“数控原理与编程”课程教学内容改革与模式探索

魏胜

“数控原理与编程”课程教学内容改革与模式探索

魏胜

“数控原理与编程”是数控技术专业的核心课程，是涉及多学科领域的综合性课程。通过分析该课程专业特性以及当前该课程教学中存在的不足，提出基于工作原理的数控编程教学方法，探讨原理与编程相结合的教学手段，以提高该课程的教学质量。

高职；“数控原理与编程”课程；教学内容；教学模式；工作原理

为适应现代制造业的发展并为制造业输送合格的数控技术人才，国内众多职业技术院校以及应用型本科院校都开设了数控技术专业。在专业建设过程中，各高校大力推行工学结合的模式，突出实践动手能力的培养，强调理实一体化的教学方法。［1-2］现代数控技术是一门涉及集机械制造、自动控制、传感检测、信息技术和光电等技术等多学科交叉型的综合性技术，［3］受教学条件以及教师教育背景的限制，各高校在课程建设、教学计划以及人才培养目标上都不尽相同，而“数控原理与编程”作为数控技术专业的一门主干课程，其理论性和实践性都非常强，因此，该课程的教学方法和课程建设方案值得探索和研究。［4］本文结合笔者所在学校现有的教学条件、培养目标及实际教学经验和体会，探讨“数控原理与编程”课程的教学内容和方法。

一、课程特性分析

（一）教学目标及内容

“数控原理与编程”课程是高职数控技术应用专业、机械CAD/CAM专业、机电一体化技术专业等相关专业开设的专业基础课，教学目标和课程的任务是为了让学生全面系统的掌握数控机床的基本组成与基本原理，熟练掌握数控机床的手工编程与基本操作，为学习后续课程和毕业后从事专业工作打下坚实的基础。其前导课程包括机械设计基础、电工学、数控机床电器控制与PLC等，后续课程包括数控机床操作实训及数控设备故障诊断与维修等。

根据教学目标的设定和规划，本课程采用模块化结构构建教学内容，将课程的主要知识点分为5个单元，包括数控系统原理、数控机床的机械结构、加工工艺和G代码编程、数控机床的伺服系统原理和数控机床的基本操作。通过对该课程的学习，使得学生能够既能掌握数控机床的基本操作方法，也能看懂图纸并进行编程加工，为适应数控技术专业岗位群的工作奠定基础。

（二）教学手段和教学方法

当前的“数控原理与编程”课程教学过程中，通常是介绍数控系统的基本原理和结构，然后介绍编程代码的意义，最后以多个实例来讲解编程的一般方法和过程。而对于数控系统对零件加工程序的处理过程一般都是进行简要的介绍，数控加工的过程是由数控系统根据零件加工程序来控制数控机床自动完成的，每一个加工的程序段都是按照程序输入、译码、刀具补偿、插补运算、位置和速度控制这样的顺序来完成。学生对程序处理过程只停留在概念上的认识，并不清楚细节上的工作原理，对后期课程如数控系统的装调以及故障诊断与维修等脱节严重，不利于系统有序的学习过程。

传统的课堂教学方法是以书本知识为主，结合加工工艺来讲解数控编程，强调建立刀补的过程和进刀方式，注重主轴转速、切削深度、进给速度等切削用量的选择和意义。对于初学者来说，这种教学模式存在以下三点不足。

1.初学者对数控加工的实际情况了解不多，缺乏实习和实践经验，只能根据教材上图例来想象加工过程，比较抽象并较为枯燥，尤其对切削用量的选择对加工质量的影响效果更是模糊不清，使得理论教学与实践脱节，从而导致教学效果不理想。

2.仅依靠课堂教学会导致学生对编程的顺序、语法结构等理解不够透彻，以至于较难发现程序中的错误。而零件编程是一项十分严谨、细致的工作，任何细节上的错误都会导致零件加工不合格，甚至发生撞刀等恶性情况。若授课过程中能结合仿真软件或编程器等设备，对程序进行校验或图形模拟，再分析程序中可能出现的错误，就能使得学生更好地理解和掌握所学内容，提高编程水平。

3.对于加工过程中数控系统是如何控制机床运行这一方面也没有加以说明，在教学上，并未让原理与编程两部分结合起来，未能实现课本内容的有序衔接，缺乏模块的系统性与联系性，造成学生知识分割，从而影响教学效果和质量。

二、课程改革思路

为了让学生进一步了解“数控原理与编程”对后续课程的重要性，激发学生的学习兴趣，同时也培养学生的自学能力和分析解决问题的能力，有效提高学生的理论水平与实践操作能力，推动学生综合素质的提高，笔者在调整课程教学内容的基础上，对教学方法进行改革与探索。

（一）利用现有设备，加强实验教学

当前的课堂教学大多利用计算机的多媒体功能。多媒体技术具有图文并茂的特点，能将抽象枯燥的学习内容转换为生动形象的动态图像，如将零件加工的过程以动画的形式展现出来，可增加学生的感性认识，同时，有助于调动学生的积极性，提高学习效果。这对任课老师的课件制作水平提出了更高的要求，需要结合课堂教学内容，花费更多的精力和时间才能制作出生动形象的多媒体课件。目前国内高职院校的数控技术专业处于蓬勃发展阶段，在教育部的支持和各高校教师的努力下，很多高职院校都完成了数控技术专业各相关课程的精品课程建设。另外，在国家示范性专业建设和数控技术专业核心课程的国家资源库建设项目上，各高职院校专业教师齐心协力，共同制作了许多优秀的教学课件、题库以及教学案例，凝聚了专业教师多年的教学经验和教学成果。这些资源和课件都有助于课堂教学的优化和提升。

“数控原理与编程”是一门实践性较强的课程，多媒体课件对学习效果有一定程度的帮助和改善，但实践教学的过程必不可少。因此，该课程的教学计划中应适当添加实践教学内容，注意理论与实践教学在内容和时间分配上的合理性。同时，要将理论教学内容和现有的教学设备有机的结合起来，通过对机床设备的实际操作，使得学生能够更好地理解和掌握所学内容。

当前的主流数控系统如FANUC、SIMENS等品牌，都具有加工程序图形模拟功能，较高端的系列更是具有三维图形加工模拟功能。而且，在进行图形模拟时系统会自动检测编程代码的语法错误、由于刀补而导致的过切等问题，不仅有助于提高编程水平，而且还需要学生在编程过程中要有严谨的态度，注重细节上的问题，因为任何一点微小的错误都有可能导致严重的错误，如撞刀、过切等现象。另外，在进行程序模拟的过程中，需要熟悉机床的基本操作，如工作模式的选择、返回参考点的过程、程序的编辑方法等。这些学习过程都可提高学生的动手能力，对所学的知识有更直观的认识和理解，加强理论知识向实际动手能力的转化，从而也为后续的加工实训打下坚实的基础。

（二）原理与编程相结合，提升教学效果

在编程理论教学过程中，通常都会讲述加工工艺来引导学生编写加工程序，要求学生能对复杂零件进行工艺分析，并对数控加工程序进行多方案比较，可培养学生的创新思维和编程技能。但由于加工工艺对加工效果的影响很多时候体现在加工精度和表面粗糙度上，而学生还没有进入实习车间进行操作实训和切削加工，对加工工艺的理解很抽象也很困难，从而影响教学质量和学习效果。

在数控原理的教学过程中，需讲授数控系统的基本原理及其在机床控制中的实现过程、数控机床的机械结构组成等，而在后续的编程教学中，通常侧重于在工艺的基础上编写加工程序，与前述数控原理的教学内容脱节严重，并未将二者有机地结合起来。因此，在编程教学过程中可将二者结合起来，即在教学过程讲述各程序段的工作原理，包括运动轨迹的实现原理，强调数控系统与机床运动的实现过程，并对影响程序运行的相关因素进行阐述。这既有利于加强对前述课程的理解，也能有效拓宽学生对数控技术的认识，提高学习的兴趣和效率。另外，在编程调试过程中，还可在数控原理认知的基础上，通过对进给运动状态的分析和检测，对程序语法错误、操作模式选择错误等问题做出正确的判断，甚至也能明确影响机床运动的参数设置问题，使得学生在应用数控机床时具有一定的处理简单报警和简单维修的能力，为后续的数控机床调试及维修课程奠定基础。

三、教学应用实例

本文以FANUC-0iD系统为例，根据原理与编程相结合的课程改革思路，对常见的编程代码做出教学设计，从系统构成、电气原理、PMC程序、参数设置几个方面展开讨论，探讨加工程序运行时数控系统的控制原理及实现过程，从而更加深入地理清原理与编程之间的关系。

（一）主轴运行

数控机床的主轴包括串行主轴和模拟主轴两种类型，而运行方式分为手动和自动两种模式，其基本连接及运动原理如图1所示。

参照图1所示，对主轴运行的原理及过程可按如下顺序进行讲解。

1.编程时主轴运动的代码为M03 S1500，其中M03表示主轴正转，S1500表示主轴转速为1500r/ min，可根据需要调整主轴转速。

2.为保证伺服主轴运行，数控系统的NC模块通过JA41A接口与主轴放大器的JA7B接口相连，用于数据通讯，而主轴放大器的JYA2接口与伺服主轴的内置编码器相连，用于数据反馈。

3.为保证串行主轴运行，数控系统的NC模块通过JD51A接口与I/O单元的JD1B相连，JA40A接口与变频器相连，而变频器与模拟主轴相连。

4.在主轴运行过程中，M03功能需要经过PMC程序的译码输出G70.4（G70.5对应M04表示主轴反转）信号给NC模块，此时NC模块开始驱动主轴运转。

5.主轴手动运行过程中，控制面板上的按钮与I/O单元相连，通过PMC程序的处理实现主轴运转。

6.串行主轴的速度指令是由NC模块以数字形式发送给主轴放大器，模拟主轴的速度指令是NC以-10～+10V的模拟量输送给变频器等控制装置。

7.主轴的配置与参数3716、8133有关，运行速度与参数3772等参数有关，S代码的允许位数由参数3031确定，主轴运行过程中可利用系统信号诊断画面监测输出信号以及运转速度等。

图1　主轴运行原理

（二）进给轴自动运行

进给轴自动运行是指编程代码中含有G01或G02时X、Y、Z三个轴的联动，其基本连接及运动原理如图2所示。

参照图2所示，对进给轴的自动运行可按如下顺序讲解。

1.编程代码G01 X10.Y20.F500表示X和Y轴进行直线插补运动，进给速度为500mm/min。

2.为保证进给轴自动运行，NC模块的JA41A接口与伺服放大器的JA7B接口相连，用于数据通讯，而伺服放大器与3个进给轴电机分别通过JF1、JF2和JF3接口相连，用于数据反馈，进给轴的动力电也由伺服放大器提供。

3.数控系统NC模块的JD51A接口与I/O单元的JD1B接口相连，用于数据通讯。

4.数控系统的自动运行工作模式（AUTO、MDI等）按键与I/O单元相连，通过PMC程序处理后输出G43.2、G43.1和G43.0等信号给NC模块，NC模块发出自动运行准备就绪信号，通过伺服放大器驱动进给轴电机运转。

5.进给速度用F代码后给定的数值及倍率信号指定，参数1 422设定最大切削进给速度。

图2　进给自动运行原理

上述案例通过图文并茂的方式，讲解了编程代码与系统原理之间的关系，结合系统连接、PMC程序、参数设置等方面，阐述数控机床的运行原理和实现过程，并且可在课内上机实训时，通过观察系统电气连接、PMC信号监测画面、参数设置画面等方法来增加感性认识，使得学生在学习编程的过程中充分理解数控机床的工作原理，提高学习效率。

［1］陈冰.理实一体化教学在数控专业中的实践与应用［J］.职教论坛，2007（6）：16-20.

［2］吕小莲，倪受春，时晓杰，等.“数控原理与编程”课程理实一体化教学的研究［J］.职教通讯，2013（18）：53-55.

［3］蒋天堂.职业院校数控技术专业教学现状分析及改进建议［J］.职业技术教育，2007（11）：11-12.

［4］周荃.高职院校《数控原理与编程》课程教学思考［J］.潍坊高等职业教育，2011（3）：53-54.

［5］顾京.数控编程课程建设的研究与实践［J］.中国职业技术教育，2005（25）：58-60.

［责任编辑陈国平］

深圳职业技术学院教研重点课题“基于产教融合的工学结合教学效果评价研究”（项目编号：701422J05019）

魏胜，男，深圳职业技术学院副教授，博士，主要研究方向为数控技术。

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1674-7747（2016）24-0025-04