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数控加工仿真系统软件在数控教学和鉴定中的应用研究
摘要：本文从探索数控加工仿真系统软件的在数控教学与鉴定中应用研究的角度，阐述了数控加工仿真系统软件在教学和鉴定中的应用方法，并针对在数控教学应用中存在的问题提出了应对措施，体现了数控教学中的一种新的现代教育理念、教学方法和教学模式。
关键词：数控教学 数控加工仿真软件 鉴定 应用
全球知识经济的发展，使机械工程成为一个跨越机械、电子、计算机、信息、控制、管理以及经济等多学科的综合技术应用学科，数控加工应用技术专业应运而生，这对传统意义上的机械加工专业教育提出了新的更高的要求。株洲技术学院抓住机遇，锐意改革，积极探索数控加工专业技术人才的培养新模式，着力培养中级、高级各层次的宽厚型、复合型、开放型和技能型的数控加工应用技术人才，为国家经济建设输送一大批应用型技能型人才。
我院自2000年起，开始培养数控加工专业的学生，率先革新专业学科教学内容，积极进行数控加工技术教学模式的改革及数控加工仿真系统在数控教学与鉴定中的应用研究，取得了良好的教学和鉴定效果，受到了学生、家长及社会的欢迎，使数控专业成为我院的拳头专业之一，数控专业的学生占我院三千学生总人数的三分之一，用以满足数控加工人才的培养的社会之急需。
一．问题的提出：
随着科学技术的发展，数控加工技术正在得到广泛的应用。数控人才成为劳动力市埸急需的人才，如何尽快地培养出满足市场需要、掌握数控机床编程知识和操作技术的数控技能型人才成为数控教学工作者必须研究的问题。作为数控编程与操作的专业教师,深感如何将数控编程教学与数控机床操作实践有机地结合起来是值得我们认真探讨与研究的。
由于数控机床是一种新型工艺装备，故数控技术工人的培养和数控机床的教学还处在刚刚起步的状态，如何利用数控加工仿真系统进行教学和鉴定更是处在探索阶段，因此有必要对数控教学模式、教学手段和教学方法的完善进行有益的探索，创新数控专业的职业技能鉴定的工作方法，建立一套完整的数控教学与鉴定新体系。
数控机床属于高科技产品，品种多价格高，一台数控车床或数控铣床一般需二三十万，一台数控加工中心也是少则几十万多则几百万。数控机床的操作训练若完全依赖数控机床进行实作训练，投入大消耗多成本高，即使是实力雄厚的培训院校和企业既无必要也无力承担起此种消耗与投入。因此探索一种新的数控加工技术教学模式来达到投入少、见效快、培养的学生适应性强、企业欢迎的教学模式势在必然，这种教学模式应当既区别于传统的机械加工培养模式又与一般的机电专业有不同。运用数控加工仿真系统教学是解决这一问题的重要途径。它既能解决学生实习时不熟悉数控系统操作及控制面板的问题，又可以大大提高学生的学习兴趣，还能提高学生的编程能力及对不同数控系统不同数控机床的适应能力，是一种有效地进行数控实习的前期教学的一种良好尝试，也是进行数控机床专业职业技能考核的一种有效的手段。
二．数控加工技术教学模式的确定：
职业技术教育的数控加工技术应用专业的职业培训是使学生获得数控技术应用专业职业技能，获得利用这种专业技能生存与发展所需要的保障，即学到一种先进的为社会所急需的谋生的技能。为此，我们对数控加工应用技术专业的教学模式进行了积极的探索与研究，旨在建立一整套适应教学和鉴定的合理完善的数控机床专业的培训及鉴定的体系。我们的指导思想和目标是：
1.全面改革数控加工技术教学模式，实现两个转变，即将理论教学为主向理论教学与技能训练并重的转变，将技能训练的纯操作与纯消耗向运用数控仿真系统检验编程效果结合数控机床进行训练的转变；
2.改变原有的授课内容和方法，将传统的机加工工专业的教学内容加以整合，充实数控加工技术相关的必不可少的教学内容，辅以一系列计算机辅助的多媒体教学手段；同时全面改革数控编程与操作课程的教学内容与方法，变传统教学方法为现代教学方法、变空对空编程为培养综合编程能力即时检验编程效果的方法；
3.摈弃演示性编程，建立包括常规编程、综合性编程、设计性编程、实用性编程在内的编程体系，提高学生的动手动脑能力，为塑造具有实用性、创造性精神的中、高级数控编程与操作技能型人才打下扎实的基础。
4、拓宽学生的就业能力，使他们能很快适应不同企业不同数控系统的数控机床的操作或编程，有较强的工艺和现场问题的处理能力，有较强的计算机设计与制造应用能力。
我们的具体做法是：
（一）、正确确定数控加工应用技术的专业位置：
1、数控加工应用技术专业领域职业岗位的定位：
数控加工应用技术专业领域一般主要有以下职业岗位：普通机床及数控机床操作人员、数控编程工艺人员、数控设备维修人员、数控设备营销人员、模具设计与制造人员。
根据数控人才市场需求的调研情况，结合中技及中职、高技及高职教育的特点与定位，本专业主要定位为：培养岗位适应性较强的、紧缺性较大的、具有一定加工工艺知识和数控加工操作、编程技能兼有普通机床操作技能、CAD绘图技能的 “技术技能型”人才。
修业年限与层次：初中毕业三年（中职、中技）、初中毕业五年（高职、高技）、高中毕业三年（高职、高技）。
培养目标：本专业领域方向面向制造业，培养德、智、体、美全面发展，具有与本专业领域方向相适应的文化水平与素质、良好的职业道德和创新精神，掌握本专业领域方向的技术知识，具备相应实践技能以及较强的实际工作能力，掌握数控机床的工作原理和结构知识，掌握主要数控系统的特点、具有一定数控加工工艺知识，具备普通机床操作、数控机床的操作、手工编程、自动编程、CAD绘图能力。能够获得国家数控车工、或数控铣工中级即四级（高技为高级即三级）CAD中级（或高级）职业资格证书。
职业面向：主要就业岗位为：数控加工工艺与数控加工程序编制；数控机床的操作
其它就业岗位：普通机床的操作、CAD绘图员、CAD/CAM软件应用；数控系统或设备的销售与技术服务工作；车间生产组织与管理工作。
2、数控加工应用技术教学模式的确定：数控加工应用技术教学模式应当是既与传统的机加工专业有所相同，又与其有所区别新型教学模式。在教学模式的运用时我们综合参考了德国的教育模式。德国没有CNC技术应用这个专业，他们统称为金属切削技术工。CNC技术需要相应的理论知识和金属加工的实训经验与技能作为基础。因此学生在学习CNC技术之前除完成专业制图、专业数学、机制工艺、金属工艺学等课程的学习之外，还要完成大量的钳工、车工、铣工等机加工实习。
因此，我们考虑该专业知识体系与传统机加工专业相同之处是基础课、专业基础课及专业课，不同之处在于专业课中增加数控加工工艺学、数控机床、数控编程与操作、CAD、MASTERCAM（或其它CAM）等相关课程；在进行数控编程与操作课程的理论和技能训练教学过程中应用数控加工仿真系统进行辅助教学。理论学习与技能训练理论学习课时比是1：1。技能操作训练分成三大模块：普通机床操作模块、数控机床操作模块及综合实训模块。技能操作训练中，普通机床操作模块、数控机床操作模块及综合实训模块的训练时间之比为3：2：1。由于学生将分配至不同的工厂，将来使用的数控系统也不同，为了尽可能在有限的时间内教会学生各种数控系统，我们不仅教会学生一般性的数控编程的理论知识，训练学生进行数控编程而且在数控加工仿真系统上对应用较多的FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、华中数控系统、广州数控系统等进行模拟加工，而后再按要求在CNC机床上验证程序的正确性与合理性，熟悉数控加工机床的加工技巧与加工中问题的处理及加工方法的应用，以求加工出符合图纸要求的高质量的零件。
三．数控加工仿真系统在教学中的应用：
（一）数控加工仿真系统的选用：
数控加工仿真系统的软件形式很多，有的是数控机床本身自带的仿真系统，但这种数控机床的仿真系统在教学中局限性较大，不适于教师教学和学生训练；还有的是一些先构图而后自动编程仿真软件，也不适应手工编程教学的要求；其它如德国的DIANOGOR软件虽可对所编的程序进行检验但操作较为麻烦，且所能适应的数控系统和数控机床不多，不能对学生进行对刀训练和操作面板的应用训练。国内还有其它几种数控加工仿真软件，但都有一些不尽人意之处。几经比较，最终我们选择了上海宇龙公司数控加工仿真系统的教学软件。该软件是源自美国的基于虚拟现实的仿真软件，是一种富有价值的教学辅助工具，它可以实现对数控铣床、数控加工中心和数控车床加工零件全过程的仿真，其中包括毛坯定义、夹具刀具定义与选用，零件基准测量和设置，数控程序输入、编辑和调试，拥有FANUC数控系统、SIEMENS数控系统、华中数控系统、广州数控系统等多种数控系统，具有多系统、多机床、多零件的加工仿真模拟功能，该软件具有独创性，达到了国际、国内领先水平。
（二）数控加工仿真系统的应用方法：
如何运用这套软件进行教学呢，我们在教学中主要从以下几个方面进行探索与实践。
1．灵活应用教学方法，课堂教学中变学生被动学习为主动学习
现在，由于大部分学习基础好的学生选择上大学，职业技术院校教师教学很困难 ，传统的教学方式已很难使学生接受，因此，利用先进的教学方法、教学手段来提高学生的学习兴趣显得尤为重要。数控专业教师应有较高的教学水平和教学能力，有较强的数控职业能力即数控编程能力、工艺处理能力、实际动手能力、自动编程能力，能较为娴熟地运用行动导向的教学方法，在课堂教学真正体现学生为主体 ，突出显示学生动手动脑的活动，变学生被动学习为主动学习。在教学过程中，教师起引导作用，即对学生活动中遇到困难或无法下手的问题进行引导、讲解。课堂教学中每节课的知识点尽可能集中，深入浅出，便于学生掌握编程方法与技巧。
2、恰当运用数控加工仿真系统，充分发挥其课堂教学中的作用
数控加工仿真系统主要应用于数控编程与操作这一理论教学课程，还可作为数控操作技能训练的辅助工具。教师应十分重视数控加工仿真系统的在教学中的应用方法，摆正数控加工仿真系统在教学中的位置，既不能完全依赖数控加工仿真系统放弃教师在教学中的引导作用，也不能在教学中教师唱独角戏采用常规的教学模式而忽视数控加工仿真系统的应用，应该科学地、充分地发挥数控加工仿真系统在教学中的作用。
数控编程与操作是理论、实践性均很强的课程，它应该是在已完成其它专业基础理论教学、专业教学（包括普通机床的加工工艺数控机床的加工工艺等）以及完成了约30周普通机床技能训练的基础上进行的，教学中应妥善安排该课程课堂教学与上机仿真教学的课时比例，一般为1：1，总学时约为160-240学时左右（可根据学生层次适当调整课时）。教师在数控编程与操作的课堂教学中应重点解决编程方法并进一步强调在编程中工艺问题的处理，学生上机则利用数控加工仿真系统解决程序校验以及不同系统不同机床的操作问题，每次上机学生都有明确的课题，在上机前教师应利用数控加工仿真系统的示教模式或利用教学投影仪进行操作演示，并在学生上机中进行巡回指导，学生在计算机上应用数控加工仿真软件进行编程与操作，既可使学生更快更好地掌握数控专业技能，又培养了学生自学能力、解决实际问题的能力、创造力、独立工作能力和团队协作的能力。
3、科学安排教学内容，循序渐近掌握数控编程与操作技巧
在教学过程中教学内容的安排分为三个模块。其一为基础模块，主要讲解与训练最常用的FANUC数控系统中的数控车床、数控铣床、数控加工中心的编程方法、操作及应用，这一模块是教学重点，必须使学生熟练掌握，灵活应用：其二为提高模块，主要讲解与训练SIEMENS数控系统的三种机床的编程与操作，以帮助学生进一步加强不同在数控系统下对不同数控机床的编程方法的理解与应用能力：模块三为拓展模块，主要讲解国产数控数控系统中的华中数控系统和广州数控系统中的数控车床的编程与操作方法，扩大学生的知识面，提高学生对不同操作系统、不同操作面板的编程与操作能力。这三个模块的教学可根据学生不同层次进行安排，中专中技层次难度较低，高技大专层次难度稍大，三个模块课时较多。这样，学生在从业时能够信心十足的面对所操作的数控机床，较快适应所从事的工作。
4、正确进行教学评价，提高学生的学习意识和自觉性
教学时所进行的教学评价包括学生的自我评价、学生相互之间的评价和教师评价。上机应用数控加工仿真系统进行数控编程与操作练习时以教师评价为主，对每次的练习成绩及时登记。评价方法包括口头评价和试题测评，而试题测评方法包括课题测评及期末测评。教师对学生进行口头评价时应注意方式和语言的选择，对做得不好的学生不采用直接批评的方法，只是指出该学生哪些地方做得好，哪些不太好，应如何改进；对于比较差的学生称为“比较弱一点的学生”。 课堂测试应有较强的目的性，不是难为学生，而是通过对学生进行测试，来提高学生的学习意识、学习热情，学习的自觉性和自信心，因此，测试题应与课堂教学、上机应用数控加工仿真系统的练习要求相适应。考前的复习应有较强的的目的性，不应超出范围，课程的总评成绩不过分注重一次期末考试结果，而是更多地、客观地关注学生在整个学习过程中的学习效果。教师在教学中有明确的教学目的，逐个系统、逐种机床进行讲解及安排练习，因人施教，因材施教，恰到好处。
四、数控加工仿真系统在职业技能鉴定中的应用：
?我学院对学生实行两种考核方式：一是作为课程教学和专业技能培训的教学计划内考核，成绩合格者相应层次的毕业证：二是要求所有毕业学生均参加由我院职业技能鉴定站组织、省市职业技能鉴定中心督查指导认定的国家职业资格三、四级（原中、高级）技能鉴定。我院职业技能鉴定站每年承担了较为繁重的职业技能鉴定任务，包括本学院上千名毕业生和社会上近千名需鉴定的高级操作工、技师及高级技师，其中数控车工、数控铣工及数控加工中心操作工每年约需鉴定几百人，鉴定规模较大、鉴定人数多。如何使鉴定质量既达到国家职业技能鉴定标准、保证鉴定质量、获得社会的承认，使鉴定通过者知识结构满足企业的用人要求，又降低鉴定成本和鉴定难度，对此我们也作了一些有效的尝试。
数控操作工按国家职业技能鉴定标准分成两大内容：理论考核和技能考核。其中技能考核分成五个模块：即数控机床操作（利用手工编程加工实际零件）、工艺编制、CAD计算机绘图、数控机床现场排故分析与讲解、CAM自动编程模块。数控机床三、四级操作工技能考核仅考核其中第一模块即手工编程加工零件的数控机床操作模块。如果按常规考核将技能操作考核模块全部安排在数控机床上进行，一般需占用数控机床4-6小时。我们采用数控加工仿真系统软件辅助考试，考生拿到所考核的零件图纸后，先在数控加工仿真系统的数控车（或铣）床上手工编程，检验合格后将程序通过数据传输送入数控机床进行加工，这样减少了在机床上手工编程、输入程序、校验程序、仿真加工的时间，占用数控机床仅约2小时左右，使占机时间至少缩短50%，鉴定效率大为提高，同时也大大提高了鉴定时的安全性。为了减少刀具和材料的消耗、进一步缩短上数控机床操作时间，也可将操作题目分成两个零件，将难度大的零件用手工编程在数控加工仿真系统上模拟加工即可，而将难度较小、用材较少的零件模拟仿真后再在数控机床上加工。
五、数控加工仿真系统的应用效果存在的问题及解决的方法
(一) 数控加工仿真系统的应用效果
1、理论教学应用数控加工仿真系统可以极大地提高学生的学习兴趣
在引入数控加工仿真系统应用软件之前，数控编程与操作课程与其他课程教学模式相同，主要是课堂教学，学生对自己所编的程序正确与否是通过教师批改作业来知晓的。这种方法教师检查程序需逐个程序段进行查阅，内容多而十分麻烦，一些在数控机床上常常无法通过的书写错误也不易查出，而这些问题的解决在实际数控编程中是十分重要的。至于数控操作问题，在黑板上讲各按键的作用、名称与使用更是一件费力不讨好的事，习者枯燥，教者乏味。引入数控加工仿真系统进行教学以后，学生所编程序可以直接在计算机数控加工仿真系统的模拟加工演示，对程序编写和书写的错误能直接看出，机床操作面板的使用与零件的加工过程也和实际加工情况十分相似，学生可以从任意角度观察数控机床加工过程，毛坯加工为成品的过程历历在目，直观形象，便于学习与掌握，编程与操作的作业可以直接在计算机上检查，每次有检查，次次有结果，使学生对这门课程有了浓厚的学习兴趣，常常是刚上完这一堂课又急切地盼望着下一堂课的到来，甚至提出增加课时，学生的学习主动性与积极性大为提高。
2、技能训练与鉴定应用数控加工仿真系统可以降低训练成本提高训练效率和安全性
数控机床是一种较为昂贵的机电一体化的新型设备，如果初学时就让学生直接在数控机床上操作，可能出现撞坏车刀、损坏工件与机床、浪费材料等现象，甚至因操作失误对学生造成人身危害。引入数控加工仿真系统进行技能操作与鉴定，可以大大降低训练与鉴定的消耗，约50个机位的计算机包括50个结点的正版数控加工仿真软件，所需费用相当于一台三十万元的数控机床，却能解决50-150个学生的初阶段的技能训练问题，学生可以轻松对实习过程进行初始化，对未能完成的实习实行状态存贮，对已完成的实习课题进行调入回顾，而后再进行几次实际操作就能达到事半功倍的效果，大大提高了实习效率降低了实习成本；鉴定中应用数控加工仿真系统可以减少考生占用数控机床的时间约50%,考生可以将编程与程序校验时间放在计算机上完成，然后通过数据传输将所编程序输入数控机床，对零件进行加工，安全性和鉴定效率均大为提高。
(二)数控加工仿真系统在应用中存在的负面效应及应对的方法
数控加工仿真系统是一种模拟教学应用软件，它不能也不可能全盘代替教学，尤其是技能训练。如果教师一味地依赖数控加工仿真系统而将学生放任自流，必将会引起一些负面效应，为了将这些负面效应的影响减少到最低程度，我们应拿出切实可行的应对的方法。
首先，数控加工仿真系统只是加工过程的模拟并非真实加工过程，它无法代替学生在真实切削加工的实际感受，尤其是切削用量的选择，它无法进行控制，只能对切削深度过大时加以限制。因此，学生在应用数控加工仿真系统进行编程与操作训练时，往往容易忽视切削用量的选择、数控刀具的选用、零件的装夹方法，而这些程序一旦应用在实际中便可能出现打刀或影响实际零件的加工质量、降低生产效率等问题；对此教师应引起足够的重视。可以通过在应用数控加工仿真系统对学生进行初期训练前，学生已进行30周机床加工，学生已学会刃磨车刀，熟悉机床加工的各种方法及切削用量的选择技巧，已建立了较为扎实的机械加工的感性认识，加之后阶段的实际数控机床的操作训练、综合课题的训练，以及毕业前的到对口企业的数控机床实习来解决，方可弥补应用数控加工仿真系统进行教学的这一缺陷。
其次，我国的数控加工仿真系统软件的设计与应用尚处在刚刚起步的阶段，与国外一些较为成熟的职业技术教育数控加工仿真系统软件相比还有一些差距，仍有不少亟待完善之处，有些指令无法执行，使学生对编程理论产生疑惑而无所适从，这就对它的使用范围有所限制，任课教师应该熟悉这一差别，及时加以说明，并积极与数控加工仿真系统软件设计方进行联系以便及时予以改进。
其三，在利用数控加工仿真系统软件进行技能训练时容易使学生对计算机产生依赖心理，沉迷于仿真加工，而疏于上数控机床操作。个别学生甚至趁老师不注意上网或玩电游。这就要求数控实训教师提高管理能力和教学水平，合理分组科学安排应用数控加工仿真系统软件进行技能训练的时间，仿真训练与操作训练在后阶段应穿插进行，科学管理就可将这一负面效应减少到最低程度。
总之，数控加工仿真软件在教学和鉴定中的应用尚在起步与研究探索阶段，只要积极思考在应用中产生的问题，主动采取应对措施，我们正确发挥其在教学和鉴定中的作用，就一定能收到事半功倍的效果。
Study on the software of numerical control maching imitating truth system in the use of teaching and survey
Zhang Lu-Qing
The article , on the aspect of questing study on the software of numerical control maching imitating truth system in the use of teaching and survey , explicates
the using method on the software of numerical control maching imitating truth system in the use of teaching and survey , advances the means according to the questions in the numetical control teaching , and embodies a new modern thought of education, teaching way and mode .
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