基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學實踐

劉霞

摘要：在中等職業(yè)學校的數(shù)控技術課程教學中，數(shù)控加工仿真軟件在激發(fā)學生學習興趣、降低教學成本、確保人機安全無誤、減輕教師教學負擔等方面發(fā)揮著巨大的作用，但在加工工藝、安全操作等方面仍存在某些不足。因此，應基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學模式，將數(shù)控加工仿真系統(tǒng)融入課堂教學和技能訓練中，實現(xiàn)“教—學—練”一體化教學，以達到提高教學實效性、激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生數(shù)控能力的目的。

關鍵詞：數(shù)控；仿真軟件；一體化教學；教學質量

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5727（2017）10-0072-05

隨著生產(chǎn)制造技術的不斷更新，現(xiàn)代制造企業(yè)對數(shù)控加工技術人員的要求越來越高。這對中等職業(yè)學校數(shù)控專業(yè)的教學而言，既是機會，也是挑戰(zhàn)。基于數(shù)控技術課程的綜合性和實踐性——其內容涉及機械制造技術、測量與公差、數(shù)控工藝與設備、數(shù)控原理、數(shù)控編程等專業(yè)理論知識，也涉及數(shù)控機床操作、數(shù)控加工工藝、數(shù)控機床維護等專業(yè)技能。面對知識基礎較為薄弱、缺乏學習積極性和自覺性的中職學生以及教學設備和實習場地稀缺的教學條件的現(xiàn)實情況，數(shù)控加工仿真軟件已經(jīng)成為多數(shù)中等職業(yè)學校數(shù)控技術課程教師激發(fā)學生學習積極性、提高教學質量、取得理想的教學和實踐效果的重要手段。

一、數(shù)控加工仿真軟件的作用

數(shù)控加工仿真系統(tǒng)可模擬實際機床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)，將加工走刀和零件切削過程以動態(tài)形式進行模擬，使學習者能夠體驗接近真實的機床操作感覺。

國內中職學校較多使用上海宇龍、北京斐克VNUC、浙大辰光、南京斯沃和南京宇航等數(shù)控仿真系統(tǒng)，能模擬仿真目前市場上主流的FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI、華中等數(shù)控系統(tǒng)的加工程序編制、數(shù)控機床操作、工件加工和測量等數(shù)控加工全過程。

在工藝分析和程序編制之后，仿真加工的步驟為：選擇系統(tǒng)類型和機床→機床回零→導入數(shù)控程序→定義毛坯、安裝工件→選擇、安裝刀具→對刀操作→參數(shù)設置→程序校驗→刀具軌跡模擬→自動加工零件。如圖1所示，數(shù)控加工仿真系統(tǒng)能夠顯示與機床操作面板完全相同的工作界面，可以真實地模擬毛坯設置、刀具準備、基準測量、程序編寫等數(shù)控加工過程，動態(tài)地模擬顯示機床的運行狀況，并在運行過程中提示編程錯誤、操作錯誤、機床碰撞等報警信息[1]。

在中等職業(yè)學校的數(shù)控技術課程的教學中，數(shù)控加工仿真軟件在激發(fā)學生學習興趣、降低學校教學成本、確保人機安全無誤、減輕教師教學負擔等方面發(fā)揮著越來越大的作用。

（一）理論聯(lián)系實際，抽象化為具體，激發(fā)學生學習興趣

數(shù)控技術課程不僅要教會學生數(shù)控機床操作、數(shù)控加工工藝、數(shù)控機床維護等專業(yè)技能，更要講授機械制造技術、測量與公差、數(shù)控工藝與設備、數(shù)控原理、數(shù)控編程等專業(yè)理論知識。基礎較為薄弱的中職學生常會覺得理論知識的學習枯燥乏味，從黑板和書本上難于了解數(shù)控機床的結構，更無法理解其工作原理，面對抽象的制造工藝和編程代碼無從下手。這些困難在一定程度上打消了學生的學習積極性，磨滅了學生的學習興趣，也影響了學生對課程的學習效果。

數(shù)控仿真軟件在很大程度上解決了數(shù)控技術課程理論與實際脫節(jié)的問題。仿真軟件允許學生從不同角度對數(shù)控機床內部結構進行深入觀察，可幫助學生了解機床各組成部分的工作原理；通過路徑模擬和實際加工兩種形式運行程序，可幫助學生掌握指令并驗證程序對錯；允許學生從任意角度觀察毛坯加工為成品的過程。將理論知識與實際工作相結合，將抽象的理論知識具體化，能夠提高學生的學習積極性，激發(fā)學生的學習興趣，強化學習效果。

（二）節(jié)省訓練空間，提升利用效率，降低學校教學成本

在數(shù)控技術教學中，為保證學生的訓練時間和訓練質量，往往需要足夠大的訓練場地、數(shù)量和種類足夠多的數(shù)控設備，以及訓練過程中必需的設備維護保養(yǎng)、材料、刀具、冷卻液、潤滑油等。昂貴的資金消耗和繁雜的管理事務往往使中職學校不堪重負。

使用數(shù)控加工仿真軟件進行訓練，只需要裝備足夠的計算機即可，機床型號（大、中、?。┖拖到y(tǒng)（FANUC和SIEMENS）能夠按要求設置。如果訓練數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心等不同項目，只需要適當更新仿真軟件即可。相對于數(shù)控設備多樣化、占地大、消耗多的缺點，使用仿真軟件不僅同樣能夠用不大的訓練空間滿足多樣化的教學需要，而且可以保證學生有充足的時間、隨時隨地地學習與訓練，設備利用效率得以提升，學校又不必投入過多的教學成本，是中職學校辦好數(shù)控技術專業(yè)的重要舉措。

（三）及時發(fā)現(xiàn)錯誤，減少無謂傷害，確保人機安全

中職學生在學習和訓練的過程中，不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的誤操作問題，如撞刀、超程操作等。各種誤操作不僅會損傷設備，還有可能傷害到人身安全，甚至造成不可挽回的人身財產(chǎn)損失。

數(shù)控加工仿真軟件的引入可方便地解決誤操作的問題，可以減少和降低誤操作引發(fā)的風險和事故。在仿真軟件中，刀具沿著所定義的加工軌跡進行動態(tài)加工，并且程序里的問題可以提前驗證以幫助學生及時發(fā)現(xiàn)錯誤。學生在反復訓練時，可以直觀地觀察加工過程，判斷刀具軌跡的連續(xù)性和合理性，進一步加深對加工工藝和刀具軌跡的理解；對不滿意的加工結果，學生可以重新編制加工程序進行仿真，直至找出錯誤，完成加工。在訓練過程中，如果遇到刀具干涉、空走刀、撞刀、超程等誤操作，軟件可以自動報警，提醒學生注意并修改。教師可以及時給學生講解問題所在，學生在仿真軟件中也會吸取誤操作的教訓并加以改正，如此反復訓練后，學生再進行實際操作時就會更加安全，極大地降低事故發(fā)生的風險，確保數(shù)控設備和學生人身的安全。

（四）自動驗證程序，使用網(wǎng)絡測評，減輕教師教學負擔

在學習數(shù)控編程的過程中，即使對同一零件圖，學生編制的程序也不盡相同。找出錯誤使程序正確運行、批改作業(yè)、統(tǒng)計成績等工作會占用教師較多的時間和精力。仿真軟件允許學生自行輸入程序并驗證程序的準確性，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡測評、自動評分、成績分析等[2]，將教師從繁重的教學工作中解放出來。教師得以將時間和精力用在實施教學改革以更好地提高教學質量上。endprint

二、數(shù)控加工仿真軟件的不足

盡管數(shù)控加工仿真軟件改變了傳統(tǒng)的數(shù)控技術教學模式，可以給學生、學校和教師帶來好處，也能保證設備和學生的安全，但不可否認，在加工工藝、安全操作等方面仍存在一些不足。

（一）沒有參數(shù)影響，不利于養(yǎng)成學生重視加工工藝的習慣

在數(shù)控仿真軟件中，只要程序正確，加工參數(shù)的不同不會影響模擬加工結果，例如主軸轉速分別設為S1000 r/min與S10000 r/min、切削進給量為F0.5mm/r與F0.1 mm/r時模擬出的加工結果相同，這容易使學生忽視加工工藝參數(shù)的合理選擇，產(chǎn)生參數(shù)可以隨意設定的印象。而在實際加工中，不同的加工參數(shù)得到的結果大相徑庭，甚至可能出現(xiàn)打刀、產(chǎn)生廢品、機床停機、造成重大安全事故等嚴重后果。

學生在應用數(shù)控仿真系統(tǒng)訓練時，常常會出現(xiàn)不重視數(shù)控加工工藝的問題，例如，忽視切削三要素的選擇以及零件的裝夾；選刀具時只看外形，不清楚不同刀具的具體功用；不能判斷工件的表面粗糙度、尺寸及尺寸精度等是否合適。在實際操作機床時，這些問題終會影響工藝分析，使編制的加工程序不正確，導致工件無法達到尺寸精度要求，或發(fā)生蹦刃、撞刀、碰撞等事故。

（二）缺乏真實感知，不利于培養(yǎng)學生注重安全操作的意識

數(shù)控仿真軟件畢竟不是真實的數(shù)控機床，學生在訓練時缺乏真實感知。例如，在仿真軟件中，數(shù)控機床手輪用鼠標操作，即使刀具撞到工件，也不會出現(xiàn)安全事故；但當操作真實的數(shù)控機床時，如果學生在使用手輪時不注意刀具而是只看顯示屏，或者將手輪倍率調得過大，刀具極易與工件、卡盤或尾架相撞，并可能造成安全事故。

在操作真實機床進行實際加工時，學生應有安全操作的意識并養(yǎng)成良好的操作習慣，例如，按照數(shù)控機床的操作規(guī)程規(guī)范操作；發(fā)生事故時及時按下急停按鈕；加工前關閉機床安全門；加工過程中不把頭和手伸進加工區(qū)域；加工后清潔打掃、維護和保養(yǎng)數(shù)控機床等。但在仿真軟件中，這些環(huán)節(jié)都可以忽略不計，導致安全意識淡薄，在實際操作機床時就可能發(fā)生事故。

另外，許多工作只有在親自操作數(shù)控機床進行實際加工的過程中才能實現(xiàn)，例如，安裝刀具和工件，使用光電對刀儀和Z向對刀器進行準確的對刀校準，一些專用夾具的裝夾過程及其設計原理分析，不同切削參數(shù)的影響，刀具、冷卻液和潤滑油是否適合，工作臺可否夾緊，根據(jù)聲音判斷機床狀態(tài)并及時調整參數(shù)以降低發(fā)生故障和停機的概率等。這些在使用仿真軟件訓練的過程中，都無法學習得到[3-4]。

三、基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學實踐

鑒于數(shù)控加工仿真軟件的作用和不足，考慮到數(shù)控技術課程的理論性和實踐性，將數(shù)控加工仿真系統(tǒng)融入課堂教學和技能訓練中，實現(xiàn)“教—學—練”一體化教學，既能充分發(fā)揮課堂教學、仿真軟件和技能訓練各自的優(yōu)勢，又能克服各自的不足，取得1+1+1>3的效果，使枯燥的理論直觀生動，使軟件的仿真逼近真實，使實際的操作安全簡單，達到提高教學實效性、激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生數(shù)控能力的目的。

基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學采用項目教學法，基本模式如表1所示。

在基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學實踐中，對每一個項目都可采取課堂教學先行，數(shù)控仿真軟件適時跟進并與課堂教學交叉進行，隨后進行嚴格有序的技能訓練的教學模式。

以如圖2所示的國際象棋零件的數(shù)控加工項目為例，基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學采用項目教學法的基本操作步驟如下：

一是課前準備環(huán)節(jié)。教師拿出一個已經(jīng)加工好的國際象棋零件，交給學生傳閱，并適時提出問題，例如，是否可以使用之前學過的指令進行加工？如果可以，該用什么指令？如何編程？如果不可以，為什么？以零件和問題激發(fā)學生的探究興趣。

二是課堂教學環(huán)節(jié)。教師和學生一起進行工藝分析，選取合適的進給量、轉速等加工參數(shù)，并著重講解G71、G73指令。

三是軟件仿真環(huán)節(jié)。要求學生使用仿真軟件進行編程模擬，觀察不同指令的走刀路線（如圖3所示），總結兩個指令的不同之處，加深對G71、G73指令內涵的理解，并完成仿真加工的全部步驟（如圖4所示）。在此過程中，教師應監(jiān)督學生及時發(fā)現(xiàn)問題并改正。

四是技能訓練環(huán)節(jié)。在學生通過軟件模擬熟練、正確后，可允許學生實際操作機床加工零件。車削時，教師應及時提醒學生注意安全操作和加工工藝，例如，刀具的合理選擇，進給量、轉速等加工參數(shù)的調整，工序尺寸的計算等，尤其應注意各個節(jié)點的計算。

五是總結評價環(huán)節(jié)。教師可以請每個學生講解自己的編程思路、加工工藝的選擇及其得失、編程和加工過程中發(fā)現(xiàn)的問題以及處理辦法等，并對自己的作品做出自我評價，給出成績A。同時，在學生講解后，請其他同學進行評價，給出成績B。最后，教師從學生的課前準備、軟件仿真、技能訓練、作品以及自我評價等方面進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)亮點，指出問題，幫助學生提高，并結合成績A和成績B，給出最終成績。

在基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學實踐過程中，有些事項需要注意：

首先，項目的安排要循序漸進，由易到難。每個階段項目選題的難度應適宜，如果項目選題過于容易，學生會覺得課程沒有難度，就不會認真鉆研，也不能取得成效；如果項目選題過難，學生總是完成不了，慢慢地就會失去興趣，不愿意再學習思考了。通常，項目選題應以讓學生“跳一跳，夠得著”為度，學生只要經(jīng)過思考和訓練，就能夠獲得預期的作品和成績。這樣，可以切實提高學生的學習興趣，充分發(fā)揮一體化教學模式的優(yōu)勢。

其次，項目中的加工零件最好是學生日常所能見到、所能用到的，如圖2所示的國際象棋零件、圖5所示的葫蘆零件和圖6所示的酒杯零件等。對于這類零件，學生常見，但不知道如何加工，以此類零件為項目選題，能在很大程度上吸引學生興趣，以便引導學生一步一步完成課前準備、課堂學習、軟件仿真、技能訓練、零件制作以及自我評價等環(huán)節(jié)，最大限度地取得一體化教學的良好效果。endprint

再次，教師務必掌握好仿真軟件的應用方法，擺正仿真軟件在教學中的位置。只有擺正仿真軟件在教學中的位置，才能做到既不完全依賴于仿真軟件進行教學，導致學生在技能訓練中出現(xiàn)加工工藝不合理、安全操作有隱患等問題，又能最大限度地發(fā)揮仿真軟件在數(shù)控加工過程中的優(yōu)勢和作用。在一體化教學過程中，將數(shù)控加工仿真系統(tǒng)有機地融入課堂教學和技能訓練中，取長補短，彌補其在加工工藝、安全操作等方面的不足，可以達到事倍功半的效果。

最后，在教學實踐中，若結合行動導向教學法，將會進一步提高學生的各方面能力。行動導向教學法一般按照獲取信息、制定工作計劃、做出決定、實施工作計劃、控制質量、評定工作成績等六個步驟進行教學，是解決結構較復雜、與職業(yè)實踐或日常生活有關、具有工作過程系統(tǒng)性的綜合性問題的有效方法，便于幫助學生建立理論與實踐的聯(lián)系，照顧學生的興趣和經(jīng)驗，強調學生之間的合作與交流。如果能將行動導向教學模式與基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學模式有機結合，在培養(yǎng)學生綜合素質和能力方面無疑是非常好的，是中等職業(yè)學校數(shù)控技術課程值得嘗試的教學改革方向。

實踐表明，基于仿真軟件的數(shù)控技術一體化教學模式既可充分發(fā)揮數(shù)控加工仿真系統(tǒng)在課堂教學和技能訓練方面的優(yōu)勢，又可克服各環(huán)節(jié)的不足，在激發(fā)學生學習興趣、降低學校教學成本、減少安全事故發(fā)生、緩解教師教學負擔等方面作用明顯，是中職學校培養(yǎng)數(shù)控操作技術人員、提高教學質量的有效教學模式。

參考文獻：

[1]王海根，馬劍.仿真軟件在數(shù)控技術課程教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2007（11）：30-32.

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[3]蔣校輝，李建明.論數(shù)控仿真軟件教學改革[J].湖南工程學院學報，2012（2）：118-121.

[4]崔明敏.數(shù)控仿真軟件與數(shù)控實訓相結合進行有效教學的實踐與研究[J].中等職業(yè)教育，2011（12）：12-14.

[5]史銀花.《仿形車削循環(huán)》教學設計[J].鎮(zhèn)江高專學報，2016（2）：91-93.

Teaching Practice of NC Technology Integration Based on Simulation Software

LIU Xia

（Hebei Locomotive Technician College， Tangshan Hebei 063000，China）

Abstract： In the teaching of numerical-control technology courses in secondary vocational schools， CNC machining simulation software plays huge roles in stimulating students 'interest in studying， reducing teaching costs， keeping operator and machine safe and relieving the teaching burden of teachers. However， it still has some shortcomings in the aspects of processing technology and operation safety. So， the integrated teaching mode of NC technology based on simulation software integrates CNC machining simulation system into theory teaching and skill training， realizes the integration teaching of "teaching - studying - practicing"， and achieves the purpose of improving teaching effectiveness， stimulating interest in studying and cultivating NC ability.

Key words： numerical control；simulation software；integration teaching；teaching qualityendprint