基于仿真软件的数控技术一体化教学实践
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摘要：在中等职业学校的数控技术课程教学中，数控加工仿真软件在激发学生学习兴趣、降低教学成本、确保人机安全无误、减轻教师教学负担等方面发挥着巨大的作用，但在加工工艺、安全操作等方面仍存在某些不足。因此，应基于仿真软件的数控技术一体化教学模式，将数控加工仿真系统融入课堂教学和技能训练中，实现“教—学—练”一体化教学，以达到提高教学实效性、激发学生学习兴趣、培养学生数控能力的目的。
关键词：数控；仿真软件；一体化教学；教学质量
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2017）10-0072-05
随着生产制造技术的不断更新，现代制造企业对数控加工技术人员的要求越来越高。这对中等职业学校数控专业的教学而言，既是機会，也是挑战。基于数控技术课程的综合性和实践性——其内容涉及机械制造技术、测量与公差、数控工艺与设备、数控原理、数控编程等专业理论知识，也涉及数控机床操作、数控加工工艺、数控机床维护等专业技能。面对知识基础较为薄弱、缺乏学习积极性和自觉性的中职学生以及教学设备和实习场地稀缺的教学条件的现实情况，数控加工仿真软件已经成为多数中等职业学校数控技术课程教师激发学生学习积极性、提高教学质量、取得理想的教学和实践效果的重要手段。
一、数控加工仿真软件的作用
数控加工仿真系统可模拟实际机床加工环境及其工作状态，将加工走刀和零件切削过程以动态形式进行模拟，使学习者能够体验接近真实的机床操作感觉。
国内中职学校较多使用上海宇龙、北京斐克VNUC、浙大辰光、南京斯沃和南京宇航等数控仿真系统，能模拟仿真目前市场上主流的FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI、华中等数控系统的加工程序编制、数控机床操作、工件加工和测量等数控加工全过程。
在工艺分析和程序编制之后，仿真加工的步骤为：选择系统类型和机床→机床回零→导入数控程序→定义毛坯、安装工件→选择、安装刀具→对刀操作→参数设置→程序校验→刀具轨迹模拟→自动加工零件。如图1所示，数控加工仿真系统能够显示与机床操作面板完全相同的工作界面，可以真实地模拟毛坯设置、刀具准备、基准测量、程序编写等数控加工过程，动态地模拟显示机床的运行状况，并在运行过程中提示编程错误、操作错误、机床碰撞等报警信息[1]。
在中等职业学校的数控技术课程的教学中，数控加工仿真软件在激发学生学习兴趣、降低学校教学成本、确保人机安全无误、减轻教师教学负担等方面发挥着越来越大的作用。
（一）理论联系实际，抽象化为具体，激发学生学习兴趣
数控技术课程不仅要教会学生数控机床操作、数控加工工艺、数控机床维护等专业技能，更要讲授机械制造技术、测量与公差、数控工艺与设备、数控原理、数控编程等专业理论知识。基础较为薄弱的中职学生常会觉得理论知识的学习枯燥乏味，从黑板和书本上难于了解数控机床的结构，更无法理解其工作原理，面对抽象的制造工艺和编程代码无从下手。这些困难在一定程度上打消了学生的学习积极性，磨灭了学生的学习兴趣，也影响了学生对课程的学习效果。
数控仿真软件在很大程度上解决了数控技术课程理论与实际脱节的问题。仿真软件允许学生从不同角度对数控机床内部结构进行深入观察，可帮助学生了解机床各组成部分的工作原理；通过路径模拟和实际加工两种形式运行程序，可帮助学生掌握指令并验证程序对错；允许学生从任意角度观察毛坯加工为成品的过程。将理论知识与实际工作相结合，将抽象的理论知识具体化，能够提高学生的学习积极性，激发学生的学习兴趣，强化学习效果。
（二）节省训练空间，提升利用效率，降低学校教学成本
在数控技术教学中，为保证学生的训练时间和训练质量，往往需要足够大的训练场地、数量和种类足够多的数控设备，以及训练过程中必需的设备维护保养、材料、刀具、冷却液、润滑油等。昂贵的资金消耗和繁杂的管理事务往往使中职学校不堪重负。
使用数控加工仿真软件进行训练，只需要装备足够的计算机即可，机床型号（大、中、小）和系统（FANUC和SIEMENS）能够按要求设置。如果训练数控车、数控铣、加工中心等不同项目，只需要适当更新仿真软件即可。相对于数控设备多样化、占地大、消耗多的缺点，使用仿真软件不仅同样能够用不大的训练空间满足多样化的教学需要，而且可以保证学生有充足的时间、随时随地地学习与训练，设备利用效率得以提升，学校又不必投入过多的教学成本，是中职学校办好数控技术专业的重要举措。
（三）及时发现错误，减少无谓伤害，确保人机安全
中职学生在学习和训练的过程中，不可避免地会出现各种各样的误操作问题，如撞刀、超程操作等。各种误操作不仅会损伤设备，还有可能伤害到人身安全，甚至造成不可挽回的人身财产损失。
数控加工仿真软件的引入可方便地解决误操作的问题，可以减少和降低误操作引发的风险和事故。在仿真软件中，刀具沿着所定义的加工轨迹进行动态加工，并且程序里的问题可以提前验证以帮助学生及时发现错误。学生在反复训练时，可以直观地观察加工过程，判断刀具轨迹的连续性和合理性，进一步加深对加工工艺和刀具轨迹的理解；对不满意的加工结果，学生可以重新编制加工程序进行仿真，直至找出错误，完成加工。在训练过程中，如果遇到刀具干涉、空走刀、撞刀、超程等误操作，软件可以自动报警，提醒学生注意并修改。教师可以及时给学生讲解问题所在，学生在仿真软件中也会吸取误操作的教训并加以改正，如此反复训练后，学生再进行实际操作时就会更加安全，极大地降低事故发生的风险，确保数控设备和学生人身的安全。
（四）自动验证程序，使用网络测评，减轻教师教学负担
在学习数控编程的过程中，即使对同一零件图，学生编制的程序也不尽相同。找出错误使程序正确运行、批改作业、统计成绩等工作会占用教师较多的时间和精力。仿真软件允许学生自行输入程序并验证程序的准确性，可以实现网络测评、自动评分、成绩分析等[2]，将教师从繁重的教学工作中解放出来。教师得以将时间和精力用在实施教学改革以更好地提高教学质量上。
二、数控加工仿真软件的不足
尽管数控加工仿真软件改变了传统的数控技术教学模式，可以给学生、学校和教师带来好处，也能保证设备和学生的安全，但不可否认，在加工工艺、安全操作等方面仍存在一些不足。
（一）没有参数影响，不利于养成学生重视加工工艺的习惯
在数控仿真软件中，只要程序正确，加工参数的不同不会影响模拟加工结果，例如主轴转速分别设为S1000 r/min与S10000 r/min、切削进给量为F0.5mm/r与F0.1 mm/r时模拟出的加工结果相同，这容易使学生忽视加工工艺参数的合理选择，产生参数可以随意设定的印象。而在实际加工中，不同的加工参数得到的结果大相径庭，甚至可能出现打刀、产生废品、机床停机、造成重大安全事故等严重后果。
学生在应用数控仿真系统训练时，常常会出现不重视数控加工工艺的问题，例如，忽视切削三要素的选择以及零件的装夹；选刀具时只看外形，不清楚不同刀具的具体功用；不能判断工件的表面粗糙度、尺寸及尺寸精度等是否合适。在实际操作机床时，这些问题终会影响工艺分析，使编制的加工程序不正确，导致工件无法达到尺寸精度要求，或发生蹦刃、撞刀、碰撞等事故。
（二）缺乏真实感知，不利于培养学生注重安全操作的意识
数控仿真软件毕竟不是真实的数控机床，学生在训练时缺乏真实感知。例如，在仿真软件中，数控机床手轮用鼠标操作，即使刀具撞到工件，也不会出现安全事故；但当操作真实的数控机床时，如果学生在使用手轮时不注意刀具而是只看显示屏，或者将手轮倍率调得过大，刀具极易与工件、卡盘或尾架相撞，并可能造成安全事故。
在操作真实机床进行实际加工时，学生应有安全操作的意识并养成良好的操作习惯，例如，按照数控机床的操作规程规范操作；发生事故时及时按下急停按钮；加工前关闭机床安全门；加工过程中不把头和手伸进加工区域；加工后清洁打扫、维护和保养数控机床等。但在仿真软件中，这些环节都可以忽略不计，导致安全意识淡薄，在实际操作机床时就可能发生事故。
另外，许多工作只有在亲自操作数控机床进行实际加工的过程中才能实现，例如，安装刀具和工件，使用光电对刀仪和Z向对刀器进行准确的对刀校准，一些专用夹具的装夹过程及其设计原理分析，不同切削参数的影响，刀具、冷却液和润滑油是否适合，工作台可否夹紧，根据声音判断机床状态并及时调整参数以降低发生故障和停机的概率等。这些在使用仿真软件训练的过程中，都无法学习得到[3-4]。
三、基于仿真软件的数控技术一体化教学实践
鉴于数控加工仿真软件的作用和不足，考虑到数控技术课程的理论性和实践性，将数控加工仿真系统融入课堂教学和技能训练中，实现“教—学—练”一体化教学，既能充分发挥课堂教学、仿真软件和技能训练各自的优势，又能克服各自的不足，取得1+1+1>3的效果，使枯燥的理论直观生动，使软件的仿真逼近真實，使实际的操作安全简单，达到提高教学实效性、激发学生学习兴趣、培养学生数控能力的目的。
基于仿真软件的数控技术一体化教学采用项目教学法，基本模式如表1所示。
在基于仿真软件的数控技术一体化教学实践中，对每一个项目都可采取课堂教学先行，数控仿真软件适时跟进并与课堂教学交叉进行，随后进行严格有序的技能训练的教学模式。
以如图2所示的国际象棋零件的数控加工项目为例，基于仿真软件的数控技术一体化教学采用项目教学法的基本操作步骤如下：
一是课前准备环节。教师拿出一个已经加工好的国际象棋零件，交给学生传阅，并适时提出问题，例如，是否可以使用之前学过的指令进行加工？如果可以，该用什么指令？如何编程？如果不可以，为什么？以零件和问题激发学生的探究兴趣。
二是课堂教学环节。教师和学生一起进行工艺分析，选取合适的进给量、转速等加工参数，并着重讲解G71、G73指令。
三是软件仿真环节。要求学生使用仿真软件进行编程模拟，观察不同指令的走刀路线（如图3所示），总结两个指令的不同之处，加深对G71、G73指令内涵的理解，并完成仿真加工的全部步骤（如图4所示）。在此过程中，教师应监督学生及时发现问题并改正。
四是技能训练环节。在学生通过软件模拟熟练、正确后，可允许学生实际操作机床加工零件。车削时，教师应及时提醒学生注意安全操作和加工工艺，例如，刀具的合理选择，进给量、转速等加工参数的调整，工序尺寸的计算等，尤其应注意各个节点的计算。
五是总结评价环节。教师可以请每个学生讲解自己的编程思路、加工工艺的选择及其得失、编程和加工过程中发现的问题以及处理办法等，并对自己的作品做出自我评价，给出成绩A。同时，在学生讲解后，请其他同学进行评价，给出成绩B。最后，教师从学生的课前准备、软件仿真、技能训练、作品以及自我评价等方面进行综合评价，发现亮点，指出问题，帮助学生提高，并结合成绩A和成绩B，给出最终成绩。
在基于仿真软件的数控技术一体化教学实践过程中，有些事项需要注意：
首先，项目的安排要循序渐进，由易到难。每个阶段项目选题的难度应适宜，如果项目选题过于容易，学生会觉得课程没有难度，就不会认真钻研，也不能取得成效；如果项目选题过难，学生总是完成不了，慢慢地就会失去兴趣，不愿意再学习思考了。通常，项目选题应以让学生“跳一跳，够得着”为度，学生只要经过思考和训练，就能够获得预期的作品和成绩。这样，可以切实提高学生的学习兴趣，充分发挥一体化教学模式的优势。
其次，项目中的加工零件最好是学生日常所能见到、所能用到的，如图2所示的国际象棋零件、图5所示的葫芦零件和图6所示的酒杯零件等。对于这类零件，学生常见，但不知道如何加工，以此类零件为项目选题，能在很大程度上吸引学生兴趣，以便引导学生一步一步完成课前准备、课堂学习、软件仿真、技能训练、零件制作以及自我评价等环节，最大限度地取得一体化教学的良好效果。
再次，教師务必掌握好仿真软件的应用方法，摆正仿真软件在教学中的位置。只有摆正仿真软件在教学中的位置，才能做到既不完全依赖于仿真软件进行教学，导致学生在技能训练中出现加工工艺不合理、安全操作有隐患等问题，又能最大限度地发挥仿真软件在数控加工过程中的优势和作用。在一体化教学过程中，将数控加工仿真系统有机地融入课堂教学和技能训练中，取长补短，弥补其在加工工艺、安全操作等方面的不足，可以达到事倍功半的效果。
最后，在教学实践中，若结合行动导向教学法，将会进一步提高学生的各方面能力。行动导向教学法一般按照获取信息、制定工作计划、做出决定、实施工作计划、控制质量、评定工作成绩等六个步骤进行教学，是解决结构较复杂、与职业实践或日常生活有关、具有工作过程系统性的综合性问题的有效方法，便于帮助学生建立理论与实践的联系，照顾学生的兴趣和经验，强调学生之间的合作与交流。如果能将行动导向教学模式与基于仿真软件的数控技术一体化教学模式有机结合，在培养学生综合素质和能力方面无疑是非常好的，是中等职业学校数控技术课程值得尝试的教学改革方向。
实践表明，基于仿真软件的数控技术一体化教学模式既可充分发挥数控加工仿真系统在课堂教学和技能训练方面的优势，又可克服各环节的不足，在激发学生学习兴趣、降低学校教学成本、减少安全事故发生、缓解教师教学负担等方面作用明显，是中职学校培养数控操作技术人员、提高教学质量的有效教学模式。
参考文献：
[1]王海根，马剑.仿真软件在数控技术课程教学中的应用[J].实验室研究与探索，2007（11）：30-32.
[2]吴波，伊延吉.仿真软件在数控教学中的应用浅析[J].科技信息，2010（19）：561-562.
[3]蒋校辉，李建明.论数控仿真软件教学改革[J].湖南工程学院学报，2012（2）：118-121.
[4]崔明敏.数控仿真软件与数控实训相结合进行有效教学的实践与研究[J].中等职业教育，2011（12）：12-14.
[5]史银花.《仿形车削循环》教学设计[J].镇江高专学报，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 quality