高校数控技术系统化实训方法探讨

 
摘  要：针对高校学生多、数控设备较少，不能很好满足学生实际操作练习的状况，本文就如何改善实训方法、提高数控机床实训效果进行探讨。文章主要介绍了数控实训的系统化思想，介绍了以多种数控仿真软件为基础、多批次分组详细指导的高效数控实习方法。该方法柔性好、适用性强，且无需高校拥有过多的数控设备，通过数控仿真和助教参与，有效改善实训质量。本文介绍的数控实训方法在教学实践后取得了显著效果。
关键词：数控实训方法；数控实习仿真；高效实习；数控教学

0  引言

2015年5月18日，国务院正式发布了由李克强总理批准的《中国制造2025》 规划，这是中国版“工业4.0计划”，也是我国实施制造强国战略第一个十年行动纲领。规划中指出：“要加快发展智能制造装备和产品，加快机械、电子等行业生产设备的智能化改造，提高精准制造、敏捷制造能力。”由此可见，我国将逐步走上制造业的快车道。可以想象，今后几年熟练掌握数控机床操作的机械专业毕业生将会出现供不应求的局面。如何使在校生更快更好地掌握数控技术，就成为各高校要面临的问题。而数控技术这门课程是一门实践大于理论的课程，随着人才培养目标从知识型向技能型的转变，实际动手能力的培养已经成为实习训练的核心，除了在课堂上的固定教学以外，学校和教师应更注重学生的实践和动手能力。^[1]所以，一个好的数控实训方法，可以让学生更好、更快地了解和操作数控机床。
由于数控机床设备昂贵，各高校数控设备数量不足以满足每位同学都有足够的上机时间的需求，对于这门动手能力要求极高的课程，无疑很难保证课程质量。本文提出的数控实训方法，可以在高校拥有少量数控机床的基础上，最大限度的让学生熟练掌握数控机床操作方法。

1  数控实训系统化思想

数控技术实训是数控课程的关键，有系统化的实训思想，可以使数控实训变得事半功倍，完成教学任务的同时也让学生能够熟练操作数控机床。本文提到的数控实训系统化思想主要包括数控理论基础、金工实习基础、仿真软件的学习使用、数控实验台的上机练习、数控机床的实际加工操作五个方面。要特别指出的是，由于个高校的教学普遍存在数控设备少而相关专业学生多，使得数控设备紧张、学生上机时间短的问题。所以在数控实训中，强烈建议将学生分成若干小组并安排若干数控助教来辅助教师完成数控实训教学。如图1所示为数控实训系统化思想的教学流程图。下面将详细介绍数控专业系统化实训方法。

1.1  数控理论课堂教学为基础

数控理论教学是数控实习的必要前提，是《数控技术》这门课程的一个可以系统学习编程语言、编程方法、编程步骤的环节。数控实习环节虽然密切联系生产实践，在整个课程中显得较为重要，但是数控理论才是该课程的基础，数控实习环节也只是数控理论知识的应用，学习数控技术切忌舍本逐末，没有好的基础就去参加机床加工实习，只会让实习再添一份安全隐患。该环节也是与职业院校数控操作培训的区别所在。

1.2  重视传统金工实习

传统制造技术是现代制造技术的基础，一个好的数控加工人才，熟练操作数控机床的同时，也必然非常了解传统加工技术，掌握好传统金工操作技能是培养数控技术人才的关键之一。^[2]
并且，现在高校教育一般都是将金工实习安排在数控实习之前。在金工实习中，学生对传统机械加工设备和方法会有一定的了解，通过对各个工种实习任务的切身操作，学生也会了解一些基本的切削原理，对切削用量的选择、工艺路线的制订等，也会具备一定的认识。这对于后期进行数控设备操作和训练会起到很好的铺垫作用和增强自信的作用，减小数控机床操作的恐惧心理。另外，还应该在金工实习后期适量加入若干单元的数控加工认知环节，这样不但会起到以上所述效果，还能激发学生对数控技术学习的欲望。

1.3  重视不同仿真软件在实训中的应用

在数控技术教学实习的过程中，初学者需要通过大量的实例编程，来熟悉和练习数控编程语言；再通过机床实际加工来验证程序及加工方法的合理性。^[3]但是，如果完全依赖学生在数控机床上的操作训练，来达到对数控机床熟练操作的目的，对高校在设备、耗材的采购以及对设备的维修护理方面的资金消耗，将是一笔很大的开销。同时，若让学生初学者直接上手数控加工，即使有教辅人员在旁监督指导，也难免因为初学者的操作生疏而产生误操作，产生不必要的设备损坏，甚至对学员造成人身伤害。所以，仿真软件在数控实习教学中的应用就显得尤为重要。
在计算机技术高度发达的今天，各种数控加工仿真软件也越来越趋于完善，不仅可以拥有与真实机床操作环境完全相同的界面风格，还有在线二维或三维的模拟加工、刀库管理、换刀操作等与真实场景相仿的操作流程，可以让被训人员更切身的感受数控加工的步骤和方法。
但是不同的仿真软件，往往具有不同的优劣势，对数控实习教学起到的帮助作用也不尽相同。所以，高校可根据学校的实际数控机床型号，自主选择两款适合本校机床型号的数控仿真软件。由于不同仿真软件功能大致相仿，所以选择两款配合使用即可，无需让学生学习和使用过多仿真软件。在实习过程中可以主要学习一种仿真软件，而另一种软件只适当使用其部分功能，作为辅助软件。

1.4  合理使用数控实验台

数控实验台作为既可以培养学生数控机床编程方法，又可以让学生了解数控系统电气设计、安装、调试的一种实验设备。让学生在数控实验台进行数控机床相关操作，既不像在仿真软件上模拟数控加工那样碰不到摸不着，也不像在实际机床操作时那样存在诸多潜在危险，是一种既安全又可以让学生实际操作的数控教学平台。所以，在学生学会利用仿真软件之后，并不急于让学生直接操作机床，可先在数控实验台上进行机床的相关加工操作。
通过平台上的操作指令，可以控制数控平台的移动、主轴正反转、换刀等一系列动作。数控实验台不如仿真软件有更确切的加工轨迹与工件成型的视觉效果，但胜在可以让学生触及实物，有更真实的加工体验。学校购进数控实验台的个数不需过多，每位同学在实验台实习的时间也无需太长，只需熟悉实际机床的操作步骤即可。合理地安排数控实验台实践，可以让学生在真实操作数控机床时更易上手。

1.5  数控加工机床操作训练

数控实训最主要的目的就是让学生进行数控加工与机床操作训练。但对于初学者来说，由于对加工过程不够了解以及操作生疏，很容易产生误操作，易导致不必要的状况发生。所以，在学生实习操作过程中，每台数控机床，必须有一位助教在旁边现场监督指导。学生在实训过程中，需要加工完成老师指定的零件，如果高校条件允许，可与部分生产商合作，让学生加工部分简单的产品零部件，以达到更好的练习效果。

2  系统化数控实训方法应用举例

数控实习以理论教学为基础，理论教学之后方可进行数控加工实习，所以教师在进行数控理论讲解的时候，一定要与课后的实习相关联，机床结构、机床加工特点、机床编程语言要以数控实训中要用到的机床型号为主。本文就以我校数控机床实训为例，介绍数控实训过程。我校设备与人员详情见表1。
表1

数控实训设备人员明细表
项    目	数    量
SIEMENS 数控车床	10（台）
SIEMENS 数控铣床	5（台）
数控实验台	5（台）
斯沃数控使用权	100（个）
教师	1（人）
助教	5（人）
相关专业学生	150（人）

 
中国地质大学（武汉）数控实习，采用系统化，数控实训的教学手法。通过不同的仿真软件，让学生在没有实际加工以前就对要操作的数控机床有了很深的了解，同时将学生分成人数较少的若干小组，分批次依次上机实习，保证每位同学都有足够的动手操作的时间与空间。只有让学生动手操作，实习类的课程才可以提高教学质量。

2.1  数控仿真软件教学

数控仿真软件的操作，是真正熟悉数控机床的第一步。在这一环节，教师要对所用仿真软件做相关介绍，主要包括：机床操作界面的功能、NC代码的导入、刀具库的管理、机床对刀的方法、加工轨迹与加工动画的仿真等。
中国地质大学（武汉）所用两款数控仿真软件，分别为斯沃数控仿真和西门子 on PC 数控仿真，其中以斯沃数控仿真为主，西门子数控仿真为辅。由于斯沃仿真软件内涵毛坯设置、刀具设置、刀具库管理、二维与三维走刀路线仿真、加工零件仿真、机床床身模拟等功能，功能全面且与实际加工相仿，同时斯沃仿真可以进行局域网教学，方便教师对学生的统一管理，所以可以让学生主要了解和学习斯沃数控仿真软件，并在仿真软件上熟练操作机床进行对刀等加工动作。而西门子仿真软件也可以进行数控仿真，但这款仿真软件的功能没有斯沃数控全面，学习这款软件的主要目的是因为它有与实际机床相同的操作界面，在西门子仿真软件上可以更清晰的看到在接下来的实习中将要用到的机床操作面板。

2.2  数控编程

教师需要给出将要在数控机床上加工的若干份零件图以供学生自主编写加工程序。给出的加工零件图不宜过于复杂，但又要尽可能多的包含圆弧、倒角等结构，如下图2，这样才能使学生在编写代码时对数控编程指令得到充分的练习。 在学生编写完指导老师要求的零件加工程序之后，教师务必要求学生在不同软件上都进行在线加工仿真。

2.3  教师或助教审阅

在数控实习中，由于多台数控机床要同时开始加工实习任务，所以单靠教师一人完成数控实习教学任务显然不太可能，所以数控实习的助教就显得尤为重要。教师可以在数控实习前就选择几名已经学过数控机床的优秀研究生或者几名优秀高年纪学生来担任本次数控实习的助教，并且要在实习之前再次对他们进行系统的培训。助教的选择非常关键，助教选择的好坏，是影响实习教学的关键因素。教师在指导学生机床操作时，很难照顾到每一位学生的需要，而助教即可弥补这方面的不足，教师只是在学生加工时起到统筹监督的任务。由于学校数控机床设备不多，助教的人数又不超过机床个数，所以助教的人数也无需太多。^[4]
在教师选定好助教之后，这一环节是要将学生编写的程序，再次进行细致的检查。虽然学生已经在数控仿真软件上模拟过，但不可避免会出现一些小的问题，而教师与助教要做的工作就是尽可能的将这些问题的发生概率降到最低，使得实际生产时多一份安全保证。

2.4  细致分组

将学生进行细致的分组，最好是3人一组，最多不超过5人。因为数控实习是一个很注重实际操作的教学，需要给学生充分的操作时间和空间，每组成员过多就会使学生上手机会减少，使得实习质量下降。所以建议每小组要保证在5人一下，最好是3人一组。

2.5  数控实验台操作

数控实验台是介于数控仿真与实际数控加工中间的教学手段。操作实验台既不像操作仿真软件一样虚无缥缈，又不像操作真实机床那样存在诸多安全隐患。所以，可以以小组为单位在数控实验台上进行简单的数控操作练习，但是练习时间不宜太久，仍然以仿真软件与真实机床加工为重点。

2.6  教师总领助教监督实际数控加工操作

在经过了前面的诸多练习，学生应该已经具备了一定的数控机床加工能力。这时需要每位助教带一个小组的学生在一台机床上进行零件加工，由于学生较多，而机床与助教有限，所以学生需要分批次来进行实物加工以保证数控实习质量。在加工开始前，务必让学生和助教都认真阅读《实验室安全生产手册》与《数控机床安全操作手册》，同时学生应将自己写的NC代码再次在数控机床本身的仿真模式中进行仿真加工以确保代码正确。当加工开始时，每位助教必须保证该床位的安全生产，但又不能给学生过多的操作提示，只在学生出现操作错误时，才立刻提示或制止。此时教师仍需在一旁统筹监督、巡视和观察，解决一些助教解决不了的现场问题。

3  数控实训方法总结

高校数控机床系统化实训方法不仅可以让学生在实习加工前就熟悉机床，还留给每位学生足够的时间和空间动手操作，充分满足了数控机床实习的教学要求。通过在实习环节中加入助教，让学生得到更多更细致的现场辅导。该方法适用于任何开展了《数控技术》课程的高校，且特别适用于数控设备少学生多、不能充分让学生动手实践的高校。
本文提到的数控实习教学方法，不仅对设备要求低，并且柔性好、适用范围广。由于数控仿真软件囊括性很强，很多仿真软件都集SIEMENS、FANUC、HNC等各系列数控系统于一体。所以，方法中提到的仿真软件和数控机床，并不固定到某一款，可在高校任意一款数控设备上实施。
近两年数控专业系统化实训方法在我校开展课程实践以来取得了良好的教学成果。学生对于数控机床的操作水平较往年有了明显的提高，均可以自主完成一些简单零件的编程与加工；且在实训过程中崩刀、撞刀等事故较往年明显减少。所以，我认为本文所述的数控机床系统化实训方法适用于开展了数控机床实训的高校使用或借鉴。

参考文献

[1]     刘一波．浅谈数控机床实习指导教学[J]，辽宁教育行政学院学报，2007，24(6)：96．
[2]     尹珊波．数控技术应用专业实训[J]，机械职业教育，2007(8)：41-42．
[3]     张伟志．浅谈数控机床仿真系统在教学中的应用[J]，中小企业管理与科技，2011(7)：165-166．
[4]     葛小兵．“导生制”在数控机床实习教学中的应用[J]，机械职业教育，2005(7)：38-39．