基于计算机仿真技术的应用型本科数控技术教学研究

【摘 要】从应用型本科数控技术课程教学的师资投入、教学安全、教学效果、教学效率和数控工艺体现五个方面，综合分析传统数控技术教学模式和基于计算机仿真技术的数控教学模式的优缺点。结合实际教学，提出基础理论知识以计算机仿真模拟教学为主、数控工艺部分以传统机床实际操作为主的教学模式，从而满足应用型本科数控技术教学的要求。

【关键词】计算机仿真技术 应用型本科 数控仿真系统 数控技术

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）06C-0077-02

应用型人才主要是在一定的理论规范指导下，从事非学术研究性工作，其任务是将抽象的理论符号转换成具体操作构思或产品构型，将知识应用于实践。也就是说，应用型本科的教育是保证培养的人才具有一定的理论知识，主要是能够将所学习的理论知识应用于实践。应用型人才的核心是“用”，本质是学以致用，“用”的基础是掌握知识与能力，“用”的对象是社会实践，“用”的目的是满足社会需求，推动社会进步。

数控技术类课程是应用型本科机械设计制造及其自动化、机电一体化专业、数控技术专业的主干课程，在数控技术类课程的教学过程中一般采用理论和实际结合的方式进行。理论部分主要讲解数控加工工艺、数控加工刀具、数控编程基础等；实际操作部分主要是结合理论知识进行实际机床的操作和典型零件的加工。传统的理论部分教学主要通过教师PPT演示，在演示过程中插入文字、动画、图片对理论知识进行讲解，传统的实践环节教学主要通过老师带领学生到实训车间，通过具体演示零件的加工来完成。随着计算机技术的发展，数控仿真技术逐渐融入到数控技术的教学和应用中，成为数控技术教学的重要辅助手段。根据桂林航天工业学院在实际教学过程中传统教学方式方法和数控仿真技术辅助教学的实际情况做如下分析总结。

一、师资投入

桂林航天工业学院现有机械类学生中学习数控类课程的约2000人，相关教师18人，按照教学计划的安排，每周约有700名学生参加288学时的数控理论和实践教学活动，平均到每位相关教师约每周16学时的教学，参加每位教师课程的学习人数约40人。在教师每周8学时理论部分教学中，采用40名学生的课堂教学，按照传统的PPT课件插入文字、动画、图片进行演示性教学几乎没有实际的困难，但教学效果往往欠佳；但每周约8学时实践教学，按照传统模式进行就比较困难，每2～4位同学一台机床，1位教师进行指导几乎无法实现；一次课两个学时90分钟，实际操作前利用1～2台数控机床讲解约20分钟，约40个学生围在周围观看，很多学生会无法看清楚，而且剩下的时间每台机床分配不到2分钟时间，难度和效果可想而知。同时，由于机床的生产厂家和型号非常多，如果只是针对某种机床或者某些型号进行讲解，很难让学生适应实际企业生产中众多的机床厂家和机床型号。即使是桂林航天工业学院这样的全国性质的数控实训中心，虽然各种机床有60台，总价值达到3000多万元，仍然只能选择非常有限的几个厂家和型号的机床。总体上来讲，受到场地、经济的制约，不可能让学生全面地操作实际生产中众多厂家、型号、操作系统的机床。

如果采用计算机仿真技术进行教学，在理论部分和实践部分可以完全相结合，并且由于采用虚拟仿真方式，可以调用任何厂家、型号和操作系统的机床，让学生在结合理论知识编程的过程中，输入不同的数控机床，体验和理解由于数控机床的不同引起的编程格式、编程代码的差异，以适应实际生产过程中的型号、厂家和数控系统的差异，充分达到应用型本科主要实际操作应用的能力。例如在桂林航天工业学院教学中使用的南京斯沃数控仿真系统，开机时的数控系统选择界面包括了FAUNC、SINUMERIK、EZmotion、华中数控、北京凯恩帝、大连大森、南京华兴等70种；同时在选择FANUC 0i-M操作系统后，可以选择的机床操作面板包括汉川机床、南通机床、南京二机、济南机床、友嘉机床、托普机床、Duoleng、北京机床、大连机床、南京迈顺、纵横国际、南京东恒杰必克、台中精机、沈阳机床、韩国Doosan、巴西Romi、韩国WIA等28家中外机床厂家的操作面板。以不同的操作系统选择不同机床企业的操作面板，可供选用的机床几乎覆盖整个加工行业所使用的各种数控机床。

二、教学安全

对于教学安全主要是针对实践操作部分，机床作为机械结构，一旦出现事故，轻则机器损坏，重则出现伤亡事件，这样的事件已经给了我们血的教训。例如，某高校机械专业学生在企业实习期间由于操作失误，直接导致手臂被机械结构严重损伤，最终不得不截肢。如何避免机械事故发生是学生在实践操作部分最需要注意的问题，因此很多学校非常强调安全问题。

传统教学中，由于学生在上机床实际操作之前并没有对机床的运动情况有很清楚的了解，很容易导致事故的发生，因此很多院校在进行数控实训操作的时候，多是恐惧危险的发生而走走形式，真正实际进行操作，并能够加工出零件的比较少，除非是学校为了让学生参加比赛而培训数量比较少的学生，难以达到教学计划中关于实践教学部分的实际要求。而采用计算机仿真技术的数控教学，可以在实际操作之前充分了解数控机床面板的操作和数控机床的运动运行规律，某种意义上说就是真正的数控机床操作的演习，为实习实训部分做好充分的准备工作，即使在仿真中出现操作错误或者操作失误，既不会导致机床的损坏，更不会导致人员的伤亡。

三、教学效果和效率

数控程序编写是数控类课程的主要教学内容之一，如何正确地编写数控程序也是数控类课程的重要任务。在传统课堂上，教师主要利用PPT课间插入动画、图片、文字等内容进行讲解，虽然利用了一些多媒体资源，但是并没有充分发挥多媒体最大的功用。在讲解过程中往往比较枯燥乏味，难以更加形象具体地表述数控代码控制刀具、机床主轴的运动情况。特别是对于一些比较复杂的循环指令只是通过这样的讲解方式往往很难准确地表达。虽然目前有些教师可以采用一些三维软件、动画软件制作一些比较详细的动画，但是这种动画往往就是固定设置好的动作，缺乏参数的变化，不能通过修改参数来观察刀具运动的变化。

目前大多数计算机数控仿真数控系统都是模拟实际的数控机床操作，几乎完全和实际的数控机床操作相同。教师在授课过程中可以编写实际的数控程序，再输入到数控仿真系统中进行验证，在验证的过程中，可以随时改变数控程序中的参数，来讲解数控指令中参数控制刀具的运动规律，也可以改变数控程序中的程序指令，来讲解不同指令刀具的运行轨迹；这样就可以更加清楚形象地讲解数控编程中的各种程序指令和指令中各个参数的含义。在斯沃数控仿真系统模拟加工零件过程中，在操作界面的左侧显示编写的数控程序，仿真操作过程中根据刀具的运行轨迹，自动跳转相应的程序段，帮助学生理解程序中控制对象的运行情况，并且利用不同的颜色来展示不同刀具的运动轨迹，在直观地展示运动轨迹的同时也可以随时更改数控程序或程序中的参数来获取不同的轨迹。

四、数控工艺部分体现

在实际的加工过程中，数控工艺主要体现在刀具、装夹、进给量、主轴转速、背吃刀量、加工工序等。由于这部分内容比较抽象，需要根据实际加工的材料、技术要求、零件现状等具体情况进行讲解。传统授课方式只是通过语言的描述、图片的展示来完成内容的讲解，学生很难理解。

在采用数控仿真系统进行教学过程中，可以根据加工零件结构的不同，按照工序要求讲解各种刀具的结构、刀具的尺寸参数；并且几乎不受任何限制，在斯沃数控仿真系统的数控车刀包括了14种车刀刀杆、各种形状的刀刃，并可以根据加工需求输入刀杆、刀刃的参数和材料，也可以根据实际机床的结构选择四方刀架、八方刀架、十六方刀架，或者选择前置刀架和后置刀架，满足数控车床在加工各种零件的需求；在数控加工中心包括15种各种类型的刀具，同样可以根据需求输入刀杆、刀刃的参数和材料，选择各种形式的刀库，满足数控铣削和加工中心加工各类零件的需求。

同时也可以根据零件的结构特征选择适合的装夹方式，也可以设计自己的专用夹具以满足不同工艺装夹的需求，使学生可以根据装夹的情况，正确理解程序编写过程中避开装夹，防止车削或者铣削到夹具的零件，满足工艺讲解过程中关于工件装夹的要求。斯沃数控仿真系统为数控铣床和加工中心工件提供了三种可选择的装夹方式，包括直接装夹、工艺板装夹和平口钳装夹，以满足不同零件加工关于装夹的要求，数控车床根据板料或管料的需求提供外圆装夹方式和内孔装夹方式，以满足车削零件加工的需求。

综上所述，利用数控仿真系统于应用型本科的数控技术类课程的教学中可以适应不同专业方向关于数控知识技能的学习，在减少师资投入的情况下学生可以尽可能多地了解和模拟操作时间生产中众多厂家、型号和操作系统的机床，以适应未来走向工作岗位进行数控编程或者操作机床的需求；同时从教师实际教学的角度，在理论教学方面，可以结合数控仿真软件，实时地通过仿真操作来帮助学生理解数控编程和数控工艺的基本知识，同时也可以模拟不同机床的实际操作，大大减少事故率，保证教学过程以及学生参加工作后实际操作机床的危险。经过桂林航天工业学院多名教师近年来采用传统教学方式和计算机仿真技术相结合的方式进行教学证明，学生在学习数控技能的时候，一方面学习兴趣大大提高，学习数控技术的激情比简单枯燥的传统课堂教学具有明显的差异，另一个方面学生学习的效果也明显提升，实际掌握数控知识和数控操作的能力明显提高。

【参考文献】

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[4]潘应辉.数控仿真软件教学应用探讨[J].武夷学院学报，2011（2）

[5]于久清.数控车床/加工中心编程方法、技巧与实例[M].北京：机械工业出版社，2014

【作者简介】张栋梁（1979- ），男，湖北枣阳人，桂林航天工业学院机械工程系讲师，研究方向：现代设计方法；徐晓华（1981- ），女，四川射洪人，桂林航天工业学院机械工程系讲师，研究方向：材料加工工程。

（责编 吴 筱）