“數控原理與編程”課程教學內容改革與模式探索

魏勝

“數控原理與編程”課程教學內容改革與模式探索

魏勝

“數控原理與編程”是數控技術專業的核心課程，是涉及多學科領域的綜合性課程。通過分析該課程專業特性以及當前該課程教學中存在的不足，提出基于工作原理的數控編程教學方法，探討原理與編程相結合的教學手段，以提高該課程的教學質量。

高職；“數控原理與編程”課程；教學內容；教學模式；工作原理

為適應現代制造業的發展并為制造業輸送合格的數控技術人才，國內眾多職業技術院校以及應用型本科院校都開設了數控技術專業。在專業建設過程中，各高校大力推行工學結合的模式，突出實踐動手能力的培養，強調理實一體化的教學方法。［1-2］現代數控技術是一門涉及集機械制造、自動控制、傳感檢測、信息技術和光電等技術等多學科交叉型的綜合性技術，［3］受教學條件以及教師教育背景的限制，各高校在課程建設、教學計劃以及人才培養目標上都不盡相同，而“數控原理與編程”作為數控技術專業的一門主干課程，其理論性和實踐性都非常強，因此，該課程的教學方法和課程建設方案值得探索和研究。［4］本文結合筆者所在學校現有的教學條件、培養目標及實際教學經驗和體會，探討“數控原理與編程”課程的教學內容和方法。

一、課程特性分析

（一）教學目標及內容

“數控原理與編程”課程是高職數控技術應用專業、機械CAD/CAM專業、機電一體化技術專業等相關專業開設的專業基礎課，教學目標和課程的任務是為了讓學生全面系統的掌握數控機床的基本組成與基本原理，熟練掌握數控機床的手工編程與基本操作，為學習后續課程和畢業后從事專業工作打下堅實的基礎。其前導課程包括機械設計基礎、電工學、數控機床電器控制與PLC等，后續課程包括數控機床操作實訓及數控設備故障診斷與維修等。

根據教學目標的設定和規劃，本課程采用模塊化結構構建教學內容，將課程的主要知識點分為5個單元，包括數控系統原理、數控機床的機械結構、加工工藝和G代碼編程、數控機床的伺服系統原理和數控機床的基本操作。通過對該課程的學習，使得學生能夠既能掌握數控機床的基本操作方法，也能看懂圖紙并進行編程加工，為適應數控技術專業崗位群的工作奠定基礎。

（二）教學手段和教學方法

當前的“數控原理與編程”課程教學過程中，通常是介紹數控系統的基本原理和結構，然后介紹編程代碼的意義，最后以多個實例來講解編程的一般方法和過程。而對于數控系統對零件加工程序的處理過程一般都是進行簡要的介紹，數控加工的過程是由數控系統根據零件加工程序來控制數控機床自動完成的，每一個加工的程序段都是按照程序輸入、譯碼、刀具補償、插補運算、位置和速度控制這樣的順序來完成。學生對程序處理過程只停留在概念上的認識，并不清楚細節上的工作原理，對后期課程如數控系統的裝調以及故障診斷與維修等脫節嚴重，不利于系統有序的學習過程。

傳統的課堂教學方法是以書本知識為主，結合加工工藝來講解數控編程，強調建立刀補的過程和進刀方式，注重主軸轉速、切削深度、進給速度等切削用量的選擇和意義。對于初學者來說，這種教學模式存在以下三點不足。

1.初學者對數控加工的實際情況了解不多，缺乏實習和實踐經驗，只能根據教材上圖例來想象加工過程，比較抽象并較為枯燥，尤其對切削用量的選擇對加工質量的影響效果更是模糊不清，使得理論教學與實踐脫節，從而導致教學效果不理想。

2.僅依靠課堂教學會導致學生對編程的順序、語法結構等理解不夠透徹，以至于較難發現程序中的錯誤。而零件編程是一項十分嚴謹、細致的工作，任何細節上的錯誤都會導致零件加工不合格，甚至發生撞刀等惡性情況。若授課過程中能結合仿真軟件或編程器等設備，對程序進行校驗或圖形模擬，再分析程序中可能出現的錯誤，就能使得學生更好地理解和掌握所學內容，提高編程水平。

3.對于加工過程中數控系統是如何控制機床運行這一方面也沒有加以說明，在教學上，并未讓原理與編程兩部分結合起來，未能實現課本內容的有序銜接，缺乏模塊的系統性與聯系性，造成學生知識分割，從而影響教學效果和質量。

二、課程改革思路

為了讓學生進一步了解“數控原理與編程”對后續課程的重要性，激發學生的學習興趣，同時也培養學生的自學能力和分析解決問題的能力，有效提高學生的理論水平與實踐操作能力，推動學生綜合素質的提高，筆者在調整課程教學內容的基礎上，對教學方法進行改革與探索。

（一）利用現有設備，加強實驗教學

當前的課堂教學大多利用計算機的多媒體功能。多媒體技術具有圖文并茂的特點，能將抽象枯燥的學習內容轉換為生動形象的動態圖像，如將零件加工的過程以動畫的形式展現出來，可增加學生的感性認識，同時，有助于調動學生的積極性，提高學習效果。這對任課老師的課件制作水平提出了更高的要求，需要結合課堂教學內容，花費更多的精力和時間才能制作出生動形象的多媒體課件。目前國內高職院校的數控技術專業處于蓬勃發展階段，在教育部的支持和各高校教師的努力下，很多高職院校都完成了數控技術專業各相關課程的精品課程建設。另外，在國家示范性專業建設和數控技術專業核心課程的國家資源庫建設項目上，各高職院校專業教師齊心協力，共同制作了許多優秀的教學課件、題庫以及教學案例，凝聚了專業教師多年的教學經驗和教學成果。這些資源和課件都有助于課堂教學的優化和提升。

“數控原理與編程”是一門實踐性較強的課程，多媒體課件對學習效果有一定程度的幫助和改善，但實踐教學的過程必不可少。因此，該課程的教學計劃中應適當添加實踐教學內容，注意理論與實踐教學在內容和時間分配上的合理性。同時，要將理論教學內容和現有的教學設備有機的結合起來，通過對機床設備的實際操作，使得學生能夠更好地理解和掌握所學內容。

當前的主流數控系統如FANUC、SIMENS等品牌，都具有加工程序圖形模擬功能，較高端的系列更是具有三維圖形加工模擬功能。而且，在進行圖形模擬時系統會自動檢測編程代碼的語法錯誤、由于刀補而導致的過切等問題，不僅有助于提高編程水平，而且還需要學生在編程過程中要有嚴謹的態度，注重細節上的問題，因為任何一點微小的錯誤都有可能導致嚴重的錯誤，如撞刀、過切等現象。另外，在進行程序模擬的過程中，需要熟悉機床的基本操作，如工作模式的選擇、返回參考點的過程、程序的編輯方法等。這些學習過程都可提高學生的動手能力，對所學的知識有更直觀的認識和理解，加強理論知識向實際動手能力的轉化，從而也為后續的加工實訓打下堅實的基礎。

（二）原理與編程相結合，提升教學效果

在編程理論教學過程中，通常都會講述加工工藝來引導學生編寫加工程序，要求學生能對復雜零件進行工藝分析，并對數控加工程序進行多方案比較，可培養學生的創新思維和編程技能。但由于加工工藝對加工效果的影響很多時候體現在加工精度和表面粗糙度上，而學生還沒有進入實習車間進行操作實訓和切削加工，對加工工藝的理解很抽象也很困難，從而影響教學質量和學習效果。

在數控原理的教學過程中，需講授數控系統的基本原理及其在機床控制中的實現過程、數控機床的機械結構組成等，而在后續的編程教學中，通常側重于在工藝的基礎上編寫加工程序，與前述數控原理的教學內容脫節嚴重，并未將二者有機地結合起來。因此，在編程教學過程中可將二者結合起來，即在教學過程講述各程序段的工作原理，包括運動軌跡的實現原理，強調數控系統與機床運動的實現過程，并對影響程序運行的相關因素進行闡述。這既有利于加強對前述課程的理解，也能有效拓寬學生對數控技術的認識，提高學習的興趣和效率。另外，在編程調試過程中，還可在數控原理認知的基礎上，通過對進給運動狀態的分析和檢測，對程序語法錯誤、操作模式選擇錯誤等問題做出正確的判斷，甚至也能明確影響機床運動的參數設置問題，使得學生在應用數控機床時具有一定的處理簡單報警和簡單維修的能力，為后續的數控機床調試及維修課程奠定基礎。

三、教學應用實例

本文以FANUC-0iD系統為例，根據原理與編程相結合的課程改革思路，對常見的編程代碼做出教學設計，從系統構成、電氣原理、PMC程序、參數設置幾個方面展開討論，探討加工程序運行時數控系統的控制原理及實現過程，從而更加深入地理清原理與編程之間的關系。

（一）主軸運行

數控機床的主軸包括串行主軸和模擬主軸兩種類型，而運行方式分為手動和自動兩種模式，其基本連接及運動原理如圖1所示。

參照圖1所示，對主軸運行的原理及過程可按如下順序進行講解。

1.編程時主軸運動的代碼為M03 S1500，其中M03表示主軸正轉，S1500表示主軸轉速為1500r/ min，可根據需要調整主軸轉速。

2.為保證伺服主軸運行，數控系統的NC模塊通過JA41A接口與主軸放大器的JA7B接口相連，用于數據通訊，而主軸放大器的JYA2接口與伺服主軸的內置編碼器相連，用于數據反饋。

3.為保證串行主軸運行，數控系統的NC模塊通過JD51A接口與I/O單元的JD1B相連，JA40A接口與變頻器相連，而變頻器與模擬主軸相連。

4.在主軸運行過程中，M03功能需要經過PMC程序的譯碼輸出G70.4（G70.5對應M04表示主軸反轉）信號給NC模塊，此時NC模塊開始驅動主軸運轉。

5.主軸手動運行過程中，控制面板上的按鈕與I/O單元相連，通過PMC程序的處理實現主軸運轉。

6.串行主軸的速度指令是由NC模塊以數字形式發送給主軸放大器，模擬主軸的速度指令是NC以-10～+10V的模擬量輸送給變頻器等控制裝置。

7.主軸的配置與參數3716、8133有關，運行速度與參數3772等參數有關，S代碼的允許位數由參數3031確定，主軸運行過程中可利用系統信號診斷畫面監測輸出信號以及運轉速度等。

圖1　主軸運行原理

（二）進給軸自動運行

進給軸自動運行是指編程代碼中含有G01或G02時X、Y、Z三個軸的聯動，其基本連接及運動原理如圖2所示。

參照圖2所示，對進給軸的自動運行可按如下順序講解。

1.編程代碼G01 X10.Y20.F500表示X和Y軸進行直線插補運動，進給速度為500mm/min。

2.為保證進給軸自動運行，NC模塊的JA41A接口與伺服放大器的JA7B接口相連，用于數據通訊，而伺服放大器與3個進給軸電機分別通過JF1、JF2和JF3接口相連，用于數據反饋，進給軸的動力電也由伺服放大器提供。

3.數控系統NC模塊的JD51A接口與I/O單元的JD1B接口相連，用于數據通訊。

4.數控系統的自動運行工作模式（AUTO、MDI等）按鍵與I/O單元相連，通過PMC程序處理后輸出G43.2、G43.1和G43.0等信號給NC模塊，NC模塊發出自動運行準備就緒信號，通過伺服放大器驅動進給軸電機運轉。

5.進給速度用F代碼后給定的數值及倍率信號指定，參數1 422設定最大切削進給速度。

圖2　進給自動運行原理

上述案例通過圖文并茂的方式，講解了編程代碼與系統原理之間的關系，結合系統連接、PMC程序、參數設置等方面，闡述數控機床的運行原理和實現過程，并且可在課內上機實訓時，通過觀察系統電氣連接、PMC信號監測畫面、參數設置畫面等方法來增加感性認識，使得學生在學習編程的過程中充分理解數控機床的工作原理，提高學習效率。

［1］陳冰.理實一體化教學在數控專業中的實踐與應用［J］.職教論壇，2007（6）：16-20.

［2］呂小蓮，倪受春，時曉杰，等.“數控原理與編程”課程理實一體化教學的研究［J］.職教通訊，2013（18）：53-55.

［3］蔣天堂.職業院校數控技術專業教學現狀分析及改進建議［J］.職業技術教育，2007（11）：11-12.

［4］周荃.高職院校《數控原理與編程》課程教學思考［J］.濰坊高等職業教育，2011（3）：53-54.

［5］顧京.數控編程課程建設的研究與實踐［J］.中國職業技術教育，2005（25）：58-60.

［責任編輯陳國平］

深圳職業技術學院教研重點課題“基于產教融合的工學結合教學效果評價研究”（項目編號：701422J05019）

魏勝，男，深圳職業技術學院副教授，博士，主要研究方向為數控技術。

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1674-7747（2016）24-0025-04