類(lèi)比式數(shù)控車(chē)削仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究與實(shí)踐

王良 車(chē)曉毅 李志剛

摘? 要：針對(duì)數(shù)控車(chē)削編程指令及指令之間的區(qū)別不易被學(xué)生掌握的問(wèn)題，基于數(shù)控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提出了類(lèi)比式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即采用具有漸進(jìn)關(guān)系的指令分別對(duì)同一個(gè)案例進(jìn)行編程，并進(jìn)行仿真加工，類(lèi)比不同程序?qū)崿F(xiàn)同一案例加工的區(qū)別與聯(lián)系。能幫助學(xué)生更好地掌握數(shù)控編程指令及用法等理論課程知識(shí)，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)削? 編程? 仿真? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 類(lèi)比式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? ????????????? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）01（a）-0106-05

Research and Practice of Analog Numerical Control Turning Simulation Experiment Teaching

WANG Liang? CHE Xiaoyi? LI Zhigang

（College of Mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China ）

Abstract： Aiming at the problem that the difference between NC turning programming instructions is not easy for students to grasp， based on the NC simulation experiment system， an analog experiment teaching method is proposed. That is， the instructions with the gradual relationship are used to program the same case separately， and the simulation processing is performed， and the difference and connection of the same case processing can be realized by analogy with different programs. It can help students better master the numerical control programming instruction and usage and other theoretical knowledge， which has a good effect on improving students' learning enthusiasm and initiative and improving students' engineering practice ability.

Key Words： Numerical control turning; Programming; Simulation; Experimental teaching; Analog

數(shù)控技術(shù)是一門(mén)理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的課程，數(shù)控技術(shù)的本科教學(xué)不但要求學(xué)生掌握豐厚的數(shù)控理論知識(shí)，還要求其學(xué)會(huì)基本的數(shù)控操作和編程技能[1]。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，因?yàn)閮?nèi)容繁而雜，往往理論知識(shí)與實(shí)際操作會(huì)產(chǎn)生脫節(jié)，學(xué)生在課堂上學(xué)到的知識(shí)無(wú)法在實(shí)踐中得到很好的運(yùn)用，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高，達(dá)不到很好的教學(xué)效果[2]。

另外，數(shù)控加工程序編制作為數(shù)控技術(shù)課程的重點(diǎn)內(nèi)容，而數(shù)控加工程序編制的很多教學(xué)內(nèi)容是與實(shí)際的機(jī)床操作有密切關(guān)系的，撇開(kāi)數(shù)控機(jī)床的操作與實(shí)踐，孤立地去講授數(shù)控編程的各類(lèi)代碼，將很難達(dá)到理想的教學(xué)效果，特別是一些直接與機(jī)床上的按鍵或操作有關(guān)的代碼，課堂講授時(shí)更是難以使學(xué)生理解和記住[3-4]。只有讓學(xué)生實(shí)際操作一下數(shù)控機(jī)床，學(xué)生才會(huì)真正掌握和理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。但是學(xué)校條件所限，數(shù)控設(shè)備少、學(xué)生多的矛盾突出，對(duì)于這一難題，通過(guò)數(shù)控加工仿真系統(tǒng)就可以得到充分解決[1，5]。

因此，基于數(shù)控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合案例式教學(xué)方法和類(lèi)比式教學(xué)方法，提出類(lèi)比式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法應(yīng)用到數(shù)控車(chē)削仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，旨在提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，有利于學(xué)生更好地掌握編程指令及用法等理論課程知識(shí)，以提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。

1? 類(lèi)比式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

案例式教學(xué)直觀具體、生動(dòng)形象，并且是實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，所以學(xué)生印象深刻，課堂教學(xué)氣氛活躍，無(wú)疑是一種好的互動(dòng)形式，但是因?qū)W生的理論學(xué)習(xí)不是非常系統(tǒng)和透徹，案例的選擇較為關(guān)鍵[6]。而教學(xué)實(shí)踐表明漸進(jìn)式教學(xué)方法能適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，根據(jù)學(xué)生的接受情況及時(shí)地調(diào)整教學(xué)環(huán)節(jié)，在教學(xué)時(shí)遵循漸進(jìn)學(xué)習(xí)的原則，從而實(shí)現(xiàn)教和學(xué)的良性互動(dòng)，有效地緩解學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的畏難情緒，顯著增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，進(jìn)而提高教學(xué)效果[7]。

融合案例式和漸進(jìn)式教學(xué)方法特點(diǎn)，提出了類(lèi)比式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，即采用漸進(jìn)復(fù)雜的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)分別對(duì)同一案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并類(lèi)比分析，框架如圖1所示。通過(guò)漸進(jìn)復(fù)雜的不同知識(shí)點(diǎn)對(duì)解決同一案例問(wèn)題得到不同解決方案，不同知識(shí)點(diǎn)之間具有漸進(jìn)的關(guān)系，可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中類(lèi)比分析，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，有效掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及其應(yīng)用情況，同時(shí)提升學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

2? 類(lèi)比式數(shù)控車(chē)削仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

對(duì)于數(shù)控編程相關(guān)的一些教材[8-10]對(duì)數(shù)控車(chē)削編程指令理論部分知識(shí)分為常用基本指令、單一固定循環(huán)指令、復(fù)合固定循環(huán)指令3類(lèi)來(lái)進(jìn)行講解，容易使學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)掌握不牢。因此，在學(xué)生對(duì)指令的格式和所需參數(shù)的意義等理論知識(shí)學(xué)習(xí)后，采用類(lèi)比式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和實(shí)踐，具體做法是：首先根據(jù)數(shù)控技術(shù)課程中車(chē)削編程教學(xué)的特點(diǎn)，確定3類(lèi)指令里面呈漸進(jìn)式復(fù)雜關(guān)系的指令;其次選擇合適案例，分別對(duì)該案例進(jìn)行編程，讓學(xué)生得到不同的數(shù)控加工程序;然后完成仿真加工，最后引導(dǎo)學(xué)生分析類(lèi)比，總結(jié)在不同指令適合的應(yīng)用場(chǎng)合。應(yīng)用情況示意圖如圖2所示。

2.1 確定呈漸進(jìn)復(fù)雜關(guān)系指令

對(duì)數(shù)控車(chē)削編程G功能指令，根據(jù)多個(gè)常用基本指令組合、單一固定循環(huán)指令和復(fù)合循環(huán)指令的走刀路線相似性和關(guān)聯(lián)性，其漸進(jìn)復(fù)雜關(guān)系確定如圖3所示（FANUC數(shù)控系統(tǒng)）。

2.2 案例的選擇

案例選擇如圖4所示，毛坯棒料直徑為125 mm，長(zhǎng)度為200 mm，圖中直徑120 mm的外圓在軸向長(zhǎng)度要求是20 mm，編程原點(diǎn)為圖4中所示，要求完成零件輪廓數(shù)控加工程序的編制。

2.3 程序編制

數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)主要是首先平右端面，然后進(jìn)行先粗后精的工藝安排，主要參數(shù)如表1所示。

通過(guò)指令的格式和所需參數(shù)的意義學(xué)習(xí)后，對(duì)圖4所示數(shù)控車(chē)削加工案例分別使用常用基本指令G00、G01，內(nèi)、外徑車(chē)削循環(huán)指令G90，復(fù)合固定循環(huán)指令G71、G70進(jìn)行程序編制，編制程序如圖5、圖6、圖7所示。

在用G71、G70進(jìn)行編程時(shí)，G71粗加工完成后，進(jìn)行精加工之前需要換刀時(shí)，對(duì)于移動(dòng)到換刀點(diǎn)和執(zhí)行換刀動(dòng)作的指令，是在N130行程序與G70指令之間執(zhí)行，而非安排在粗加工程序G71指令與N70行程序之間。

2.4 仿真加工

數(shù)控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬數(shù)控機(jī)床操作的全過(guò)程，可以模擬真實(shí)數(shù)控機(jī)床的操作面板和屏幕顯示，在操作步驟上，如毛坯定義、工件裝夾、對(duì)刀操作、機(jī)床操作方式等與相應(yīng)的實(shí)際機(jī)床完全相同，實(shí)現(xiàn)輕松操作[11]。學(xué)生可從多個(gè)角度觀察到數(shù)控機(jī)床里面的加工過(guò)程，使得零件如何從毛坯加工到成品的過(guò)程更加直觀形象，學(xué)生能夠更好地理解數(shù)控機(jī)床加工，操作者也可先直觀地看到自己的加工工藝和加工方法是否存在問(wèn)題，再在數(shù)控機(jī)床上加工，如此能大大降低出錯(cuò)幾率。利用數(shù)控仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助教學(xué)，使學(xué)生掌握數(shù)控理論的同時(shí)提升學(xué)習(xí)興趣，使得課堂教學(xué)變得更加生動(dòng)，教學(xué)效果明顯[12-13]。

采用數(shù)控仿真加工系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)演示操作過(guò)程：毛坯設(shè)置—刀具設(shè)置—對(duì)刀—程序?qū)胂到y(tǒng)—仿真加工—結(jié)束，在整個(gè)仿真加工演示過(guò)程中，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)也是對(duì)數(shù)控仿真加工操作及數(shù)控加工過(guò)程的熟悉，同時(shí)也對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控刀具、工件坐標(biāo)系、機(jī)床坐標(biāo)系等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的深入理解和掌握，前述程序仿真加工后的結(jié)果以及走刀路線如圖8所示。

2.5 類(lèi)比分析

（1）指令格式逐漸復(fù)雜。

指令格式由簡(jiǎn)單逐漸變得復(fù)雜，指令后需要的相應(yīng)參數(shù)增多，指令格式對(duì)比如圖9所示。

（2）整體程序逐漸簡(jiǎn)短。

在前述的程序中，標(biāo)記①和②處的框內(nèi)程序走刀路線一致，但是①處的程序?yàn)?行，②處的程序?yàn)?行，減少了2行;標(biāo)記③和④處的框內(nèi)程序走刀路線一致，但是③處的程序?yàn)?0行，④處的程序?yàn)?行，減少了8行。程序O0001～O0003整體行數(shù)逐漸減少，程序變得簡(jiǎn)短，且?guī)缀翁幚碜兊煤?jiǎn)單。

（3）總結(jié)。

通過(guò)以上類(lèi)比分析可以看出，針對(duì)該零件加工采用復(fù)合固定循環(huán)指令G71和G70配合使用，會(huì)比采用常用基本指令G00和G001、單一固定循環(huán)指令G90編寫(xiě)的程序精簡(jiǎn)。但是這并不是說(shuō)所有情況都是這樣，該文這樣的舉例只是突出指令之間的差別且助于學(xué)生掌握指令及編程。在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，要針對(duì)不同的加工特征和零件特點(diǎn)合理選擇編程指令，優(yōu)化數(shù)控加工程序，保證加工精度的前提下提高加工效率。

3? 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合案例式教學(xué)方法和漸進(jìn)式教學(xué)方法，提出的類(lèi)比式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并將其應(yīng)用到數(shù)控車(chē)削仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，利用常用基本指令、單一固定循環(huán)指令、復(fù)合固定循環(huán)指令中，具有漸進(jìn)復(fù)雜關(guān)系的不同指令分別對(duì)同一案例完成編程及仿真加工，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)程序及加工過(guò)程類(lèi)比分析。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，該方法對(duì)幫助學(xué)生更好地掌握編程指令及用法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力具有良好的效果。

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