數控實訓過程中的安全隱患與防護

王愛華, 石端偉

(武漢大學 大學生工程訓練與創新實踐中心， 武漢 430072)

0 引 言

工程訓練中心是提高大學生實踐能力的重要教學基地，隨著國家對高校實踐教學日益重視，高校十分重視工程訓練中心的建設規范、教學穩定和條件改善。通過工程訓練環節，讓學生親自動手，并在實踐中學習，加強素質教育，提高學生的實踐能力和綜合素質，從而激發學生的創新精神和提高創新能力。

武漢大學在基礎教育建設中不斷加大對工程訓練中心的投入。在2002年成立“工程訓練中心”的基礎上，于2016年成立了“大學生工程訓練與創新實踐中心”，為工程訓練實踐教學惠及全校學生提供了良好條件。隨著國家對《中國制造2025》提出，工程訓練過程中基礎制造技術和先進制造技術實訓所占比重也悄然發生變化，先進制造技術實訓份額越來越大[1]。數控技術是現代先進制造技術的代表性技術，數控加工技術的實訓(簡稱數控實訓)正在成為工程訓練的重點訓練環節，有些高校已將“數控加工技術實訓”單獨設立課程[2-3]。

然而，現有的教材更多的是關注數控實訓加工過程中的操作及技術，對于安全隱患分析和安全防護介紹的較少。國內許多學者和高校也逐漸意識到數控實訓過程的安全教學問題，并提出了一些數控實訓安全化管理的建議和方法[4]；也有學者分別分析了數控實訓教學中的安全隱患和安全防護[5-7]。現結合我校工程訓練與創新實踐中心的教學實踐，從教學過程中遇到的安全問題出發，詳細分析了數控教學過程中的安全隱患，并且結合教學實踐經歷給出了安全防護措施和建議。

1 數控實訓中的安全隱患

數控實訓過程中，由于數控車床屬于大動力設備，人與設備之間又存在頻繁密切的接觸；另一方面教師所面對的學生大多對數控車床的操作并不十分熟練，因此在實訓過程中存在著較大的安全隱患，事故率較高[8-10](詳見表1)。① 設備動力大、轉速高，一旦發生事故就是大事故，對操作者的安全性要求高。② 實訓學生全部為初學者，操作積極性高，但安全意識差、并且缺乏相關的工藝知識[11]，因此事故率偏高。③ 實訓指導教師偏少，設備臺套數相對偏多[12-13]。以某大學的大學生工程訓練實踐中心為例，目前有數控車床指導教師1人、數控銑床指導教師1人，而數控車床有6臺、數控銑削加工中心有5臺。如果是多臺機床同時開機的情況下，指導教師根本無法顧及全部細節，事故率高也就不可避免了。④ 數控程序編寫錯誤也是發生事故的另一主要原因，而實訓學生編寫的程序錯誤率又往往比較高[14]。⑤ 設備價值高(簡易型數控機床也要10萬元左右，而生產型機床都在幾十萬元)，一旦發生事故損失都會比較大。

表1 數控車實訓常見事故及后果分析

由于數控實訓過程中存在上述安全隱患[15]，因此全國高校工程訓練中心的數控實訓，絕大多數都是以訓練編程為主，輔以少量的機床操作訓練。或者機床數量較多而實際啟用的較少，或者只執行機床原來存儲的程序。更有甚者數控實訓開成了理論課，實際操作環節用觀看視頻和操作演示來代替。這樣做事故發生的概率是降下來了，但是卻偏離了工程訓練的目的，嚴重影響了同學們的學習積極性，對幾百萬元至上千萬元購置的設備來說是極大的浪費。

2 教學中的安全防護措施

根據多年來在數控實訓指導第一線的工作，在實踐中總結出了一系列數控實訓教學過程中的安全防護措施，對保障學生的人身安全、設備安全，減輕事故損失有著實際指導意義[16]。

2.1 樹立學生安全意識

實訓面對的學生主要是大一、大二的學生，他們大都初次接觸數控車床，對于實際操作并不熟悉。另一方面，在課堂中的先進制造相關課程對于安全教學方面重視不夠。學生進入工程訓練教學場地，缺乏足夠的安全意識和安全防護知識。因此，在學生接觸工程實訓之前，特別是實訓初期，就要讓同學們建立牢固的安全意識,并且在實訓過程中要反復強調。通過每一次反復的強調，每一次教學的反復指導，使學生樹立牢固的安全意識，養成良好的安全操作習慣。

2.2 安全操作仿真訓練

(1) “數控仿真”訓練。在教會同學們如何數控編程以后，要進行較長時間的“數控仿真”訓練。在學生實際加工之前，采用數控仿真訓練可大大降低學生數控實訓的不安全行為。其主要作用如下：① 對機床操作過程中的關鍵操作環節進行強化(見圖1)。② 由于計算機相對于數控機床，價格相對低廉，并且占用場地不大。因此可以通過仿真環節解決機床臺套數不足的問題。③ 對學生所編程序進行一定程度的檢驗，仿真檢驗通過的程序，輸入機床，可以消除相當部分的錯誤，而數控機床加工過程中的錯誤，80%以上是由程序錯誤造成的(見圖2)。④ 通過仿真可以修改不合理的加工路徑(見圖3)。⑤ 因為仿真過程中，刀具路徑可以觀察，還可以及時修改。即使有碰刀等錯誤也沒有危險，更不會有損失，所以可以讓學生放手操作。

圖1 回參考點提示圖2 碰刀提示

圖3 刀具路徑

⑥ 讓學生一開始就養成關門操作的習慣，即使發生事故，也不至于傷人(見圖4)。

圖4 關門提示

(2) 數控編程技巧。掌握數控編程的幾個基本技巧的，有助于機床、刀具的安全把控：① 程序的開頭要設置安全語句；② 凡是快速定位過程中(即用G00時)刀具與工件都不能有接觸；③ 凡是需要換刀時，都需要到安全地點(換刀點)進行。

(3) 熟悉數控仿真系統缺陷。仿真也不是萬能的，仿真熟練以后，或者說仿真檢驗過的程序，也并非在機床加工過程中就不會出事故，比如，刀具進刀退刀過程中與工件之間有干涉，仿真軟件并不能完全真實反映出來；操作方法上與機床之間依然有一定差距，如程序號后的分號在機床輸入時，必須與程序號分開來兩次插入，而在仿真過程中，一次插入也可以。再比如：在仿真過程中，無論在任何時候，從程序輸入轉換成程序自動運行，光標都會自動跳回到程序號上后，才可以轉換成自動運行狀態等。

因此，讓學生了解并掌握數控仿真系統存在的缺陷，也是防止事故發生的重要因素之一。

2.3 分階段安全實訓

在實訓過程的不同階段，選用不同的工件材料，為安全實訓設置最后屏障。在實訓的開始階段，由于同學們對編程的規則、技巧掌握不夠熟練，對工藝參數的制訂原則更是無從談起，因此選用加工性能好，安全性能高的灰塑料棒作為工件毛坯，并且棒料直徑不宜太粗(建議采用：φ25)。即使程序有錯誤，或者其他原因造成的事故，首先損壞、折斷的是工件的毛坯，一般不至于損壞刀具，更不會損壞機床，使損失控制在最小范圍內。待學生機床操作較熟練、編程技巧掌握并有了一定的工藝知識后，再將毛坯材料升級為有機玻璃棒、尼龍棒，根據經費允許的情況，也可以升級至合金鋁棒，黃銅棒等。更進一步熟練后可采用與生產實際更接近的黑色金屬(45鋼棒)，同時開啟冷卻液的使用，逐步達到生產加工過程的狀態。

2.4 寬口徑實訓安全指導

在課程安排不沖突的情況下，數控車與數控銑、數控車與普通車、數控銑與普通銑等工種之間指導教師打通進行指導機床操作的關鍵環節，如初始操作和對刀操作等，從而提高師生比，操作中堅持互相幫助，互相監督，互相提醒，保證數控實訓的安全、有序進行。

3 結 語

數控設備操作雖然存在較高的危險性，數控實訓教學不僅要重視學生的技術提高和操作動手能力，還需要加強學生的安全意識和安全防護。數控實訓的安全隱患是可以杜絕的，只要學生樹立牢固安全意識，接受安全操作培訓和安全防護的學習，通過技術手段和安全教學管理，為“推進理論創新，制度創新，科技創新，文化創新等各方面創新”提供有力的安全保障。

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