基于技能人才培養(yǎng)的一體化課堂教學探討

鄒菁

摘要：在“中國制造2025”背景下，國家要求加快現(xiàn)代制造業(yè)人才培養(yǎng)，技師學院正積極進行一系列教學改革，旨在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。針對高端制造業(yè)人才培養(yǎng)必修的“五軸數(shù)控技術的編程與加工”課程開展一體化課堂教學，能夠很好地將知識、技能、職業(yè)素質(zhì)緊密結合，培養(yǎng)學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高學生主動學習的自覺性，開拓學生的思維，收到較好的教學效果。

關鍵詞：一體化教學;六步教學法;學習效果;UG NX系統(tǒng)

中圖分類號：G718 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1672-5727（2017）12-0061-05

“中國制造2025”的核心目標是完成我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉變?！度肆Y源和社會保障部關于推進技工院校改革創(chuàng)新若干意見》對我國職業(yè)教育的教學和課程改革提出了一系列方案，如工學一體、理實一體、校企結合等。作為培養(yǎng)高技能人才搖籃的技師學院，積極開展五軸數(shù)控加工技術的一體化教學具有重要現(xiàn)實意義，有利于發(fā)揮學生學習的主動性及創(chuàng)造性，有利于推進高端制造技術進校園，加快培養(yǎng)適合社會需求的高端制造業(yè)人才的步伐。

一、一體化教學概述

一體化教學是指以職業(yè)能力為培養(yǎng)目標，把職業(yè)能力所包括的理論知識、操作技能在各個教學環(huán)節(jié)中相互融合，通過工作單元、工作頁等將理論知識與實操能力有機結合進行教學，使受教育者在做中學，在學中做，提高受教育者的知識、技能水平及綜合素質(zhì)的教學。其特點，一是教學內(nèi)容項目化，理論與實操有機融合，教中學，學中做;二是教學模式多樣化，以學生為主體，以教師為主導，提高學生學習的主動性、創(chuàng)新性;三是教學環(huán)境仿真化，教學場所仿照企業(yè)標準，使教學場所的環(huán)境具有明顯的企業(yè)特征。

二、一體化教學的前期準備

一體化教學的主要特點是打破理論課與實操課的界限，將課程的理論知識教學、操作技能教學、生產(chǎn)實踐、技術服務融于一體，為此必須完善相應的管理制度、場地建設、師資隊伍、教學設計、績效評估、激勵機制等，筆者將重點探討從以下幾個方面開展一體化課堂教學實施的方法。

首先是教學環(huán)境的準備?！癠G NX數(shù)控編程教程”是一門編程課程，要按UG NX系統(tǒng)要求設置教學場地及配置設備，配置計算機30臺，實現(xiàn)單人單機操作，五軸數(shù)控加工中心一臺、相關的刀量具若干，工件毛坯棒料5根，用于加工工件，以驗證編程策略的可行性及科學性，教學場地在實習工廠進行[1]。

其次是教學工作頁的準備。由企業(yè)數(shù)控專家、任課教師共同確定教學內(nèi)容，編制教學進度，將工廠的實際要求融入課堂，培養(yǎng)實用型人才。

再次是授課方法的選定。通常用六步教學法：信息、計劃、決策、實施、檢查、評價[2]。以加工工件為任務載體，教師為主導，學生為主體，在“教、學、做”一體化教學[3]模式下，學生能順利完成任務。

最后是教學手段的運用。用多媒體輔助工具進行教學，增強視聽感，可實時了解學生的學習情況，針對性地指導學生的學習活動，是目前職業(yè)教育比較推崇的教學手段。

三、一體化課堂教學的實施

采取以工作過程為導向的任務驅動法開展一體化課堂教學，將學習領域中的能力目標和學習內(nèi)容進行基于教學論和方法論的轉換后加以實施。具體的工作任務是：用UG NX系統(tǒng)對所要加工的工件進行編程，并在五軸加工中心輸入程序完成工件加工。

（一）計劃——教學任務的分析

以教師為主導，以學生為主體，引導學生對工作任務進行分析。一是培養(yǎng)學生分析問題的能力，二是檢查學生對已學習知識的掌握程度，三是引導學生主動學習的自覺性。具體操作：將學生分為5人一組，每組學生共同對工程圖進行分析，該工件包括孔、球、槽、型腔、斜面、平面等，按學生已有的工件加工經(jīng)驗，要進行多次裝夾、多次換刀才能完成，是耗時較長的復雜零件，但用五軸加工中心可一次裝夾，通過UG系統(tǒng)編程一次完成加工，讓學生對UG系統(tǒng)有感性認識。

（二）信息——UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)及五軸數(shù)控加工中心的介紹

以教師為主體向學生介紹 UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)及五軸數(shù)控加工中心的性能。

1.UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)

UG NX（英文Unigraphics ?NX，簡稱UG），是由西門子UGS PL軟件開發(fā)，集CAD/CAE于一體的產(chǎn)品生命周期管理軟件，具有強大的數(shù)控編程能力，其刀路驅動方法和刀軸控制方法靈活、方便，應用廣泛，在國內(nèi)數(shù)控編程軟件中占據(jù)主要地位。UG NX系統(tǒng)編程規(guī)劃如圖1所示。

2.信息——五軸數(shù)控加工中心簡介

五軸數(shù)控加工是數(shù)控技術中難度最大、應用范圍最廣的技術之一，相比三軸機床，由于刀具干涉、刀軸控制的復雜性和靈活性等原因，五軸數(shù)控加工在機床結構、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和數(shù)控編程等方面都有更高的要求，編程和操作也更復雜。五軸數(shù)控機床通過增加繞直線坐標軸 X、Y、Z 軸旋轉的 A、B（或者 C）軸的組合，一次裝夾就可完成復雜加工，使固定在工作臺上的工件除了底面之外，其余的五個面都可以進行加工，具有刀具擺動型、刀具與工作臺回轉/擺動型、工作臺回轉/擺動型等多種結構形式，是能夠完成葉輪、葉片、電機轉子、汽車轉子等復雜加工的唯一手段。五軸加工中心在技術含量上擁有十分明顯的特點，已經(jīng)為諸多領域，如航空航天事業(yè)、軍事產(chǎn)業(yè)及科研領域，帶來了較大的生產(chǎn)效益。我校主要使用MAZAK VARZAXIS J-500五軸數(shù)控加工中心加工工件。

（三）決策——指導學生規(guī)劃工件加工工藝流程

根據(jù)學生對工程圖的分析，指導每組學生規(guī)劃工件的加工工藝流程。這個過程是學生對前期所學知識的綜合運用，每組學生的思考方向不盡相同，編制的工藝流程圖各有區(qū)別。但學習積極性高漲，自主學習的意愿強烈。教師可針對各組情況因勢利導，調(diào)整學生的思考方向，逐步形成共同的工藝流程：平底刀粗加工輪廓→前方斜槽殘料粗加工→左側斜槽殘料粗加工→零件頂平面精加工→右側斜面精加工→左側斜面精加工→前側斜面精加工→后側斜面精加工→前側垂直側邊精加工→后側垂直側邊精加工→左側凹槽底面及側面精加工→后側凹槽底面及側面精加工→前側曲面圓角加工→后側曲面圓角精加工→頂部凹型曲面精加工→字體雕刻→中心定位鉆→鉆孔。

（四）決策——刀具的選擇

學生根據(jù)零件的加工工藝流程分別依次選取平面粗加工的銑刀D12，精加工銑刀D6，粗加工球頭銑刀R3，球頭銑刀R6，球頭銑刀R2，球頭銑刀R1，鉆刀DR3，鉆刀DR6，把選好的刀具依次裝入MAZAK VARZAXIS J-500五軸數(shù)控加工中心刀具庫備用。

（五）實施——UG NX數(shù)控編程系統(tǒng)的教學

運用多媒體輔助工具進行教學，采用講練結合，學生可根據(jù)自己已經(jīng)掌握的知識和經(jīng)驗，確定各種切削參數(shù)的設定、各種刀路的設計策略。通過UG軟件自帶的刀路仿真驗證自己的編程策略，教師對每個學生產(chǎn)生的問題進行個性化指導，使學生能及時知道自己的不足，及時修正。學生由被動學習變?yōu)橹鲃訉W習，容易產(chǎn)生成就感，進而提高學習自覺性。教師應適時加以鼓勵，肯定學生取得的進步，增強學生的自信心，在不斷的交流中，教師能及時發(fā)現(xiàn)教學中的不足，及時調(diào)整教學進度及教學手段。在教學過程中，通常以學習小組為單位，讓學生共同完成工作任務，培養(yǎng)學生的協(xié)作能力、交流能力，增強學生的自信心，使學生在收獲知識、技能的同時，使態(tài)度、情感、價值觀得到發(fā)展，達到預期的教學效果。下面以幾個模塊的教學為例展示編程策略。

1.進入加工模塊

單擊工具欄左上角“開始”→“加工”，系統(tǒng)彈出“加工環(huán)境初始化”對話框（只有首次進入加工模塊會出現(xiàn)該對話框），選擇“mill_contour”作為編程初始化設置。

2.定義坐標系及幾何體

（1）定坐標系。將工序導航器定位到“幾何視圖”，雙擊“坐標系MCS”，在彈出的坐標系定義對話框中，將加工原點定義到毛坯最高面的中心點;將“安全設置選項”定義為“平面”，以XY平面為參考，偏置30mm作為全局加工安全高度。

（2）定義工件毛坯。將工序導航器定位到“幾何視圖”，雙擊“WORKPIECE”，在彈出的工件定義對話框中分別設定加工部件及加工毛坯，如圖2所示。

3.創(chuàng)建程序組

將工序導航器定位到“程序視圖”，本案例創(chuàng)建8個程序組（名字可以自定義），便于程序管理，參考如圖3所示。

4.創(chuàng)建刀具

將工序導航器定位到“機床視圖”，創(chuàng)建本案例需要用到的刀具。

5.刀路編程

選取有代表性的零件輪廓粗加工刀路編程，說明UG NX軟件的應用及數(shù)控加工工藝規(guī)劃、參數(shù)設定。

6.φ12平底刀輪廓粗加工

（1）創(chuàng)建工序。單擊工具欄“創(chuàng)建工序圖標”或右擊程序組“ROUGH_1”→“插入”→“工序”，系統(tǒng)彈出“創(chuàng)建工序”對話框，工序類型選擇“mill_contour”，工序子類型選擇“型腔銑”，具體參數(shù)設置如圖7所示。

（2）刀軌設置。一是設置全局參數(shù)，切削模式為“跟隨周邊”，步距為刀具直徑70%。二是切削層。定義每層下刀量為1mm（或者自定義其他數(shù)值）。如圖4所示。三是設置切削參數(shù)。設置部件余量為0.3mm，底面余量為0.1，切削順序為“深度優(yōu)先”，如下頁圖5所示。四是設置非切削參數(shù)。定義進刀類型為“螺旋”，參數(shù)設置如下頁圖6所示。五是設置進給率和轉速，根據(jù)自身機床性能及加工要求設置，參考如下頁圖7所示。

（3）單擊主對話框的“生成”按鈕，完成刀路計算，如下頁圖8所示。

以上每一模塊都采用“教、學、做”一體化教學模式，以工作任務為載體，以學生為主體，教師作適時的輔導，講原理——實踐編程——講解問題——再實踐編程，使學生全身心投入學習，遇到問題及時提問，教師針對共性問題及時講解，個性問題個別輔導，使教與學相長，提高學習效率。

（六）實施——五軸數(shù)控加工中心加工工件

各小組將以上調(diào)試好的CN程序輸入五軸加工中心，為加工工件做好準備。五軸數(shù)控加工中心加工工件的操作流程為：刀具庫安裝（按以上刀路順序）→工作臺夾具安裝→工件毛坯裝夾→對刀確定工件中心→運行程序加工工件。在加工過程中涉及刀庫安裝、工件毛坯選擇、毛坯裝夾、對刀等不在這里詳述。

運行加工：啟動運行程序加工工件。

四、檢查——工件的分析

五軸加工中心比傳統(tǒng)的三軸加工設備多了兩個旋轉的自由度，給刀路規(guī)劃造成一定的困難，在刀路編程策略及加工的進給速度不合理的情況下，容易產(chǎn)生過切干涉、碰撞干涉現(xiàn)象。本次加工工件過程中各小組的情況不盡相同，就出現(xiàn)了碰撞干涉、過切干涉、欠切干涉及表面精度不高等缺陷。

分析問題產(chǎn)生的原因，探討解決方案，可以進一步檢驗學習效果，提高學生UG NX數(shù)控編程能力，提高學生對五軸數(shù)控加工中心的應用水平及創(chuàng)新能力。

（一）產(chǎn)生碰撞干涉的原因及解決方案

產(chǎn)生碰撞干涉的原因有多種因素，主要是選擇刀具的直徑與加工曲面的曲率匹配度不合理[4]。刀路切入方向及退刀方向存在慣性，當加工工件時，進給速度過快，退刀高度不夠，切削余量太小等的共同作用容易產(chǎn)生碰撞干涉。經(jīng)過實踐，重新調(diào)整了刀路編程，調(diào)整了相關參數(shù)，在銑切內(nèi)表面輪廓時，銑刀從切向切入，安排從圓弧過渡到圓弧的加工線路，多安排一段圓弧再退刀，就可減少法線方向上進刀、退刀在高速運行時所產(chǎn)生的剛性沖擊;同時，降低進給速度，調(diào)整刀具的直徑，略增加切削余量等，即可消除碰撞干涉。

（二）產(chǎn)生過切干涉的原因及解決方案

過切現(xiàn)象出現(xiàn)在不同軸向兩相交面處，產(chǎn)生原因多樣，一是刀路編程轉速過高，不同軸速度之間存在滯后特性，致使刀具在軸向運動時存在慣性。當程序指令發(fā)生改變時，Y軸對指令位置有滯后量，當X軸方向開始加速時，Y 軸尚未到拐點，這就是所謂“拉刀”現(xiàn)象，會出現(xiàn)工件過切。二是建立或撤消刀具補償?shù)穆窂讲划?。三是切削余量太小。采取降低轉速，編程時在拐角處略作停頓，減少慣性;在刀具切入、切出方向上選取有切線的延長線;略增加切削余量，即可消除過切現(xiàn)象。

（三）產(chǎn)生欠切干涉及表面精度差的原因及解決方案

欠切干涉的主要原因是工件對刀點與工件坐標點有偏差，未達到兩者重合，銑削外輪廓時會導致一邊輪廓切削量多，另一邊切削少，從而造成工件欠切干涉。同時，由于工件毛坯端面不是平面，這種對刀偏差也會造成端面的切削量不一樣，從而降低端面精度;精度不高與刀具的精度及切削余量也有密切關系。采取重新對刀可消除坐標偏差，提高刀具精度，順銑走刀（銑刀的走刀方向與在切削點的切削分力方向相反稱為順銑）可減少設備的“顫振”，提高工件的表面精度和加工精度。

五、評估——對課堂教學效果的評價

通過一體化課堂的學習，使學生了解了UG NX系統(tǒng)軟件具有人性化的操作模塊、強大的3D建模、快速的數(shù)控編程能力，學習了其刀路驅動方法和刀軸控制方法的技巧，通過對孔、球面、型腔、斜面等粗加工，精加工刀具選擇、加工工序、切削速度、加工余量等參數(shù)的設定等，對工件的加工工藝進行了很好的總結;通過自己制定編程策略并用五軸加工中心加工工件，學習了多軸加工中心一次裝夾，快速完成多面、型腔、孔、球、槽等加工的精確高效的加工能力;通過對工件缺點的分析，從加工結果檢驗編程策略，分析問題產(chǎn)生的原因，重新調(diào)整編程策略的相關參數(shù)，再加工工件，切實解決問題，有效地檢查教學效果與質(zhì)量，達到了理想的教學效果，并為下一階段“VERICUT仿真”課程學習做了鋪墊;用專業(yè)仿真軟件避免成品工件可能出現(xiàn)的碰撞干涉、過切干涉、欠切干涉，激發(fā)了學生的求知欲望，增加了學習興趣。

六、總結

在一體化課堂教學過程中，做到理論教學與實操教學一體化，“教、學、做”一體化，學習知識、分析、解決問題一體化，充分發(fā)揮教師的主導作用，能及時了解學生掌握知識程度，有效調(diào)整教學進度，及時補充學生知識的缺漏。教師在課堂上更加重視學生的努力態(tài)度和進步幅度，可讓每個學生在成就感中提高學習的自覺性，取得較好的教學效果。在任務驅動的一體化課堂教學中，通過學習——實踐——再學習——再實踐的過程，可以強化學生對知識的掌握，更能使學生體驗到愉快學習;同時，在合作小組中學習，同學之間互相幫助，優(yōu)劣互補，可激發(fā)學生自主學習的興趣，更好地培養(yǎng)學生在學習中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，開拓學生的思維，使其在實踐中不斷總結經(jīng)驗，優(yōu)化工藝，提高創(chuàng)新能力。這些都是一體化課堂教學的優(yōu)勢，對培養(yǎng)高層次技能人才可起到積極推動作用，具有較大的推廣價值。

參考文獻：

[1]北京兆迪科技有限公司.UG NX 8.5寶典[D].北京：水利出版社，2013.

[2]姜大源.工作過程系統(tǒng)化：中國特色的現(xiàn)代職業(yè)教育課程開發(fā)[J].順德職業(yè)技術學院學報，2014（3）：1-11.

[3]趙連俊.“教學做”一體化教學的探索與實踐[J].遼寧高職學報，2009（5）：28-29.

[4]楊勇生.數(shù)控加工編程中刀具干涉的研究現(xiàn)狀及存在的問題[J].計算機輔助工程，1999（10）：42.

On the Integrated Classroom Teaching Based on Skill Training

——A Case Study of "UG NX Numerical Control Programming Tutorial"

ZHOU Jing

（Guangzhou Light Industry Technician College，Guangzhou Guangdong 510220，China）

Abstract： Under the background of "Made in China 2025"， the government requires technician colleges to speed up the training of modern manufacturing personnel， and actively carry out a series of teaching reforms， in order to improve the quality of high-end personnel training. The integrated teaching classroom of "Five-Axis Numerical Control Programming and the Processing" courses which are for the cultivation of high-end manufacturing talents can unify knowledge， skills， and professionalism better， develop students' ability of discovering， analyzing and solving problems， improve students' initiative to learn， open up students' mind and develop their independent thinking skills and achieve better teaching results.

Key words： integrated teaching; six-step teaching method; learning effect; UG NX system