FANUC粗車循環(huán)加工指令的教學(xué)設(shè)計探究*

郭偉民

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

FANUC數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)械加工領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在FANUC數(shù)控加工編程技術(shù)的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，數(shù)控車床粗加工循環(huán)指令(G71，G72，G73)是一組重要的常用指令，熟練掌握這一指令是學(xué)生理解并學(xué)會手動編程的關(guān)鍵。

1 學(xué)情分析

1.1 社會需求

筆者調(diào)查、梳理過的相關(guān)企業(yè)用人要求，可以概括為： 1)有經(jīng)驗(yàn)，對具體工作有較高的熟練程度和實(shí)際操作能力；2)思考力(主要是發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力)；3)表達(dá)與交流能力；4)認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度；5)合作能力[1]。從智能制造的未來發(fā)展來看，“智造”企業(yè)需要具有獨(dú)立思考能力、終身學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的復(fù)合型高技能人才。

1.2 學(xué)生情況

對近幾年模具專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)情況的跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的未來發(fā)展存在多樣性和不確定性： 1)約50%的學(xué)生都選擇“專升本”；2)能留在本專業(yè)(模具)的少于10%；3)留在機(jī)械行業(yè)的比例較高，盡管工作的具體崗位因企業(yè)而異，但企業(yè)對學(xué)生的綜合職業(yè)能力要求卻大同小異；4)很多學(xué)生在畢業(yè)后的前幾年心理不適應(yīng)，工作更換頻繁。

在開展本部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)前，學(xué)生已有基礎(chǔ)： 1)已初步了解程序的基本組成與結(jié)構(gòu)，能夠用G00，G01，G02和G03等基本指令編制符合使用要求的外輪廓精加工程序；2)掌握機(jī)床的基本操作方法(含對刀方法等)，能夠在數(shù)控車床上完成上述程序的加工；3)有普通車床實(shí)訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)。

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

結(jié)合社會需求和學(xué)生情況，不應(yīng)機(jī)械地按數(shù)控車工的崗位就業(yè)要求培養(yǎng)學(xué)生，而應(yīng)當(dāng)基于專業(yè)知識，重點(diǎn)培養(yǎng)其具有共性的基本職業(yè)能力與核心素養(yǎng)(比如思考能力、交流與合作能力、質(zhì)量意識、安全意識、認(rèn)真做事的態(tài)度等)，使學(xué)生適應(yīng)機(jī)械制造類崗位群的基礎(chǔ)要求。同時，尊重學(xué)生結(jié)合自身具體情況規(guī)劃未來的愿望，確立有彈性的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并為他們的具體職業(yè)規(guī)劃提供適當(dāng)且有針對性的幫助與指導(dǎo)。

具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)可以表述為： 讓學(xué)生掌握以G71為代表的粗加工循環(huán)指令的應(yīng)用；以此為基礎(chǔ)，讓學(xué)生在邊做邊學(xué)的過程中，把數(shù)控加工技術(shù)知識、技能、態(tài)度和價值觀整體性地內(nèi)化，努力做到知行合一。掌握G71等指令的應(yīng)用，屬于專業(yè)能力培養(yǎng)中中等層次的學(xué)習(xí)目標(biāo)，不同學(xué)生對該指令的理解與掌握程度，反映著個體在這方面的天賦差異[2]。掌握這些知識點(diǎn)是表層化的學(xué)習(xí)目標(biāo)，深層的目標(biāo)在于提升學(xué)生個人在學(xué)習(xí)過程中的深度體驗(yàn)與綜合收獲，特別是個體關(guān)鍵能力與核心素養(yǎng)的提升程度。

3 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計

以掌握數(shù)控車床粗加工循環(huán)指令G71為著力點(diǎn)，使學(xué)生掌握，熟練運(yùn)用，然后再以比較學(xué)習(xí)的方式認(rèn)識指令G72和G73等。

3.1 基本內(nèi)容

3.1.1 顯性內(nèi)容： G71的基本特點(diǎn)與使用

FANUC粗加工循環(huán)指令G71的基本程序格式為：

G71 UΔdRe;

G71 PnsQnfUΔuWΔwFST;

其中，UΔd為每次徑向背吃刀量(半徑值)；R為每次徑向退刀量(半徑值)；P為精加工(循環(huán)中)首段程序段段號；Q為精加工(循環(huán)中)最后一段程序段段號；UΔu為徑向X的精車余量(直徑值)；W為軸向Z的精車余量；F為粗加工時進(jìn)給速度；S為粗加工時主軸轉(zhuǎn)速(可省略);T為刀具功能指令。

學(xué)生了解上述格式并不難，關(guān)鍵是要理解G71指令的運(yùn)動軌跡(如圖1所示)，甚至在機(jī)床上通過單段程序運(yùn)行實(shí)際觀察，這是掌握好該指令的必要前提，也是深度理解本課程核心概念、培養(yǎng)編程思維的必要措施。在引導(dǎo)學(xué)生理解運(yùn)動軌跡時應(yīng)明確以下幾點(diǎn)。

圖1 G71的運(yùn)動軌跡

1) 從技術(shù)進(jìn)步的角度讓學(xué)生進(jìn)行比較采用G71編程與此前采用基礎(chǔ)指令(G00和G01等)編程的不同，理解這個循環(huán)指令實(shí)際上是G00和G01的組合，但它使編程中的重復(fù)工作得到簡化，體現(xiàn)出技術(shù)進(jìn)步減輕了人的工作量，程序也變得更簡潔，并讓學(xué)生進(jìn)一步思考：“為什么G71具有這種功能？”引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識宏程序)。

2) 從應(yīng)用的角度，必須講清楚： 1)粗加工與精加工的要點(diǎn)；2)起刀點(diǎn)A的確定方法；③P和Q相同對應(yīng)段號的邏輯關(guān)系與具體使用要求等。并以G71外輪廓加工(見圖2)為例先編出程序1(見表1)，然后安排學(xué)生練習(xí)編程或仿真訓(xùn)練。在點(diǎn)評學(xué)生程序的基礎(chǔ)上，提出粗加工之后、精加工之前的尺寸測量問題，讓大家討論解決辦法。教師提出改進(jìn)程序的方案，并進(jìn)一步完善程序(見圖3的程序2： 粗加工之后暫停，測量余量、修改刀補(bǔ)，然后再啟動程序精加工)；并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解程序的結(jié)構(gòu)和作用(可以在現(xiàn)有程序2的基礎(chǔ)上，再次把“G00X400Z250；M05；M00”3段放到“N2X102;”之后、“T0101(重新讀取刀補(bǔ)值)”之前，以強(qiáng)調(diào)G71的運(yùn)刀軌跡是循著“N1”和“N2”的)。

圖2 G71外輪廓加工遠(yuǎn)刀軌跡

這里的“完善程序”暗含有優(yōu)化數(shù)控加工工藝、追求卓越的思想，體現(xiàn)著精益求精的工匠精神和關(guān)心他人、以人為本的人文情懷(編程者要為現(xiàn)場操作者考慮，減輕負(fù)擔(dān))。

表1 外輪廓加工程序(毛坯為Ф100 mm×220 mm棒料)

在上述主要學(xué)習(xí)問題解決后，讓學(xué)生自行查閱G71的使用注意事項(xiàng)，比如：

1) 適于圓棒料毛坯的粗車循環(huán)加工，且所加工零件外形輪廓必須是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的(凹形輪廓不是分層切削，而是在最后一刀半精加工時一次性進(jìn)行切削，導(dǎo)致刀具損壞，這是G71(Ⅰ型)外徑粗車循環(huán)的關(guān)鍵)。

2) 用于對徑向尺寸要求比較高、軸向切削尺寸大于徑向切削尺寸的工件。編程時，X向精車余量取值一般大于Z向精車余量取值。

3) 循環(huán)加工起始段必須為G00或G01指令，且只能沿X軸移動(不能沿Z軸運(yùn)動)。

4) 粗車循環(huán)使用G71程序段或以前指令的F.S.T功能；在循環(huán)加工起始段到終了段的任意一行中指定的F.S.T功能，僅在G70中有效。

5) 從起始段ns到終了段nf，不能調(diào)用子程序。

6) 當(dāng)起始段ns用G00移動時，在指令A(yù)點(diǎn)，必須保證刀具在Z軸方向上位于零件之外，該程序段不僅用于粗車，還要用于精車時進(jìn)刀，一定要確保進(jìn)刀的安全。同時要根據(jù)毛坯(或零件)直徑確定合適的X坐標(biāo)，尤其要注意粗加工的第一刀，避免“吃刀量”過大。

7) G71指令必須帶有P，Q和地址符ns，nf，且與精加工路徑起、止順序號對應(yīng)，否則不能進(jìn)行該循環(huán)加工。

這7條使用注意事項(xiàng)有很高的實(shí)用性，但屬于記憶性知識，也不宜故意安排學(xué)生試錯，而且很多教材往往不列全，所以比較好的學(xué)習(xí)方式是安排學(xué)生查閱資料并討論、分享這些間接經(jīng)驗(yàn)。

在學(xué)生完成試件加工后，數(shù)控車削加工的一般過程就應(yīng)了然于胸了。這時安排學(xué)生寫一個階段性總結(jié)，作為表現(xiàn)型評價的依據(jù)；為了避免學(xué)生盲目亂寫，教師可適當(dāng)指導(dǎo)，突出要點(diǎn)。書面總結(jié)也是鍛煉學(xué)生表達(dá)能力的好方式。

3.1.2 隱性內(nèi)容及其開發(fā)

顯性內(nèi)容是基礎(chǔ)，但它屬于表層知識與技能，學(xué)習(xí)過程中還含有大量的隱性內(nèi)容，比如學(xué)科知識中隱含的思維方式和價值傾向，需要教師引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)[3]。

其中需培養(yǎng)的能力有： (1)數(shù)控編程思維模式；(2)學(xué)習(xí)新指令的能力。這兩點(diǎn)又體現(xiàn)出個體的邏輯思維、空間想象和繼續(xù)學(xué)習(xí)能力。因此，教師在點(diǎn)評程序和試件的時候，應(yīng)引導(dǎo)并強(qiáng)化學(xué)生在這方面的學(xué)習(xí)，通過及時評價各學(xué)習(xí)小組的整體狀態(tài)，來促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，提高團(tuán)隊(duì)合作意識。

需培養(yǎng)的素養(yǎng)有： (1)產(chǎn)品質(zhì)量意識與責(zé)任心；(2)對機(jī)械產(chǎn)品的審美(既是在培養(yǎng)對產(chǎn)品的審美觀，也是在鋪墊精益求精的工匠精神)；(3)安全意識；(4)認(rèn)真做事的態(tài)度(工匠精神的要素)。教師在輔導(dǎo)過程中，結(jié)合具體情境提出有關(guān)素養(yǎng)要求，讓學(xué)生將之內(nèi)化。

3.2 拓展內(nèi)容

對有關(guān)內(nèi)容的拓展是基于挖掘?qū)W科核心素養(yǎng)的角度，以進(jìn)一步發(fā)展興趣，培養(yǎng)學(xué)有余力的學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考與探究問題的能力等。以下試舉幾例。

1) 內(nèi)輪廓加工。如圖3所示的內(nèi)輪廓加工(毛坯直徑設(shè)為60 mm)，在編程方面是對此前學(xué)習(xí)的鞏固和適度提升，在實(shí)際加工方面卻明顯提高了操作難度。

圖3 內(nèi)外輪廓加工

2) G71與G73的比較學(xué)習(xí)。在充分掌握G71的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)使用G73就顯得很輕松。圖4(毛坯為直徑45 mm的鋁棒料)的葫蘆即為17級模具專業(yè)的一位學(xué)生自選的形狀，用G73

圖4 葫蘆加工

編程并加工出來。

3) G71(Ⅱ型)探析。教材中幾乎未提及Ⅱ型，但可以把它作為探究學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生自己去查閱資料，比較、總結(jié)。教師可通過幾個典型圖例把問題提出來，并提示學(xué)生之前學(xué)習(xí)使用的是G71(Ⅰ型)，還有G71(Ⅱ型)待探究。至于學(xué)生探究的結(jié)果是否完全正確并不是很重要，重要的是其分析過程是否合理，分析方法是否正確。

4) 與華中數(shù)控系統(tǒng)G71的比較。華中數(shù)控系統(tǒng)的許多指令和FANUC數(shù)控系統(tǒng)的相近，但又不完全一樣。由于實(shí)訓(xùn)車間有這兩種數(shù)控系統(tǒng)的車床，學(xué)生在比較學(xué)習(xí)兩種G71的格式之后，進(jìn)而可在車床上操作練習(xí)。這有助于開闊眼界、提高學(xué)生進(jìn)入企業(yè)后的適應(yīng)能力；而且，當(dāng)某一位同學(xué)能使用兩種車床時，對周圍同學(xué)起到很大提振作用，同學(xué)之間還會分享新的學(xué)習(xí)體會。在條件允許的情況下，還可以繼續(xù)關(guān)注西門子數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)指令。

5) G71與宏程序的結(jié)合使用。從教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，能否掌握好G71是一個分水嶺。一些學(xué)有余力的學(xué)生在掌握G71后，能夠自學(xué)并應(yīng)用其他指令和宏程序，教師應(yīng)鼓勵他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)，為他們提供更多入門性的宏程序應(yīng)用練習(xí)，并進(jìn)行個別化的輔導(dǎo)。從教學(xué)結(jié)果看，能明顯提升他們的能力和興趣。

上述教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計使得本部分學(xué)習(xí)內(nèi)容相對集中，呈模塊化、層次化，可以滿足學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)。

4 教學(xué)實(shí)踐活動

教學(xué)活動以學(xué)習(xí)小組的形式、邊學(xué)邊做(教室集中學(xué)習(xí)與機(jī)床實(shí)訓(xùn)各4學(xué)時)，練習(xí)時控制每臺機(jī)器前的人數(shù)不超過2人，注重過程性考核與及時評價[3]。

所有教學(xué)活動遵循由易到難、循序漸進(jìn)。比如拓展內(nèi)容，學(xué)習(xí)與輔導(dǎo)基本上都是在課外、個性化輔導(dǎo)，不強(qiáng)求所有同學(xué)全部單獨(dú)完成，可以幾個人分工合作，并分享心得、互幫互學(xué)。

在整個學(xué)習(xí)過程中，注重表現(xiàn)型評價(樣品、程序，加工過程中的突出表現(xiàn)，書面總結(jié)等)。

5 結(jié)語

以粗車循環(huán)加工指令G71為例，將教學(xué)設(shè)計為基本內(nèi)容與拓展內(nèi)容兩部分。整個教學(xué)設(shè)計以學(xué)生已有知識與經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過“邊學(xué)邊做”讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識、技能和態(tài)度價值觀的一致性建構(gòu)，學(xué)習(xí)難度循序漸進(jìn)，考慮學(xué)生個體化差異，并深挖本部分學(xué)習(xí)內(nèi)容的學(xué)科核心素養(yǎng)，以學(xué)生的“學(xué)”為中心，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)策略(整體化、情景化、深度化、活動化、自主化和意義化)[4]，教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明： 學(xué)生對該知識點(diǎn)的理解更為全面、深刻。