類比式數控車削仿真實驗教學探究與實踐

王良 車曉毅 李志剛

摘? 要：針對數控車削編程指令及指令之間的區別不易被學生掌握的問題，基于數控仿真實驗系統，提出了類比式的實驗教學方法，即采用具有漸進關系的指令分別對同一個案例進行編程，并進行仿真加工，類比不同程序實現同一案例加工的區別與聯系。能幫助學生更好地掌握數控編程指令及用法等理論課程知識，對提高學生的學習積極性和主動性，提升學生工程實踐能力具有良好的效果。

關鍵詞：數控車削? 編程? 仿真? 實驗教學? 類比式

中圖分類號：G642.4????????????????????????? 文獻標識碼：A??? ????????????? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0106-05

Research and Practice of Analog Numerical Control Turning Simulation Experiment Teaching

WANG Liang? CHE Xiaoyi? LI Zhigang

（College of Mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China ）

Abstract： Aiming at the problem that the difference between NC turning programming instructions is not easy for students to grasp， based on the NC simulation experiment system， an analog experiment teaching method is proposed. That is， the instructions with the gradual relationship are used to program the same case separately， and the simulation processing is performed， and the difference and connection of the same case processing can be realized by analogy with different programs. It can help students better master the numerical control programming instruction and usage and other theoretical knowledge， which has a good effect on improving students' learning enthusiasm and initiative and improving students' engineering practice ability.

Key Words： Numerical control turning; Programming; Simulation; Experimental teaching; Analog

數控技術是一門理論與實踐結合非常緊密的課程，數控技術的本科教學不但要求學生掌握豐厚的數控理論知識，還要求其學會基本的數控操作和編程技能[1]。在實際教學過程中，因為內容繁而雜，往往理論知識與實際操作會產生脫節，學生在課堂上學到的知識無法在實踐中得到很好的運用，從而導致學習積極性不高，達不到很好的教學效果[2]。

另外，數控加工程序編制作為數控技術課程的重點內容，而數控加工程序編制的很多教學內容是與實際的機床操作有密切關系的，撇開數控機床的操作與實踐，孤立地去講授數控編程的各類代碼，將很難達到理想的教學效果，特別是一些直接與機床上的按鍵或操作有關的代碼，課堂講授時更是難以使學生理解和記住[3-4]。只有讓學生實際操作一下數控機床，學生才會真正掌握和理解所學習的內容。但是學校條件所限，數控設備少、學生多的矛盾突出，對于這一難題，通過數控加工仿真系統就可以得到充分解決[1，5]。

因此，基于數控仿真實驗系統，結合案例式教學方法和類比式教學方法，提出類比式實驗教學方法應用到數控車削仿真實驗教學中，旨在提高學生的積極性和主動性，有利于學生更好地掌握編程指令及用法等理論課程知識，以提升學生工程實踐能力。

1? 類比式實驗教學方法

案例式教學直觀具體、生動形象，并且是實際應用實例，所以學生印象深刻，課堂教學氣氛活躍，無疑是一種好的互動形式，但是因學生的理論學習不是非常系統和透徹，案例的選擇較為關鍵[6]。而教學實踐表明漸進式教學方法能適應學生學習的認知規律，根據學生的接受情況及時地調整教學環節，在教學時遵循漸進學習的原則，從而實現教和學的良性互動，有效地緩解學生對課程學習的畏難情緒，顯著增強學生的學習主動性和積極性，進而提高教學效果[7]。

融合案例式和漸進式教學方法特點，提出了類比式實驗教學方法，即采用漸進復雜的多個知識點分別對同一案例進行實驗并類比分析，框架如圖1所示。通過漸進復雜的不同知識點對解決同一案例問題得到不同解決方案，不同知識點之間具有漸進的關系，可以讓學生在實驗過程中類比分析，提高學習的積極性和主動性，有效掌握相關知識點及其應用情況，同時提升學生解決工程實際問題的能力。

2? 類比式數控車削仿真實驗教學實踐

對于數控編程相關的一些教材[8-10]對數控車削編程指令理論部分知識分為常用基本指令、單一固定循環指令、復合固定循環指令3類來進行講解，容易使學生對該部分知識掌握不牢。因此，在學生對指令的格式和所需參數的意義等理論知識學習后，采用類比式實驗教學方法對理論知識進行補充和實踐，具體做法是：首先根據數控技術課程中車削編程教學的特點，確定3類指令里面呈漸進式復雜關系的指令;其次選擇合適案例，分別對該案例進行編程，讓學生得到不同的數控加工程序;然后完成仿真加工，最后引導學生分析類比，總結在不同指令適合的應用場合。應用情況示意圖如圖2所示。

2.1 確定呈漸進復雜關系指令

對數控車削編程G功能指令，根據多個常用基本指令組合、單一固定循環指令和復合循環指令的走刀路線相似性和關聯性，其漸進復雜關系確定如圖3所示（FANUC數控系統）。

2.2 案例的選擇

案例選擇如圖4所示，毛坯棒料直徑為125 mm，長度為200 mm，圖中直徑120 mm的外圓在軸向長度要求是20 mm，編程原點為圖4中所示，要求完成零件輪廓數控加工程序的編制。

2.3 程序編制

數控加工工藝設計時主要是首先平右端面，然后進行先粗后精的工藝安排，主要參數如表1所示。

通過指令的格式和所需參數的意義學習后，對圖4所示數控車削加工案例分別使用常用基本指令G00、G01，內、外徑車削循環指令G90，復合固定循環指令G71、G70進行程序編制，編制程序如圖5、圖6、圖7所示。

在用G71、G70進行編程時，G71粗加工完成后，進行精加工之前需要換刀時，對于移動到換刀點和執行換刀動作的指令，是在N130行程序與G70指令之間執行，而非安排在粗加工程序G71指令與N70行程序之間。

2.4 仿真加工

數控仿真實驗系統可以模擬數控機床操作的全過程，可以模擬真實數控機床的操作面板和屏幕顯示，在操作步驟上，如毛坯定義、工件裝夾、對刀操作、機床操作方式等與相應的實際機床完全相同，實現輕松操作[11]。學生可從多個角度觀察到數控機床里面的加工過程，使得零件如何從毛坯加工到成品的過程更加直觀形象，學生能夠更好地理解數控機床加工，操作者也可先直觀地看到自己的加工工藝和加工方法是否存在問題，再在數控機床上加工，如此能大大降低出錯幾率。利用數控仿真實驗系統輔助教學，使學生掌握數控理論的同時提升學習興趣，使得課堂教學變得更加生動，教學效果明顯[12-13]。

采用數控仿真加工系統進行仿真實驗，通過演示操作過程：毛坯設置—刀具設置—對刀—程序導入系統—仿真加工—結束，在整個仿真加工演示過程中，對學生來說也是對數控仿真加工操作及數控加工過程的熟悉，同時也對數控機床的結構、數控刀具、工件坐標系、機床坐標系等多個知識點的深入理解和掌握，前述程序仿真加工后的結果以及走刀路線如圖8所示。

2.5 類比分析

（1）指令格式逐漸復雜。

指令格式由簡單逐漸變得復雜，指令后需要的相應參數增多，指令格式對比如圖9所示。

（2）整體程序逐漸簡短。

在前述的程序中，標記①和②處的框內程序走刀路線一致，但是①處的程序為3行，②處的程序為1行，減少了2行;標記③和④處的框內程序走刀路線一致，但是③處的程序為10行，④處的程序為2行，減少了8行。程序O0001～O0003整體行數逐漸減少，程序變得簡短，且幾何處理變得簡單。

（3）總結。

通過以上類比分析可以看出，針對該零件加工采用復合固定循環指令G71和G70配合使用，會比采用常用基本指令G00和G001、單一固定循環指令G90編寫的程序精簡。但是這并不是說所有情況都是這樣，該文這樣的舉例只是突出指令之間的差別且助于學生掌握指令及編程。在實際生產實踐中，要針對不同的加工特征和零件特點合理選擇編程指令，優化數控加工程序，保證加工精度的前提下提高加工效率。

3? 結語

結合案例式教學方法和漸進式教學方法，提出的類比式實驗教學方法，并將其應用到數控車削仿真實驗教學實踐中，利用常用基本指令、單一固定循環指令、復合固定循環指令中，具有漸進復雜關系的不同指令分別對同一案例完成編程及仿真加工，引導學生對程序及加工過程類比分析。通過教學實踐，該方法對幫助學生更好地掌握編程指令及用法，提高學生的學習積極性和主動性，提升學生工程實踐能力具有良好的效果。

參考文獻

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