虚实结合的数控实训课程构建与应用

何流洪，管琪明，周峥嵘

（贵州大学 工程训练中心，贵阳550025）

1 引言

分析现代工程人才培养需求，剖析当前数控实践训练的缺陷及制约因素，立足大工程观及产品、零件全生命周期的全局视角，结合全新信息技术和现代教育理念[1]，从顶层规划设计，契合虚拟仿真技术和先进制造技术，以UG 强大的CAD/CAM 功能、虚拟数控实践平台及实体数控机床作为保障，以“递进式”思维和“串点为线”的方式，开发三维模型设计模块、二维工程图制作模块、工艺分析模块、数控编程模块、数控程序仿真模块、虚拟加工模块及实体加工模块，打造虚拟仿真数控实训课程。

2 数控加工实训课程背景

现代工程是一个开放、共享、协同、集成、课程化、综合性的复杂系统，与之适应的现代工程人才，必须具备扎实的专业知识，优良的实践能力、创新创业能力、沟通协调能力、解决复杂工程能力、持续提升能力、领导及工管能力等。工程实践训练是通过实践将知识转变成能力的重要手段，对知识的巩固与强化意义重大，对实践能力、创新能力、解决复杂工程能力的培养作用显著。数控实践训练作为工程训练的重要组成部分，是学习者了解先进制造技术的重要窗口，但目前，数控实践训练的实际教学效果与教学需求之间的落差甚为突出，为了找出原因，对某高校400 名师生进行调研，结果如表1 所示。

表1 数控实践训练存在的问题调查统计表

不难看出，制约及影响数控实践训练质量的因素主要体现在以下几个方面：①设备少，人机比例失调。一方面数控设备价格相对昂贵，成本投入较大，另一方面，大多高校的实践指导老师人数较少，而学生却有增无减，导致“两少一多”的尴尬局面。②安全问题凸显。传统的实训模式，数控实践的学生作为没有一点操作机床经历的初学者，兴趣浓厚，但对机床的安全注意事项停留在皮毛的“纸上谈兵”，安全事故率较高，加之数控机床是高转速的大动力机床，发生事故后损失都较为严重。③课程结构不完整。科技高速发展的今天，工程实践课程自身的拓展较快，但实践课程课时没有增加或更新，导致课程相对压缩或滞后，加上数控实践训练安全风险较高，导致数控实践训练萎缩成“一写加一看”，即写个程序，看个示范。上述情况普遍存在，已经严重影响实践教学质量。

3 课程构建及模块功能

要解决数控实践训练的弊端和缺陷，完善现代工程人才的实践训练。还不能着眼于解决问题本身，因为问题之间相互制约，恶性促进并循环，对单一问题的解决毫无意义，最好的方式是全盘推倒，重新构建。虚实结合的数控实训课程以软硬结合的“三平台”作为支撑，构建贯穿零件数控加工“七模块”，具体构成如图1 所示。

图1 虚实结合的数控实训课程的构成图

课程把虚拟仿真技术与信息技术、数控技术结合，将数控实践训练和理论知识应用相融合，通过“设计→制作→运行”，让学习者掌握零件数控加工全生命周期的各个环节，从而将知识、素质、能力融会贯通。

三维模型设计模块：根据要求，运用三维建模软件，将三维模型绘制出来。同一模型有不同的制作过程，锻炼学生设计规划能力及设计软件的掌握能力。

工程图模块：将三维模型图转换成便于加工的二维工程图，便于后续的工艺分析及数控程序编辑。

工艺模块：对零件进行数控加工工艺分析，涉及加工工序设计、走刀路线规划以及刀具选择、夹具选择等，是零件加工过程中极为重要的过程，工艺规划的优劣，直接影响后续加工程序的编写质量，最终决定零件加工的质量和效率。

数控编程模块：从得到加工程序而编程转变成学习编程技能，摒弃单纯手工编程的单一授课方式，从加工原理及加工工艺分析引入，以UG 软件作为载体，激发学生的学习兴趣，最终掌握编程方法。

数控程序仿真：以辅助程序编制和运动轨迹校验的仿真软件作为基础，结合更高级的能仿真出三维加工的环境数控的仿真软件，通过程序输入→程序规范→程序仿真→程序验证→程序调试等步骤，得到可靠的数控程序。

虚拟数控加工模块：对于数控实践训练来说，得到可靠的程序是远远不够的，还需要将通过程序与机床对话，完成零件加工。如果直接操作机床，对从来没有接触过机床的学习者来说，难度较大，况且，受人机比例不协调，直接影响到数控实践训练教学的教学质量，而且存在较大的安全风险。所以，引入成本较低的虚拟仿真数控加工平台，让每个学生都有充足的学习机会。其强大的虚拟程序仿真功能，实现了辅助程序编制、校验运动轨迹以及仿真三维加工的环境的要求，搭配上实体机床的操作功能键，除了不能真实加工出零件外，能安全可靠地实现数控机床加工的所有操作，为后期的实体机床加工打好基础。

实体加工模块：一般来说，学习者对此模块的兴趣很浓厚，经过前面模块的充分准备，经历多次虚拟仿真加工，可以有条不紊地将自己设计的零件变成实体。

4 课程应用案例

基于开发的虚实结合的数控实践课程，要求学习者应用整套的数控实践训练。将训练要求定为：①毛坯尺寸为φ30×100；②零件加工必须包括端面加工、圆弧面加工、槽加工、螺纹加工以及切断。如下是A 同学的实践训练内容：三维零件模型设计，包括端面、圆柱面、槽、螺纹、圆弧面等，满足实训要求。根据三维模型制作规范的工程图。根据二维工程图进行工艺分析得出加工顺序及进给路线为：平端面→粗、精加工外轮廓→倒角→切退刀槽→切螺纹→切断，另外，对刀具和夹具进行选择并制作工艺卡片。根据工艺分析，基于UG 软件，完成程序编辑。为保证数控程序的正确性，将编辑好的数控程序进行虚拟模拟。得到正确的数控程序后，在虚拟数控实践平台上进行数控机床的程序仿真和操作训练。熟练机床操作后，转到实体机床上将实体零件加工出来。最后进行零件加工质量检验，合格后完成数控实践训练。

5 结语

虚实结合的数控实践训练课程，为学习者提供了一个更有安全保障的学习环境，通过贯穿零件加工全生命周期的模块化学习，让学习者从“走马观花式”的技能训练转变成结合设计、制图、工艺分析、操作技能训练的全新数控实践训练。课程通过“虚实结合、软硬融合”的方式，把课程从课上延伸到课下，增加了训练内容，提高了训练难度，却节约了课程时间，更为全面地将学习者的知识、能力及素质有机结合并持续提高。