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

【摘 要】针对高校数控加工实践训练，依托UG、虚拟仿真数控实训平台、真实机床平台，以促进工程训练教学向信息化、智能化、数字化转变为目标，构建了虚实结合的数控加工实践训练课程。课程以零件加工的全生命周期为主线，以循序递进的功能单元为数控加工实训模块，实现“软硬融合、虚实结合”“实践训练自主性强、人机交流互动性高”“安全高效、经济环保”的全新数控加工实践训练局面。

【Abstract】Aiming at practical training of numerical control machining in colleges and universities， relying on UG， virtual simulation numerical control training platform and real machine tool platform， a practical training course of numerical control machining combining virtual and real is constructed to promote the transformation of engineering training teaching to informatization， intelligence and digitalization. The course takes the whole life cycle of parts processing as the main line， and the progressive functional unit as the practical training module of numerical control processing， to realize the new practical training situation of numerical control processing， which is "the combination of soft and hard， the combination of virtual and real"， "strong autonomy in practical training， high human-machine interaction"， "safe， efficient， economic and environmental protection".

【关键词】数控实训课程;全生命周期;实训模块;软硬融合;虚实结合

【Keywords】numerical control training course; whole life cycle; training module; the combination of soft and hard; the combination of virtual and real

【中图分类号】G434                                        【文献标志码】A                                【文章編号】1673-1069（2019）09-0120-02

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。

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。

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，是零件加工过程中極为重要的过程，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?30×100;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。

【参考文献】

【1】谷艳华，苗广文，杨得军.混合教学模式下虚拟仿真教学的探索与实践[J].实验室技术与管理，2019，36（07）：188-191.