虛實結合的數控加工創新實踐教學探究

劉曉珍，楊林豐，蔡建新

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641)

0 引言

制造業數字化、智能化是新的工業革命的核心技術,同時也是我國由“制造大國”到“制造強國”轉變的戰略機遇[1]。其中數控技術的應用和發展成為制造業發展的關鍵技術，相應地培養理論水平高、實踐能力強的數控技術人才成為高校人才培養的主要內容。高校工程訓練中心是培養學生工程實踐能力和創新能力的重要基地。在傳統機械加工基礎上發展起來的數控技術實踐教學，越來越受到高校的重視，并取得了一定的效果[2-6]。我校工程訓練中心在對傳統教學模式分析的基礎上，以工程訓練中心實習基地為基礎，構建虛實結合數控加工創新實踐教學體系，以思維化設計產品人才的培養模式，實現對創新人才的培養。

1 傳統教學的現狀分析

1) 教學模式單一。由于零件的加工往往需要多個工種的協作，零件與完整產品之間存在裝配關系，需要多種知識技能之間的相互融合。傳統教學模式僅停留在各訓練項目獨立教學與操作層面，訓練內容互不關聯[7-8]。學生僅僅限于程序編寫和機床操作，對實際加工好零件的應用缺乏具體的渠道，造成學生受益有限，特別是機械類專業工科類學生得不到全面培養，學生實踐能力、創新能力得不到發揮。

2) 工藝教學缺失。合理選擇加工工藝，是確保零件加工質量的重要保障。加工工藝的設計需要根據零件圖樣要求合理選擇材料、刀具、加工參數，刀具軌跡等，才能加工出符合形狀精度和表面粗糙度要求的工件。傳統的教學模式只是單一的技能操作訓練，對于工藝方面的知識講解甚少，加工工藝過程相對固定，在一定程度上限制了學生對工藝知識的深入了解。

3) 教學內容陳舊。由于各數控工種獨立教學，在教學過程中教學任務固定不變，與相關訓練項目銜接少，特別是缺乏新技術理念的引入。在教學中使用的零件圖樣沒有根據數控工藝特點進行設計，限制了學生思維空間，從而使學生失去對工程訓練的學習興趣，結果往往是實習過程變成了走過場，沒有學到實質性的知識，教學效率低。

2 構建虛實結合的創新實踐教學平臺的意義

1) 數控加工取代傳統加工趨勢明顯。隨著時代的進步和技術更新，傳統加工由于其生產效率低，加工成本高，已不適合企業開展生產的設備需要。數控機床已成為企業生產的主要設備，相應地，高校應當采取數控加工逐漸取代傳統加工的實踐教學，讓學生更快地更新知識，順應數控制造領域的發展需求[9]。

2) 虛擬仿真與實踐加工相結合相得益彰。相對于手工編程，采用數控仿真軟件對零件進行加工程序編制，不僅可以提高編程效率，同時也可以檢驗加工方案的準確性，從而提高加工效率。目前有多家軟件公司出品虛擬仿真軟件，學生可以在虛擬環境中操控機床與程序編制，了解工件的加工過程。同時，讓學生動手操作數控設備加工作品，實現由虛擬制造向實踐加工過渡，完成體現零件的整個加工過程[10]。

3 虛實結合的創新實踐教學平臺的設計

3.1 教學實施過程設計

1) 網絡視頻預習

以機械專業本科生作為實踐訓練對象，要求學生在學習數控理論知識的前提下，通過中心專屬網站進行數控加工微課視頻的講解和預習[11]，完成相應的課程作業后，方可進入數控車銑一體化的實踐教學基地，通過指導老師的基礎講解，將學生帶入教學基地環境中，通過真實的教學和具體加工圖樣的設計，完成從上機操作制作零件，到測量、裝配、改進、總結一系列的實踐制作過程(圖1)。

圖1 創新訓練基本流程圖

2) 作品設計、工藝分析

作品設計是建立在數控車削和數控銑削工種原理基礎上，也是學生加工零件、分析工藝流程的關鍵。指導老師作為學生的引導者，用于訓練的圖樣既要便于學生在數控機床上加工出來，又要在設計加工上有創新改進的空間，還要有工藝要素的合理性。學生可以根據圖樣加工要求，制作加工工藝卡，有步驟地做好前期準備工作，這樣就有效地調動學生參與其中，順利完成任務(圖2)。

圖2 數控加工零件圖

數控加工工藝是數控加工的重要內容，需要指導老師由淺入深地講解工藝工序安排的基本原理：對于大部分軸類零件，要遵循先近后遠、先粗后精、先外后內的工序原則，盡可能一次安裝下完成加工，避免多次掉頭裝夾，用保證工件同軸度的工藝原則來編寫加工程序；對于板材零件，選擇最近合理的走刀路徑，優化加工過程，將位置精度要求較高的表面安排在一次安裝下完成，以免多次安裝所產生的安裝誤差影響位置精度。考慮諸多因素后，合理設置參數，生成加工代碼。

3) 虛實模式操作

學生進入教學基地，經過指導老師講解模擬仿真軟件使用，學生便可進入虛擬空間操作。數控車削的GSK980系統仿真軟件的學習是數控制造的基礎，手工編程是加工軸類零件的主要手段。將程序導入仿真軟件進行模擬加工，檢測程序的正確性，發現程序不足或錯誤等問題，以便及時得到解決(圖3)。

圖3 數控車削模擬仿真與加工現場

數控銑削采用自動編程方式，在計算機上運用Mastercam或UG軟件畫出產品零件圖后以3D形式呈現，圖形經過后處理，設置修改毛坯、刀具選用等參數，在計算機上仿真模擬加工后，利用計算機網絡將程序傳送到機床系統進行空運行檢測。采用GSK983Ma-H系統的數控銑床進行加工，該計算機畫圖軟件可以直接轉換成G代碼導入機床，顯示路徑同步進行實體加工，有效地縮短了加工前期準備，及時發現問題加以解決(圖4)。

圖4 數控銑削模擬仿真與加工現場

4) 產品加工

實踐過程中采用分組式教學模式，1批4組，每4位學生為1組，其中2人分別學習數控車削和數控銑削專業知識和仿真軟件使用，進行數控加工基本操作。學生之間可以相互交換學習心得，進行加工方案調整，以便更好地制造出產品零件。

刀具量具的準備是加工前的準備工作，首先對數控機床進行安全檢查，然后將工件裝夾在卡盤上、刀具安裝在刀架工位上，采用杠桿百分表對工件進行調整，程序檢測無誤后，使用帶表游標卡尺和千分尺量具，進行對刀工序，確定編程原點。同學們分組在各自的數控機床上開始加工相關零件，期間不斷地觀察數據變化和現場加工動態，進行微調整，使公差配合達到理想狀態。在這種新型教學基地環境下，學生的創新思維可以得到激發，學生對機械制造的興趣和不服輸的團隊精神得以形成。

5) 零件裝配與作品評價

根據圖樣要求通過數控設備制作零件后，將各個零件進行裝配，并對裝配過程中出現的問題進行分析、討論，培養學生的裝配技能，使學生充分了解零件的設計—制作—裝配的相互關系(圖5)。對制作完成后的作品進行評比，學生可以通過小組之間、小組內部對作品進行敘述的評價，最后由指導老師總結，使學生對自己的實踐過程有一個綜合認識。此外，實踐的作品可以成為下一批學生的實習參考，從而制作出更加具有創意的新作品(圖6)。

圖5 零件實體和裝配現場

圖6 學生數控加工作品

3.2 教學設計的特色

1) 改進教學模式，完善制作多樣化

改變傳統教學方式，構建虛實結合的教學模式，讓實踐教學過程更為主動、積極。學生在學習過程中，通過完整的零件加工及產品制作，實現學習內容的系統化，形成相對完善的知識體系。同時，鼓勵學生按照自己興趣，設計并制作出自己的創意作品，既發揮了學生的主動性，也鍛煉了學生獨立思考、動手能力和團隊合作能力。

2) 強化工藝訓練，實現教學互動

將數控車削和數控銑削兩種不同的加工方式結合起來進行實踐訓練，可以強化其在加工工藝、加工特性方面的認識與實踐。將兩者的加工特性融合起來，加工不同的零件，加工中相互學習和交流，并將其轉變為一個完整作品，使學生們得到一次實踐鍛煉的直接體驗，有助于提高學生參與其中的積極性。

3) 虛實教學結合，提高教學效率

采用虛實結合的教學方式有助于學生在編程過程中初步識別不同加工方法加工軌跡，并對加工中可能出現的發生刀具觸碰等問題及時預警，此后通過實踐加工，對加工程序驗證。這種方式不僅可以提高加工效率，同時，虛擬軟件的使用節省了學生編程時間。

4 結語

數控制造正在向高效率、高質量、可復性多功能的柔性制造方向發展，秉承改變傳統教學模式的思想，積極構建虛實結合的數控加工創新實踐教學平臺，不僅對指導老師提出了教學高要求，同時給予學生充足時間獨立思考，解決實習中存在的疑難問題，鍛煉學生的創新和實踐能力，使工程訓練課程不再成為走過場的必修課。新的教學平臺提高了學生學習的積極性、個人的創新能力和團隊精神，更加有效地為培養工程應用型人才提供服務。