基于UG三維設計的自主式數(shù)控加工實踐教學模式

禹亮 李恩普 趙春生 杜澤明 張松濤

摘 要 文章提出了以UG軟件為依托，以提高學習自主性為目的，自由設計、自主加工一體化的層次式教學實踐模式。介紹了教學模式包含內容及各個方面具體實施方法，分別為：（1）以工藝為主線;（2）自由設計、自主加工;（3）緊貼工程實際;（4）多層次、多方位教學。四年多的教學實踐結果表明，該教學模式有效調動了學生的創(chuàng)新熱情，對大學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)、動手實踐能力的提高奠定了重要作用，有效促進當前實踐教學水平的提升。

關鍵詞 數(shù)控實踐 自由設計 自主加工 CAD/CAM 一體化

中圖分類號：G424文獻標識碼：A ??DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.04.050

Autonomous NC Practice Teaching Model

Based on UG Three-dimensional Design

YU Liang， LI Enpu， ZHAO Chunsheng， DU Zeming， ZHANG Songtao

（Engineering Training Center， Northwestern Polytechnical University， Xi'an， Shaanxi 710072）

Abstract Use the UG software as the basis， increase the learning autonomy as the purpose， proposed a design liberty， processing autonomy integration hierarchical teaching practice model. Its content and its implementation methods are given， including： （1） processing technology as the teaching main line， （2） design freedom and process autonomy， （3） according to real engineering， （4） multi-level， multi-faceted teaching. More than four years of teaching practical results show that the model can mobilize the students' creative enthusiasm effectively， and it plays an important role in training students' creative thinking， improving the practice ability， also， promoted the level of current practice teaching.

Key words NC practice; freedom design; autonomous processing; CAD and CAM integration

0 引言

國內，一般機械學科數(shù)控教學的CAD/CAE/CAM課程均獨立設置，①這種設置使理論教學老師很難系統(tǒng)性地把三者的交互關系講解清晰和透徹并加以實踐應用，造成設計與加工等各模塊的孤立。機械學科的實踐教學主要集中在工程訓練中心進行動手加工操作，卻較少涉及到CAD的內容。同時，就針對加工操作而言，也存在各教學模塊孤立的問題。主要表現(xiàn)為，按工種展開實踐教學，學生按工種對統(tǒng)一圖紙進行基本的手工程序編寫，最后對該零件加工，完成實踐環(huán)節(jié)。缺乏把各工種融為一體的典型對象。加之各工種加工圖樣單一、內容與實際工程項目加工脫軌，學生普遍反映出興趣逐漸減弱、缺乏動力與創(chuàng)造性等一系列問題。并且，手工編程一般也只能編寫精加工工序，廣大同學難以認識真實切削加工逐步進刀的過程，更難以理解數(shù)控加工工藝、工序等一系列整體概念。

高校機械學科數(shù)控課程設置及實踐教學培養(yǎng)模式均會造成人才培養(yǎng)上的“孤島”現(xiàn)象，導致廣大學生對于數(shù)控技術由開始的好奇神秘逐漸變?yōu)榍宦傻臋C械式重復，缺乏動力與創(chuàng)造性。因此，尋找一種密切結合當前數(shù)控加工技術的發(fā)展方向，②③④把握機械加工的核心思想，把CAD/CAM進行一體化教學，激發(fā)學生創(chuàng)造性與創(chuàng)新能力的途徑，是解決當前數(shù)控技術教育的正確途徑，才能實現(xiàn)實踐教育創(chuàng)新性、工程化。

本課題以Siemens公司UG軟件為依托，研究CAD/CAM一體化技術在數(shù)控技術創(chuàng)新人才培養(yǎng)上的一系列教學改革措施，以緊跟數(shù)控前沿技術發(fā)展、密切結合工程實際、以自主式、工程化為目標，進行了層次式、綜合性創(chuàng)新實踐教學，多年的教學效果表明該模式有效提高學生學習自主性、實踐、綜合認知、創(chuàng)新能力，為提高數(shù)控實踐水平探討了一種新的教學方法與教學模式。

1 基于UG三維設計的自主式數(shù)控加工實踐模式

本課題實現(xiàn)了CAD/CAM兩個模塊進行一體化教學。首先，針對實踐學生實習年級較低（大一、大二），開設了數(shù)控加工基本原理、工藝概述的內容，接著講授基本的數(shù)控編程，然后進入UG設計教學模塊，引導廣大學生自主設計三維模型，學生根據(jù)個人愛好自由完成零件設計工作，轉入UG加工模塊學習，對自己設計的零件進行加工刀路仿真模擬，對于不合理，如刀具無法進入、刀具干涉，難以加工部位的檢查驗證，并自主進行設計修改直到加工無誤，從而完成設計與加工的有機結合;最后在機床上進行現(xiàn)場加工驗證。教學流程上實現(xiàn)了CAD建模到CAM模擬加工，加工檢驗返回CAD修改設計，再進行自動生成程序以及最終機床操作、零件檢驗這一過程。從零件設計，到使用UG自動生成曲面、曲線等復雜程序，再到加工模擬，程序傳輸，以及最終的自主操作機床加工，全部由學生自主完成。在教學過程中，從課程設置、到具體零件加工，均做到了以工藝流程為主線，引導廣大同學認識到加工工藝為機械加工的核心內容這一基本思想;學生從設計到加工均由本人自主完成，實現(xiàn)了設計與加工有益結合，起到鼓勵創(chuàng)新設計的作用，亦為進一步CAD/CAE/CAM一體化教學奠定了基礎。同時，這種教學模式使用當前大型企業(yè)使用的工作方法、生產流程、以及相應軟件、硬件設備來進行教學。

1.1 以工藝流程為主線、掌握數(shù)控技術核心內容

以工藝流程的內容為主線，把各個工種有機結合起來，工藝的主線作用體現(xiàn)在教學過程的每個環(huán)節(jié)中。在教學實踐基本原理、工藝講解階段，先介紹工藝基本知識，然后，通過典型零件示范其工藝過程，最后在這個主線下進行各工種的學習及加工。通過一個典型零件完整加工過程，體現(xiàn)工藝的指導作用。譬如，加工中空刻花模型，通過進行底面、側面的銑削加工，孔、端面、切斷時車削加工，在打標時需要激光打印操作等，各個加工過程細節(jié)均體現(xiàn)工藝的主線;再者，利用UG自動編程技術，可使學生建立坐標系、刀具、多把刀工序銜接等一系列操作，更可以利用UG模擬加工中的真實刀路途徑、能夠把各部分切削余量進行一步步加工，表現(xiàn)了實際加工的全部過程。此外，結合學校特色，制作典型零件加工案例，如：通過多媒體展示葉片三維造型過程及多軸加工中心示范葉片的整個加工制作過程，并通過三坐標檢測驗證，系統(tǒng)地將零件加工工藝完整地展示給學生。加深學生對工藝為機械加工的核心的認識和把握。

以這種模式避免了原有教學方法造成工種隔離、缺乏對工藝起到核心指導作用認識的不足，學生經過這種方式的訓練，在加工時，首先會想到是所設計零件在工藝上是否可行，使設計與加工充分得到統(tǒng)籌考慮。

1.2 以獨立任務為驅動，進行自由設計、自主加工，充分調動學生興趣

本課題徹底改變了數(shù)控實踐按照某一個零件圖進行編程加工這一復制性的勞動過程的現(xiàn)狀。在本教學模式中，學生以獨立自主完成自己設計零件為的加工任務為實踐內容，自由選擇創(chuàng)新設計題材，自主修改、自主加工。在對UG設計及加工部分的講解完成后，學生根據(jù)毛坯外觀，充分發(fā)揮自己的想象力和自主空間，獨立進行零件圖案三維設計并進行程序編制，自主選擇刀具、對刀、刀路檢驗、模擬加工等全部操作，并通過多軸加工中心自主上機操作。學生能夠系統(tǒng)性進行自主設計、加工、驗證。對廣大學生來說，當知道自己設計就是自己最后加工的零件后，學生學習和實習興趣得到空前提高。一般要求每個學生自己動手做一個零件，但很多同學都設計多個，可見其學習興趣。

學生在這個環(huán)節(jié)的學習中，完全自主進行全過程的訓練，指導教師只進行錯誤的指出、給出合理化的建議、每個過程的核查以及現(xiàn)場機床加工過程的監(jiān)督。

1.3 緊貼工程生產實際，完善軟、硬件建設，做到學到就能用到

本科生的培養(yǎng)，重點在于動手實踐能力的增長，要面向工程實際應用。國內外人才培養(yǎng)、卓越工程師的培養(yǎng)都明確提出了這點。本教學模式可使廣大同學接觸到UG軟件在實際在工廠如何去使用這一內容。同學們能夠學會坐標系、刀具、多把刀工序銜接等一系列操作，更可以利用UG軟件進行加工，模擬加工中的真實刀路，表現(xiàn)實際加工的全部過程。使學生充分了解了真實工廠的流水線操作過程。這種教學模式明顯加深了同學們對于真實切削加工的理解。

另一方面，在硬件建設上要符合工程實際，體現(xiàn)現(xiàn)代化、先進性。本課題緊密結合時代技術發(fā)展，建成有效的網絡化數(shù)控教學、傳輸平臺，把學生使用的數(shù)控機床與計算機進行有機連接，形成加工與檢測實時傳輸、各工種實時傳輸、計算機與機床實時傳輸?shù)默F(xiàn)代化創(chuàng)新硬件平臺。在加工時，機房電腦數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)綄嵙暚F(xiàn)場的機床控制面板，進行實時在線加工，使學生方便快捷安全地掌握零件加工動態(tài)，也使學生了解到現(xiàn)代化大型企業(yè)運行方式;實踐現(xiàn)場有多維高清晰度顯示屏，學生可清楚直觀地了解到每一個加工細節(jié);購置了多軸加工中心等一系列先進設備，由學生在加工中心自主上機操作，進行對刀，建立坐標系、粗、精加工等各工序的實際操作。這種緊貼現(xiàn)代化生產實際、自主式的加工模式，加深了學生學習印象。學習到的內容就是在實際工廠中見到的內容，使廣大學生能更加從容地面對未來的工作和挑戰(zhàn)。

1.4 進行層次化、多方位教學，不斷擴充學習的內容

學生在必修的實踐中，由于其年級較低，往往只能學習到基本加工知識。對于數(shù)控加工的難點問題，如螺旋槳、葉片等加工，只能進行示范性演示教學。因此，我們開展了配套的全校性選修課“UG三維造型與數(shù)控加工”，其學習學時、內容相對于必修實習的內容大幅度增加、深度大幅度增加。同時，對于后續(xù)的大學生創(chuàng)新實踐等內容大力支持，鼓勵學生自己動手加工。形成課內、課外實踐結合;必修、選修結合;科研計算與實踐驗證結合，從而形成綜合性、開放型數(shù)控加工層次式創(chuàng)新實踐平臺，為進行開放式的工程實踐教育奠定了基礎。

2 結語

四年來，本課題指導學生完成自主創(chuàng)新實踐作品千余件，受到廣大學生的歡迎，也使廣大同學充分理解并認識了數(shù)控加工在實際加工中的作用，扎實掌握了從建模到各個工種、工序加工的一系列生產過程，充分理解了數(shù)控加工中心在完成各個工序銜接加工中的方便性、流水線化作業(yè)方式。在本課程的引導啟發(fā)下，低年級本科生獲取國家專利兩項，在國家級各類機械設計、加工競賽中獲得一、二等獎八項。在兄弟院校到我校參觀交流過程時，它們紛紛咨詢課程設置、教學方法等一系列內容。達到了提高實踐教學水平、與生產實際接軌、掌握先進數(shù)控技術、開拓學生視野、積極引導學生自主綜合創(chuàng)新的目標。起到了引領數(shù)控工程實踐教學發(fā)展的作用。無疑，隨著社會發(fā)展的要求，進一步按照教學模式創(chuàng)新化、加工對象系統(tǒng)化、人才培養(yǎng)個性化、教學內容時代化進行實踐教學將必然是工科實踐教學發(fā)展的主流方向。

基金項目：2014年度西安市科技計劃項目（CXY1436（9）

注釋

① 徐婭萍，王潤孝.數(shù)控機床課程教學的改革與實踐[J].西北工業(yè)大學學報（社會科學版），2007.27（4）：78-80.

② 朱鴻.試論數(shù)控加工模擬軟件在數(shù)控教學中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2008（14）：236.

③ 王吉林.從教研教改中淺析工程型人才的培養(yǎng)[J].價值工程，2010（8）：154-155.

④ 徐開蕓，汪木蘭，左健民，朱曉春. 虛擬數(shù)控技術在多媒體CAI系統(tǒng)中的應用[J].機械設計與制造，2008（2）：139-141.