论数控仿真软件教学改革

蒋校辉，李建明

（湖南工程学院工程训练中心，湖南湘潭411101）

论数控仿真软件教学改革

蒋校辉，李建明

（湖南工程学院工程训练中心，湖南湘潭411101）

结合湖南工程学院数控学习教学案例，分析了数控仿真软件在实习教学中的优缺点，探讨了数控实习教学中出现的刀具、工艺、安全等具体问题，提出了教学改进方案，力求提高学院的数控教学水平。

数控仿真软件；数控实习；数控教学

随着科学技术的迅猛发展和经济的市场化、全球化，高校人才培养的理念也发生了根本性的转变，强调人才素质和能力的培养。以先进技术训练为龙头，引导创意思维为主线，贯彻多学科集成思想，在与现代科学技术发展水平相适应的平台上培养学生的工程实践能力，工程素质和创新能力，培养学生建立具有大工程背景的知识结构已成为学校教育改革的重点，而先进制造技术教学中的数控实践教学更被列为重中之重［1］。教学中，学生在数控机床上直接进行操作练习，容易因为误操作造成数控设备的损坏。另外由于数控机床（特别是数控铣床和加工中心）是高技术、高价格的产品，许多应用型本科院校及高职院校因资金困难无法购置大量数控机床来供学生实习用。因此，探索一种“见效快、投入少、学生实践能力强”的教学模式势在必行，在数控实践教学中运用仿真软件辅助教学是解决这一问题的重要途径［2］。

计算机数控仿真是应用计算机技术对数控加工操作过程进行模拟仿真的一门新技术。它是采用计算机图形学的手段对加工走刀和零件切削过程进行模拟，具有快速、仿真度高、成本低等优点。数控仿真系统可以模拟实际设备加工环境及其工作状态，为验证数控程序的可靠性、防止干涉和碰撞的发生以及预测加工过程提供了强有力的工具。该技术面向实际生产过程的机床仿真操作，加工过程三维动态的逼真再现，能使每一个学生对数控加工建立感性认识，可以反复动手进行数控加工操作，有效解决了因数控设备昂贵和安全风险很难做到每位学生“一人一机”进行实验的问题，在培养全面熟练掌握数控加工技术的实用型技能人才方面发挥了显著作用［3］。当前国内较为流行的仿真软件有南京斯沃、北京斐克、上海宇龙等数控加工仿真软件。这些软件一般都具有数控加工过程的三维显示和模拟真实机床的仿真操作的功能。

湖南工程学院工程训练中心采购数控仿真软件和计算机，组建数控编程及仿真机房，数控实习教师研究探讨数控仿真教学，在原来数控实习教学基础上进行了有益的尝试。

一 使用数控仿真软件教学的优势

目前，湖南工程学院数控实习教研室结合其他高校数控实践教学方式，根据工程训练中心实际情况及特点，采用数控实习“理论教学—仿真教学—加工操作”教学模式（见图1）。

数控实习教学在引进仿真教学以来，学生反映学习效果好、学习效率高。与没有使用数控仿真软件教学之前，有着显著的区别。

（一）激发学生学习兴趣，教学成果显著

以前数控实习教学中，教师通常在讲解数控基础知识（数控机床结构、原理、编程代码等）后，再到数控机床前讲解机床操作。由于师资力量及数控机床有限，通常15位甚至更多学生听一位数控指导教师讲解。学生人数多加上数控机床现场噪音大，教学效果较差。这样的教学方式往往不能够保证每一位学生都能掌握所学内容。数控加工仿真软件教学可以在多媒体教室讲授，数控仿真软件的网络功能，可以实现了师生互动教学，教师可以在大屏幕上演示其教学内容，让所有学生都能清楚地观看并进行数控机床操作步骤的模仿，同时教师也可以在自己屏幕上看到每个学生的操作情况，通过实时数控仿真教学情况的了解，对学生进行指导，学生的学习积极性被充分调动起来，数控仿真教学中边学边做、边教边学，学生学习灵活轻松。目前高等院校学生电脑普及率非常高，将数控仿真引入教学后，学生便有了更多的练习时间，既可以在学校机房练习，也可以在自己的电脑上安装数控机床仿真软件练习，并将遇到的问题进行独立思考，或与周围同学商讨，最后将解决不了的问题再带到课堂向老师请教，使学习不再局限在课堂之内，教学效果明显［4］。

图1 数控实习教学模式图

（二）提高机床操作安全性

数控仿真系统使用时，由于是在虚拟环境中进行数控机床操作和加工，不会因为学生的误操作而损坏机床，不存在机床安全事故。以往在进行数控实习时，部分学生因为是第一次操作机床，心情紧张或之前没有认真听课，导致手工操作失误，从而造成工件与刀具相撞。另外还有部分学生因为编程错误、对刀错误，也容易造成安全事故。由于数控加工仿真系统与数控机床操作系统具有相同或相似的面板和按键功能，仿真系统在模拟数控加工操作过程时，即使出现人为编程或对刀等操作失误也不会危及数控机床和学生的人身安全。

（三）提供多种数控机床和数控系统，节省教学设备投资，减少材料消耗

目前市场上的数控仿真软件大都包括了我国数控加工中常见的数控机床和主流的数控系统。数控教学时可根据需要选择相应的机床和系统对学生进行授课，提高学生对不同数控系统及不同数控机床的适应能力。目前一台数控机床少则几万元，多则几十万上百万，特别是高端加工中心更是达到成百上千万元，如果数控机床的操作训练完全依赖高等院校自行采购的数控机床进行实习，会造成设备投入过大，材料消耗过多，并且设备维护保养不易的问题。当然，另一方面是如果数控机床种类和数量达不到要求，则无法进行普及性数控实践性教学，很难培养出实践能力强的应用型本科复合型人才［5］。将数控仿真软件应用于教学，部分数控机床实习操作和加工训练可以在数控仿真系统中实现，减少了在数控机床设备上的资金投入和工件材料的消耗，从而降低了教学成本。

二 使用数控仿真软件的不足

数控仿真软件的应用改变了传统的数控理论、实习教学模式，方便了教师的教学，激发学生的学习兴趣，教学效率和教学质量较传统教学模式有了显著提高。但数控仿真教学也有一定的局限性，数控仿真教学，在仿真软件操作与实际数控机床操作存在差别、数控仿真软件尚不完善、数控刀具及加工工艺认识和数控机床维护保养存在一些问题：

（一）数控机床操作安全问题

由于数控仿真软件与实际数控机床存在差异，如果只学会数控仿真软件操作，而数控机床操作实践少的话，部分学生在操作加工时易操作失误出现人为撞刀等安全事故。例如：在仿真软件的数控机床手轮是用鼠标操作，刀具撞到工件上，在虚拟状态中不会出现刀具撞飞安全事故。但在真实数控机床操作时，学生在使用JOG或手轮时，注意力没有集中在刀具上，而是眼睛看着显示屏幕，或者将手轮倍率调的过大（100和1000两个档位），极易发生刀具与工件、卡盘、尾架等相撞，并有可能造成安全事故。另外，随着机床更新换代不断加快，部分仿真软件不可能将所有机床操作面板及操作运行方式纳入其中，因此懂数控仿真软件操作并不代表就会操作实际数控机床。

（二）数控仿真软件尚不完善

目前数控仿真软件尚不完善，FANUC、SIEMENS系统数控车、数控铣及加工中心数控系统指令与数控仿真软件指令运行并不完全一致，循环编程指令甚至还存在错误等；另外数控仿真软件在执行较复杂工件操作加工时，指令运行缓慢，工件三维加工仿真差，有的内容尚未设计出来；在电脑操作系统进行多任务处理时，数控仿真系统因运行不稳定经常崩溃；在网络教学时，因操作系统不稳定、网络链接等软故障会导致堵塞、断线等错误。数控仿真教学中，仿真软件的缺陷和不足会使学生情绪激动和急躁，从而出现乱按键盘、乱点鼠标等误操作，使软件产生更多问题乃至电脑操作系统崩溃。

（三）刀具、数控加工工艺的认识问题

数控仿真软件只是工件加工过程的模拟并非是真实加工过程，学生在应用数控仿真系统进行编程与操作训练时，往往容易忽视切削三要素：进给量的选择、背吃刀量、切削速度以及零件的装夹，学生实习时没有直观印象；选用时不弄清楚每把刀具具体作用只看外形，加上数控仿真系统中刀具多，从而影响零件加工的工艺分析，无法编制正确的数控加工程序，经常发生蹦刃、撞刀、一刀成型等错误［6］。

（四）维护、保养数控机床的意识淡漠

数控机床要进行维护和保养，然而在仿真教学中不存在维护和保养问题，即使出现问题只需将操作系统、仿真软件在电脑中重启便可解决。学生在数控仿真教学中形成关机重启解决问题习惯，缺乏对数控机床维护和保养观念。部分学生在数控机床操作时，不按数控机床操作规程任意按键，就像在数控仿真机房做仿真练习一样，经常导致发生数控机床产生刀具与工件相撞、刀架走到极限位置等故障，并且在下课后，经常忘记清洁打扫数控机床。

三 改进教学方案

上述教学问题是数控仿真软件特点及缺陷造成的。这些缺陷与不足的存在但不影响仿真软件的使用，不能因为仿真软件的缺点就放弃它的教学优越性。针对数控仿真教学的部分问题，提出以下改进教学方案。

（一）数控机床操作与仿真教学交替进行

理论课后学生没有接触真实机床，进行仿真教学，没有一定的感性直观认识，改为在仿真教学过程中穿插现场教学。教师应首先明确仿真软件与实际机床的区别，并引导学生进行相互比较，加深学生理解记忆真实数控机床与仿真软件的区别，认识到仿真软件的不足，不能完全依赖仿真软件。另外仿真软件使用要适度，仿真软件主要用于熟悉面板操作等教学内容，在数控实习中占的比例为20%－30%，其余教学内容以实践操作为主。要求学生在正式操作数控机床前，将自己编好的程序代码，输入到仿真软件中模拟加工。观察零件加工，判断数控程序错误，确保仿真校验无误后，再将正确程序输入数控机床中，方可到数控机床上实际加工。该流程可在数控机房进行，也可由学生在宿舍用电脑自行完成，既节省了数控机床操作的辅助时间，又减少了加工中出错率，提高了加工安全性，并使得学生可以自主学习、自我检测，充分调动他们的学习积极性。

工程训练中心数控教研室目前从事教学所用的是SIEMENS802C系统，只是社会上常用数控系统中的一种。这就要求学生在机床操作加工后，学习FANUC等其它系统，因此还需要安排其它数控系统仿真教学。

改进后数控实习教学模式为首先进行理论教学，其中在教室集中讲授数控工艺、数控编程代码等，然后进入仿真教学1环节，主要讲解数控机床面板操作及机床手动操作，根据学生专业情况与现场教学1环节中穿插教学进行，其中现场教学按小组（10－15人）讲授机床结构、面板操作，既加深学生对机床印象，又能使其理解仿真与实际的区别。这既能提高学生人机比例，又能激发学生学习兴趣，提高学习效果。之后进入现场教学环节2，教师讲授数控机床对刀原理和方法，这是数控实习教学重点和难点。根据学生具体情况，让学生将编制好的程序在仿真教学2环节中检验、加工。时间少的专业跳过这环节，让教师参与检验。最后进行现场教学环节3，即根据检验好的程序进行加工。仿真教学3环节——其它数控系统根据具体专业教学环节来安排（见图2）。

（二）结合专业针对性讲授数控知识

讲授机床结构、编程代码、数控工艺、刀具等数控理论知识，切记在课堂生搬硬套，一定要结合学生实际情况讲解，比如机械专业的学生实践的重点则是让学生体会到，数控机床的最大特点就是能加工具有复杂形面的零件，生产效率高、质量好。在编制程序时，会使用轮廓和螺纹循环指令及调用子程序，侧重讲解工艺及刀具知识，有条件的积极讲解数控仿真软件中不同数控系统，并交由学生尽可能多从图纸的工艺性分析到编程加工的仿真及操作练习。对电气专业的学生，则着重说明数控机床离不开自动控制，特别是在现代制造业中所采用的CIMS、FMS等现代化自动生产线，数控机床是基本单元，靠自动控制、计算机网络等各种新技术把这些基本单元联系起来。有条件的讲解数控仿真维修软件，尝试维修简单电气故障。讲解结合不同专业，学生学习更有针对性，充分调动了他们的学习积极性，自主学习欲望更强［6］。

图2 改进后的数控实习教学模式图

（三）加强管理重视安全教育

在数控实习教学中要加强管理，在机床现场教学中结合学生专业实际讲授机床保养与维护及安全知识，规范数控机床操作，并以文字书面方式分发告知学生，并让学生签字确认，让学生充分理解实际数控机床操作与数控仿真软件操作的不同；将每一台机床的任务分配到学生，落实机床维护的负责人，让学生养成良好的机床保养与维护安全知识，培养学生的认真负责精神和细致作风。

四 结 语

将数控仿真软件运用于数控实习教学，尚处于研究探索阶段，该教学方法既有显著的优点，又存在某些隐患。教师在教学过程中要积极思考产生的问题，及时主动采取应对措施，完善仿真训练与实际机床操作训练有机结合，才能发挥数控仿真教学的最佳效果［7］。

［1]王彦章．数控仿真软件在数控教学中的应用［J］．科技创新导报，2011（15）．

［2]黄凤岐．数控仿真技术的教学应用［J］．科教文汇，2009（19）．

［3]百度百科．数控仿真［EB/OL］．http：//baike．baidu．com/view/4039920．htm．2010．9．

［4]吴明职．数控仿真软件在教学中的点点思考［J］．现代企业教育，2009（2）．

［5]蔺 毅．数控仿真软件在教学中的若干问题［J］．现代企业文化，2009（3）．

［6]蒋校辉．数控仿真软件实习教学改革初探［J］．新疆石油教育学院学报，2010（3）．

［7]阳 涛．数控仿真软件在教学中的应用［J］．现代制造技术与装备，2011（2）．

On the Teaching Reform of NC Simulation Software

JIANG Xiao－hui，LI Jian－ming
（Engineering Training Center，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

Based on the case of the practice teaching in Hunan Institute of Engineering，this paper analyzes the advantages and disadvantages of NC simulation software in the practice teaching．Some specific problems about tools，technology and safety in the practice teaching are discussed，and the teaching reform is proposed to improve the teaching effect．

NC simulation software；NC practice；NC teaching

G642

A

1671－1181（2012）02－0118－04

2011－12－08

蒋校辉（1974－），男，湖南邵阳人，硕士，实验师，研究方向：机械制造及数控仿真。