类比式数控车削仿真实验教学探究与实践

王良 车晓毅 李志刚

摘  要：针对数控车削编程指令及指令之间的区别不易被学生掌握的问题，基于数控仿真实验系统，提出了类比式的实验教学方法，即采用具有渐进关系的指令分别对同一个案例进行编程，并进行仿真加工，类比不同程序实现同一案例加工的区别与联系。能帮助学生更好地掌握数控编程指令及用法等理论课程知识，对提高学生的学习积极性和主动性，提升学生工程实践能力具有良好的效果。

关键词：数控车削  编程  仿真  实验教学  类比式

中图分类号：G642.4                          文獻标识码：A                  文章编号：1672-3791（2021）01（a）-0106-05

Research and Practice of Analog Numerical Control Turning Simulation Experiment Teaching

WANG Liang  CHE Xiaoyi  LI Zhigang

（College of Mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China ）

Abstract： Aiming at the problem that the difference between NC turning programming instructions is not easy for students to grasp， based on the NC simulation experiment system， an analog experiment teaching method is proposed. That is， the instructions with the gradual relationship are used to program the same case separately， and the simulation processing is performed， and the difference and connection of the same case processing can be realized by analogy with different programs. It can help students better master the numerical control programming instruction and usage and other theoretical knowledge， which has a good effect on improving students' learning enthusiasm and initiative and improving students' engineering practice ability.

Key Words： Numerical control turning; Programming; Simulation; Experimental teaching; Analog

数控技术是一门理论与实践结合非常紧密的课程，数控技术的本科教学不但要求学生掌握丰厚的数控理论知识，还要求其学会基本的数控操作和编程技能[1]。在实际教学过程中，因为内容繁而杂，往往理论知识与实际操作会产生脱节，学生在课堂上学到的知识无法在实践中得到很好的运用，从而导致学习积极性不高，达不到很好的教学效果[2]。

另外，数控加工程序编制作为数控技术课程的重点内容，而数控加工程序编制的很多教学内容是与实际的机床操作有密切关系的，撇开数控机床的操作与实践，孤立地去讲授数控编程的各类代码，将很难达到理想的教学效果，特别是一些直接与机床上的按键或操作有关的代码，课堂讲授时更是难以使学生理解和记住[3-4]。只有让学生实际操作一下数控机床，学生才会真正掌握和理解所学习的内容。但是学校条件所限，数控设备少、学生多的矛盾突出，对于这一难题，通过数控加工仿真系统就可以得到充分解决[1，5]。

因此，基于数控仿真实验系统，结合案例式教学方法和类比式教学方法，提出类比式实验教学方法应用到数控车削仿真实验教学中，旨在提高学生的积极性和主动性，有利于学生更好地掌握编程指令及用法等理论课程知识，以提升学生工程实践能力。

1  类比式实验教学方法

案例式教学直观具体、生动形象，并且是实际应用实例，所以学生印象深刻，课堂教学气氛活跃，无疑是一种好的互动形式，但是因学生的理论学习不是非常系统和透彻，案例的选择较为关键[6]。而教学实践表明渐进式教学方法能适应学生学习的认知规律，根据学生的接受情况及时地调整教学环节，在教学时遵循渐进学习的原则，从而实现教和学的良性互动，有效地缓解学生对课程学习的畏难情绪，显著增强学生的学习主动性和积极性，进而提高教学效果[7]。

融合案例式和渐进式教学方法特点，提出了类比式实验教学方法，即采用渐进复杂的多个知识点分别对同一案例进行实验并类比分析，框架如图1所示。通过渐进复杂的不同知识点对解决同一案例问题得到不同解决方案，不同知识点之间具有渐进的关系，可以让学生在实验过程中类比分析，提高学习的积极性和主动性，有效掌握相关知识点及其应用情况，同时提升学生解决工程实际问题的能力。

2  类比式数控车削仿真实验教学实践

对于数控编程相关的一些教材[8-10]对数控车削编程指令理论部分知识分为常用基本指令、单一固定循环指令、复合固定循环指令3类来进行讲解，容易使学生对该部分知识掌握不牢。因此，在学生对指令的格式和所需参数的意义等理论知识学习后，采用类比式实验教学方法对理论知识进行补充和实践，具体做法是：首先根据数控技术课程中车削编程教学的特点，确定3类指令里面呈渐进式复杂关系的指令;其次选择合适案例，分别对该案例进行编程，让学生得到不同的数控加工程序;然后完成仿真加工，最后引导学生分析类比，总结在不同指令适合的应用场合。应用情况示意图如图2所示。

2.1 确定呈渐进复杂关系指令

对数控车削编程G功能指令，根据多个常用基本指令组合、单一固定循环指令和复合循环指令的走刀路线相似性和关联性，其渐进复杂关系确定如图3所示（FANUC数控系统）。

2.2 案例的选择

案例选择如图4所示，毛坯棒料直径为125 mm，长度为200 mm，图中直径120 mm的外圆在轴向长度要求是20 mm，编程原点为图4中所示，要求完成零件轮廓数控加工程序的编制。

2.3 程序编制

数控加工工艺设计时主要是首先平右端面，然后进行先粗后精的工艺安排，主要参数如表1所示。

通过指令的格式和所需参数的意义学习后，对图4所示数控车削加工案例分别使用常用基本指令G00、G01，内、外径车削循环指令G90，复合固定循环指令G71、G70进行程序编制，编制程序如图5、图6、图7所示。

在用G71、G70进行编程时，G71粗加工完成后，进行精加工之前需要换刀时，对于移动到换刀点和执行换刀动作的指令，是在N130行程序與G70指令之间执行，而非安排在粗加工程序G71指令与N70行程序之间。

2.4 仿真加工

数控仿真实验系统可以模拟数控机床操作的全过程，可以模拟真实数控机床的操作面板和屏幕显示，在操作步骤上，如毛坯定义、工件装夹、对刀操作、机床操作方式等与相应的实际机床完全相同，实现轻松操作[11]。学生可从多个角度观察到数控机床里面的加工过程，使得零件如何从毛坯加工到成品的过程更加直观形象，学生能够更好地理解数控机床加工，操作者也可先直观地看到自己的加工工艺和加工方法是否存在问题，再在数控机床上加工，如此能大大降低出错几率。利用数控仿真实验系统辅助教学，使学生掌握数控理论的同时提升学习兴趣，使得课堂教学变得更加生动，教学效果明显[12-13]。

采用数控仿真加工系统进行仿真实验，通过演示操作过程：毛坯设置—刀具设置—对刀—程序导入系统—仿真加工—结束，在整个仿真加工演示过程中，对学生来说也是对数控仿真加工操作及数控加工过程的熟悉，同时也对数控机床的结构、数控刀具、工件坐标系、机床坐标系等多个知识点的深入理解和掌握，前述程序仿真加工后的结果以及走刀路线如图8所示。

2.5 类比分析

（1）指令格式逐渐复杂。

指令格式由简单逐渐变得复杂，指令后需要的相应参数增多，指令格式对比如图9所示。

（2）整体程序逐渐简短。

在前述的程序中，标记①和②处的框内程序走刀路线一致，但是①处的程序为3行，②处的程序为1行，减少了2行;标记③和④处的框内程序走刀路线一致，但是③处的程序为10行，④处的程序为2行，减少了8行。程序O0001～O0003整体行数逐渐减少，程序变得简短，且几何处理变得简单。

（3）总结。

通过以上类比分析可以看出，针对该零件加工采用复合固定循环指令G71和G70配合使用，会比采用常用基本指令G00和G001、单一固定循环指令G90编写的程序精简。但是这并不是说所有情况都是这样，该文这样的举例只是突出指令之间的差别且助于学生掌握指令及编程。在实际生产实践中，要针对不同的加工特征和零件特点合理选择编程指令，优化数控加工程序，保证加工精度的前提下提高加工效率。

3  结语

结合案例式教学方法和渐进式教学方法，提出的类比式实验教学方法，并将其应用到数控车削仿真实验教学实践中，利用常用基本指令、单一固定循环指令、复合固定循环指令中，具有渐进复杂关系的不同指令分别对同一案例完成编程及仿真加工，引导学生对程序及加工过程类比分析。通过教学实践，该方法对帮助学生更好地掌握编程指令及用法，提高学生的学习积极性和主动性，提升学生工程实践能力具有良好的效果。

参考文献

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