì)課程本身的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也強(qiáng)化了與機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程的聯(lián)系，為后續(xù)的專業(yè)課程設(shè)計(jì)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

拓展式實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)

正常的教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)束后，還會(huì)安排為期4周的CAD/CAM實(shí)訓(xùn)，內(nèi)容包括兩周的CAD/CAM軟件實(shí)訓(xùn)和兩周的加工實(shí)訓(xùn)。兩周的軟件實(shí)訓(xùn)主要運(yùn)用UG進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，通過UG軟件的CAM功能，按照?qǐng)D2所示流程完成圖紙的仿真模擬，可以根據(jù)模擬結(jié)果修改加工參數(shù)。兩周的加工實(shí)訓(xùn)則是對(duì)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，可以滿足每名學(xué)生都能上機(jī)操作的要求。同時(shí)，進(jìn)行宇龍仿真軟件的實(shí)訓(xùn)，將數(shù)控車、銑、加工中心等機(jī)床的實(shí)際加工操作，以虛擬的方式展現(xiàn)出來，使學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)仿真與實(shí)操的結(jié)合，能更加深刻地理解先進(jìn)制造技術(shù)的概念。另外，課余時(shí)間，我院還鼓勵(lì)學(xué)生參加數(shù)控中級(jí)、高級(jí)培訓(xùn)，為學(xué)生的就業(yè)添磚加瓦。目前，我院機(jī)械系2010、2011兩級(jí)學(xué)生已完成了數(shù)控中級(jí)工的培訓(xùn)和考核，部分學(xué)生已順利拿到了數(shù)控中級(jí)工證書。

圖2 CAD/CAM數(shù)控編程流程圖

結(jié)語

教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)三位為一體的人才培養(yǎng)模式，可以構(gòu)成一個(gè)相互交叉、相互融合、相互滲透的有機(jī)整體，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生愿意主動(dòng)去操作、去練習(xí)。輔助的考級(jí)考證培訓(xùn)也大大提高了學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床操作的積極性，為應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)做出了很好的實(shí)踐。由于此類課程的專業(yè)性，講述內(nèi)容相對(duì)枯燥，需要我們?cè)诮虒W(xué)過程中不斷搜集相關(guān)的多媒體教學(xué)資源，使學(xué)生更形象地接受所學(xué)內(nèi)容。另外，在有條件的情況下，不應(yīng)該只重視編程能力的培養(yǎng)，在對(duì)內(nèi)容熟練掌握的前提下，應(yīng)自行設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)，并在普通機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控化改造。

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