數(shù)控原理與系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐

賈茜+汪木蘭+劉樹青+宗亞妹

[摘 要]為培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的應(yīng)用型數(shù)控人才，針對數(shù)控原理與系統(tǒng)這門專業(yè)核心課程及相關(guān)實踐環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行教學(xué)改革。在理論教學(xué)中，應(yīng)突出“源于實踐，聯(lián)系實踐，指導(dǎo)實踐”的教學(xué)理念，結(jié)合多種教學(xué)方法進(jìn)行授課。在實踐教學(xué)中，引入以學(xué)生為主體的項目教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生動腦、動手、通過交流與合作來完成項目任務(wù)。該課程的教學(xué)改革有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強學(xué)生的動手實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程意識和團(tuán)隊意識。

[關(guān)鍵詞]數(shù)控原理；教學(xué)改革；項目教學(xué)

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0056-03

數(shù)控機(jī)床是一種精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它綜合了機(jī)械、計算機(jī)、微電子、自動化等領(lǐng)域的最新技術(shù)，是制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和不可或缺的重要環(huán)節(jié)。隨著數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)中所占比重的增加，國內(nèi)對于優(yōu)秀數(shù)控人才的需求也在不斷增加，尤其是高水平的數(shù)控機(jī)床設(shè)計、編程和維護(hù)的復(fù)合型人才缺口很大。[1]

在適應(yīng)社會發(fā)展，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的背景之下，南京工程學(xué)院對數(shù)控技術(shù)相關(guān)課程進(jìn)行了改革和探索，以提高學(xué)生的理論和實踐水平，增強學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程意識。本文從數(shù)控原理與系統(tǒng)課程入手，圍繞如何提高該課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量展開了一系列的討論和研究。

一、課程內(nèi)容及特點

數(shù)控原理與系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)數(shù)控加工與維修方向的專業(yè)核心課程，也是一門理論性強、知識面廣、綜合性強、技術(shù)發(fā)展迅速的課程。[2]該課程分為理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分。理論教學(xué)以數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部信息流為主線，從數(shù)控加工程序的輸入開始，到位置控制輸出為止，介紹了刀具補償原理、輪廓插補原理、進(jìn)給運動的控制、主軸驅(qū)動及控制、PLC及輔助功能實現(xiàn)等內(nèi)容。實踐教學(xué)包含課內(nèi)實驗和后續(xù)兩周的數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試實習(xí)。該課程是對數(shù)控系統(tǒng)工作原理的全面系統(tǒng)闡述，也是進(jìn)行數(shù)控編程及加工、數(shù)控機(jī)床故障診斷與維護(hù)的理論基礎(chǔ)。數(shù)控原理與系統(tǒng)課程的教學(xué)效果直接影響后續(xù)課程的開展，影響到學(xué)生今后從事數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)、數(shù)控加工、安裝調(diào)試和維護(hù)的能力。

二、“源于實踐，聯(lián)系實踐，指導(dǎo)實踐”的教學(xué)理念

數(shù)控原理與系統(tǒng)的授課內(nèi)容與數(shù)控機(jī)床的編程和操作聯(lián)系緊密，并且直接影響數(shù)控加工的質(zhì)量和效率。為此，我們提出了“源于實踐，聯(lián)系實踐，指導(dǎo)實踐”的教學(xué)理念。

在理論教學(xué)中，在學(xué)生掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，我們充分結(jié)合數(shù)控加工的實際情況和具體實例進(jìn)行分析和講解，并采用多媒體教學(xué)、軟件仿真、課堂討論等多種教學(xué)手段加深學(xué)生對知識的理解和掌握。在實踐教學(xué)中，我們引入以學(xué)生為主體的項目教學(xué)法，將課程所涉及的知識和技能通過一個明確的“項目任務(wù)”布置給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，運用所學(xué)的知識和技能，采用“團(tuán)隊學(xué)習(xí)”的方法，動腦、動手、交流和合作，最終完成項目任務(wù)。[3]

貫徹“源于實踐，聯(lián)系實踐，指導(dǎo)實踐”的教學(xué)理念，綜合運用多種教學(xué)方法和手段，既可以避免由于教學(xué)手段單一而造成的內(nèi)容枯燥、缺乏系統(tǒng)性的問題，又密切了理論知識與生產(chǎn)實踐的聯(lián)系，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，還有助于學(xué)生工程實踐能力和團(tuán)隊意識的培養(yǎng)。

三、采用多種方法提高理論教學(xué)效果

傳統(tǒng)的理論教學(xué)注重公式的推導(dǎo)，算法流程的分析，強調(diào)單個知識點的掌握，往往忽視理論知識與實踐的聯(lián)系。為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，結(jié)合數(shù)控原理與系統(tǒng)課程的特點，我們采用多種教學(xué)方法和手段進(jìn)行理論教學(xué)改革，加深學(xué)生對知識的理解和掌握，密切理論知識與數(shù)控機(jī)床安裝、調(diào)試及加工操作之間的聯(lián)系，增加學(xué)生解決實際問題的經(jīng)驗和能力。下面分別以數(shù)控系統(tǒng)刀具半徑補償和輪廓插補原理的教學(xué)為例，采用教師講授、學(xué)生討論、軟件仿真、對比分析等多種方法，進(jìn)行教學(xué)改革和探索。

（一）刀具半徑補償?shù)慕虒W(xué)實例

刀具補償在數(shù)控加工中有著非常重要的地位。該功能將控制對象由刀具中心或刀架參考點變換到刀尖或刀刃邊緣。刀具補償可以簡化數(shù)控加工程序的編寫，提高程序的利用率，對刀具磨損和換刀具有重要作用。刀具半徑補償是刀具補償中的難點。由于常用編程軌跡的連接方式和轉(zhuǎn)接過渡方式有多種，因此，刀具半徑補償?shù)膱?zhí)行過程也分為三個階段24種情況。

面對如此復(fù)雜的情況，我們在授課過程中采用教師講授與學(xué)生討論相結(jié)合的方法。教師先推導(dǎo)幾種典型情況下轉(zhuǎn)接點的坐標(biāo)計算公式，接著引導(dǎo)學(xué)生分析和推導(dǎo)其他情況下刀具半徑補償?shù)挠嬎惴椒?。然后，讓學(xué)生通過仿真軟件模擬每一種情況下刀具的運行軌跡，獲得轉(zhuǎn)接點坐標(biāo)，并與之前的推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行印證。最后，以學(xué)生數(shù)控加工實習(xí)所完成的零件為例，介紹刀具半徑補償從建立、進(jìn)行到撤銷的全部過程，以及數(shù)控系統(tǒng)中刀具半徑補償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)設(shè)置及功能調(diào)試的要點。課堂實踐表明，講授、討論、軟件仿真以及加工實例講解相結(jié)合的方法取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生聽課的積極性普遍提高，對知識的理解比較深刻。

（二）輪廓插補原理的教學(xué)實例

輪廓插補是數(shù)控系統(tǒng)的一個重要功能，是指根據(jù)零件輪廓尺寸，結(jié)合精度和工藝等方面的要求，在已知刀具中心軌跡轉(zhuǎn)接點之間插入若干中間點的過程。[4][5]插補速度直接影響數(shù)控系統(tǒng)的處理速度，插補精度又直接影響數(shù)控系統(tǒng)的加工精度。在授課過程中，教師首先講解幾種常見輪廓插補算法的基本原理，然后通過實例與仿真軟件相結(jié)合的方法進(jìn)行驗證和比較。例如，選擇一段圓弧輪廓，分別采用逐點比較法、數(shù)字積分法、比較積分法等多種方法進(jìn)行插補計算，求得一系列的插值點，并繪制各自的插補軌跡圖。之后，比較各種插補軌跡與理論輪廓的誤差，選擇誤差最小的插補算法。接著，利用仿真軟件進(jìn)行驗證，直觀地再現(xiàn)數(shù)控加工中走刀的全過程。結(jié)合理論講授、對比分析、軟件仿真等方法進(jìn)行教學(xué)，能使學(xué)生對輪廓插補原理的理解更加透徹，學(xué)生對加工過程的輪廓誤差也有更深入的了解，這有利于選擇合適的插補算法，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

四、基于項目教學(xué)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

實踐教學(xué)是數(shù)控原理與系統(tǒng)課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，其分為課內(nèi)實驗和數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試實習(xí)兩部分。課內(nèi)實驗由于學(xué)時所限，其主要是安排驗證性實驗，以加深學(xué)生對理論課所講授知識的理解和掌握，如刀具半徑補償計算實驗、步進(jìn)電機(jī)環(huán)分實驗等。數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試實習(xí)為期兩周，是實踐環(huán)節(jié)的重點。我們在實習(xí)中采用項目教學(xué)法，通過一個完整的“項目”，將數(shù)控原理與系統(tǒng)課程所涉及的知識和技能通過一個明確的“項目任務(wù)”布置給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，查閱資料，運用所學(xué)知識完成項目任務(wù)。項目教學(xué)法在實施過程中一般按照確定項目任務(wù)、制訂工作計劃、組織項目實施、檢查考核評估、總結(jié)評比歸檔等五個步驟展開。[6]

（一）確定項目任務(wù)

“西門子808D數(shù)控銑床安裝調(diào)試”是本實習(xí)的一個項目任務(wù)，主要由低壓電器回路設(shè)計、電氣安裝調(diào)試、數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動器調(diào)試、變頻器調(diào)試等部分構(gòu)成。該項目與數(shù)控原理與系統(tǒng)課程中進(jìn)給運動的控制、主軸驅(qū)動與控制以及PLC與輔助功能的實現(xiàn)等內(nèi)容緊密聯(lián)系。本次任務(wù)能夠幫助學(xué)生理解和把握本課程及相關(guān)課程所涉及的知識點，掌握電氣安裝和數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的思想和方法，訓(xùn)練學(xué)生協(xié)調(diào)、合作的能力。

（二）制訂工作計劃

明確項目任務(wù)后，學(xué)生查閱資料，分析項目要求，討論解決方法，制訂總體方案、實施步驟、進(jìn)度計劃及團(tuán)隊成員的分工情況。教師負(fù)責(zé)解答疑難問題，審閱項目計劃書。

（三）組織項目實施

學(xué)生按照項目分工和實施步驟，完成各自的任務(wù)。具體的實施步驟包括：1.查閱資料，繪制西門子808D數(shù)控銑床電氣原理圖；2.根據(jù)電氣原理圖，進(jìn)行電氣控制柜元器件的選型、布局及接線；3.變頻器調(diào)試；4.伺服驅(qū)動器的調(diào)試和伺服參數(shù)的設(shè)置；5.系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置及功能調(diào)試；6.PLC程序調(diào)試；7.系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份及恢復(fù)。在項目進(jìn)行過程中，學(xué)生是完成任務(wù)的主體，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，學(xué)生從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，這有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性。教師除了解答疑問，進(jìn)行引導(dǎo)之外，還要掌握項目的進(jìn)度和節(jié)奏，保證任務(wù)的順利進(jìn)行。

（四）檢查考核評估

在項目進(jìn)行過程中，指導(dǎo)教師要隨時關(guān)注小組各成員的進(jìn)展情況并進(jìn)行記錄，各子單元調(diào)試完成后也要進(jìn)行相應(yīng)的考核。項目任務(wù)結(jié)束后，要按小組進(jìn)行答辯，每位成員介紹自己完成的工作，指導(dǎo)教師根據(jù)項目完成情況、個人工作量、回答問題情況以及之前的考核記錄，給出分?jǐn)?shù)。

（五）總結(jié)評比歸檔

教師對各小組的完成情況進(jìn)行總結(jié)，對表現(xiàn)突出的小組和個人進(jìn)行表揚，引導(dǎo)學(xué)生之間相互交流、學(xué)習(xí)和借鑒。指導(dǎo)教師及分管領(lǐng)導(dǎo)召開項目總結(jié)會，交流項目教學(xué)過程中的經(jīng)驗、存在的問題以及改進(jìn)的方向。最后將項目成果進(jìn)行歸檔整理和展示。

五、總結(jié)

數(shù)控原理與系統(tǒng)課程是數(shù)控加工、安裝調(diào)試和維修的基礎(chǔ)。本文對該課程的理論教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革和探索。在理論教學(xué)中，突出“源于實踐，聯(lián)系實踐，指導(dǎo)實踐”的教學(xué)理念，將抽象的理論知識與具體的實際問題、現(xiàn)象結(jié)合起來進(jìn)行講授。在實踐教學(xué)中，我們引入項目教學(xué)法，將學(xué)生作為教學(xué)的主體，通過具體的項目任務(wù)，幫助學(xué)生將理論知識融會貫通。教學(xué)實踐表明，數(shù)控原理與系統(tǒng)課程的改革提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強了學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及實踐動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)工程意識。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 徐婭萍，王潤孝.數(shù)控機(jī)床課程教學(xué)的改革與實踐[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2007（4）：78-80.

[2] 吳愛萍，汪木蘭.《數(shù)控原理與系統(tǒng)》課程實踐教學(xué)體系與改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007（3）：22-24.

[3] 汪木蘭，周明虎，李建啟.以項目教學(xué)為載體制訂先進(jìn)制造技術(shù)卓越工程師培養(yǎng)方案[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010（12）：15-19.

[4] 何曉微，林礪宗，陳永平. 數(shù)控插補教學(xué)演示系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械與電子，2002（3）：57-59.

[5] 李源，周來水. 數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].機(jī)械工程與自動化，2007（6）：142-146.

[6] 陳荷燕，汪木蘭，劉樹青.項目教學(xué)法在機(jī)床電氣與PLC課程教學(xué)中的運用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010（13）：12-14.

[7] 陳弛文，何友成，王見華.《數(shù)控加工實訓(xùn)技術(shù)》說課設(shè)計[J].大學(xué)教育，2014（1）：139.

[責(zé)任編輯：陳 明]