魏勝

“數(shù)控原理與編程”課程教學(xué)內(nèi)容改革與模式探索

魏勝

“數(shù)控原理與編程”是數(shù)控技術(shù)專業(yè)的核心課程，是涉及多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性課程。通過分析該課程專業(yè)特性以及當前該課程教學(xué)中存在的不足，提出基于工作原理的數(shù)控編程教學(xué)方法，探討原理與編程相結(jié)合的教學(xué)手段，以提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

高職；“數(shù)控原理與編程”課程；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)模式；工作原理

為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展并為制造業(yè)輸送合格的數(shù)控技術(shù)人才，國內(nèi)眾多職業(yè)技術(shù)院校以及應(yīng)用型本科院校都開設(shè)了數(shù)控技術(shù)專業(yè)。在專業(yè)建設(shè)過程中，各高校大力推行工學(xué)結(jié)合的模式，突出實踐動手能力的培養(yǎng)，強調(diào)理實一體化的教學(xué)方法。［1-2］現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)是一門涉及集機械制造、自動控制、傳感檢測、信息技術(shù)和光電等技術(shù)等多學(xué)科交叉型的綜合性技術(shù)，［3］受教學(xué)條件以及教師教育背景的限制，各高校在課程建設(shè)、教學(xué)計劃以及人才培養(yǎng)目標上都不盡相同，而“數(shù)控原理與編程”作為數(shù)控技術(shù)專業(yè)的一門主干課程，其理論性和實踐性都非常強，因此，該課程的教學(xué)方法和課程建設(shè)方案值得探索和研究。［4］本文結(jié)合筆者所在學(xué)校現(xiàn)有的教學(xué)條件、培養(yǎng)目標及實際教學(xué)經(jīng)驗和體會，探討“數(shù)控原理與編程”課程的教學(xué)內(nèi)容和方法。

一、課程特性分析

（一）教學(xué)目標及內(nèi)容

“數(shù)控原理與編程”課程是高職數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)、機械CAD/CAM專業(yè)、機電一體化技術(shù)專業(yè)等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)目標和課程的任務(wù)是為了讓學(xué)生全面系統(tǒng)的掌握數(shù)控機床的基本組成與基本原理，熟練掌握數(shù)控機床的手工編程與基本操作，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程和畢業(yè)后從事專業(yè)工作打下堅實的基礎(chǔ)。其前導(dǎo)課程包括機械設(shè)計基礎(chǔ)、電工學(xué)、數(shù)控機床電器控制與PLC等，后續(xù)課程包括數(shù)控機床操作實訓(xùn)及數(shù)控設(shè)備故障診斷與維修等。

根據(jù)教學(xué)目標的設(shè)定和規(guī)劃，本課程采用模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容，將課程的主要知識點分為5個單元，包括數(shù)控系統(tǒng)原理、數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)、加工工藝和G代碼編程、數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)原理和數(shù)控機床的基本操作。通過對該課程的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生能夠既能掌握數(shù)控機床的基本操作方法，也能看懂圖紙并進行編程加工，為適應(yīng)數(shù)控技術(shù)專業(yè)崗位群的工作奠定基礎(chǔ)。

（二）教學(xué)手段和教學(xué)方法

當前的“數(shù)控原理與編程”課程教學(xué)過程中，通常是介紹數(shù)控系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，然后介紹編程代碼的意義，最后以多個實例來講解編程的一般方法和過程。而對于數(shù)控系統(tǒng)對零件加工程序的處理過程一般都是進行簡要的介紹，數(shù)控加工的過程是由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)零件加工程序來控制數(shù)控機床自動完成的，每一個加工的程序段都是按照程序輸入、譯碼、刀具補償、插補運算、位置和速度控制這樣的順序來完成。學(xué)生對程序處理過程只停留在概念上的認識，并不清楚細節(jié)上的工作原理，對后期課程如數(shù)控系統(tǒng)的裝調(diào)以及故障診斷與維修等脫節(jié)嚴重，不利于系統(tǒng)有序的學(xué)習(xí)過程。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方法是以書本知識為主，結(jié)合加工工藝來講解數(shù)控編程，強調(diào)建立刀補的過程和進刀方式，注重主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度等切削用量的選擇和意義。對于初學(xué)者來說，這種教學(xué)模式存在以下三點不足。

1.初學(xué)者對數(shù)控加工的實際情況了解不多，缺乏實習(xí)和實踐經(jīng)驗，只能根據(jù)教材上圖例來想象加工過程，比較抽象并較為枯燥，尤其對切削用量的選擇對加工質(zhì)量的影響效果更是模糊不清，使得理論教學(xué)與實踐脫節(jié)，從而導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

2.僅依靠課堂教學(xué)會導(dǎo)致學(xué)生對編程的順序、語法結(jié)構(gòu)等理解不夠透徹，以至于較難發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤。而零件編程是一項十分嚴謹、細致的工作，任何細節(jié)上的錯誤都會導(dǎo)致零件加工不合格，甚至發(fā)生撞刀等惡性情況。若授課過程中能結(jié)合仿真軟件或編程器等設(shè)備，對程序進行校驗或圖形模擬，再分析程序中可能出現(xiàn)的錯誤，就能使得學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)內(nèi)容，提高編程水平。

3.對于加工過程中數(shù)控系統(tǒng)是如何控制機床運行這一方面也沒有加以說明，在教學(xué)上，并未讓原理與編程兩部分結(jié)合起來，未能實現(xiàn)課本內(nèi)容的有序銜接，缺乏模塊的系統(tǒng)性與聯(lián)系性，造成學(xué)生知識分割，從而影響教學(xué)效果和質(zhì)量。

二、課程改革思路

為了讓學(xué)生進一步了解“數(shù)控原理與編程”對后續(xù)課程的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和分析解決問題的能力，有效提高學(xué)生的理論水平與實踐操作能力，推動學(xué)生綜合素質(zhì)的提高，筆者在調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對教學(xué)方法進行改革與探索。

（一）利用現(xiàn)有設(shè)備，加強實驗教學(xué)

當前的課堂教學(xué)大多利用計算機的多媒體功能。多媒體技術(shù)具有圖文并茂的特點，能將抽象枯燥的學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為生動形象的動態(tài)圖像，如將零件加工的過程以動畫的形式展現(xiàn)出來，可增加學(xué)生的感性認識，同時，有助于調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)習(xí)效果。這對任課老師的課件制作水平提出了更高的要求，需要結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，花費更多的精力和時間才能制作出生動形象的多媒體課件。目前國內(nèi)高職院校的數(shù)控技術(shù)專業(yè)處于蓬勃發(fā)展階段，在教育部的支持和各高校教師的努力下，很多高職院校都完成了數(shù)控技術(shù)專業(yè)各相關(guān)課程的精品課程建設(shè)。另外，在國家示范性專業(yè)建設(shè)和數(shù)控技術(shù)專業(yè)核心課程的國家資源庫建設(shè)項目上，各高職院校專業(yè)教師齊心協(xié)力，共同制作了許多優(yōu)秀的教學(xué)課件、題庫以及教學(xué)案例，凝聚了專業(yè)教師多年的教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)成果。這些資源和課件都有助于課堂教學(xué)的優(yōu)化和提升。

“數(shù)控原理與編程”是一門實踐性較強的課程，多媒體課件對學(xué)習(xí)效果有一定程度的幫助和改善，但實踐教學(xué)的過程必不可少。因此，該課程的教學(xué)計劃中應(yīng)適當添加實踐教學(xué)內(nèi)容，注意理論與實踐教學(xué)在內(nèi)容和時間分配上的合理性。同時，要將理論教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備有機的結(jié)合起來，通過對機床設(shè)備的實際操作，使得學(xué)生能夠更好地理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。

當前的主流數(shù)控系統(tǒng)如FANUC、SIMENS等品牌，都具有加工程序圖形模擬功能，較高端的系列更是具有三維圖形加工模擬功能。而且，在進行圖形模擬時系統(tǒng)會自動檢測編程代碼的語法錯誤、由于刀補而導(dǎo)致的過切等問題，不僅有助于提高編程水平，而且還需要學(xué)生在編程過程中要有嚴謹?shù)膽B(tài)度，注重細節(jié)上的問題，因為任何一點微小的錯誤都有可能導(dǎo)致嚴重的錯誤，如撞刀、過切等現(xiàn)象。另外，在進行程序模擬的過程中，需要熟悉機床的基本操作，如工作模式的選擇、返回參考點的過程、程序的編輯方法等。這些學(xué)習(xí)過程都可提高學(xué)生的動手能力，對所學(xué)的知識有更直觀的認識和理解，加強理論知識向?qū)嶋H動手能力的轉(zhuǎn)化，從而也為后續(xù)的加工實訓(xùn)打下堅實的基礎(chǔ)。

（二）原理與編程相結(jié)合，提升教學(xué)效果

在編程理論教學(xué)過程中，通常都會講述加工工藝來引導(dǎo)學(xué)生編寫加工程序，要求學(xué)生能對復(fù)雜零件進行工藝分析，并對數(shù)控加工程序進行多方案比較，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和編程技能。但由于加工工藝對加工效果的影響很多時候體現(xiàn)在加工精度和表面粗糙度上，而學(xué)生還沒有進入實習(xí)車間進行操作實訓(xùn)和切削加工，對加工工藝的理解很抽象也很困難，從而影響教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

在數(shù)控原理的教學(xué)過程中，需講授數(shù)控系統(tǒng)的基本原理及其在機床控制中的實現(xiàn)過程、數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)組成等，而在后續(xù)的編程教學(xué)中，通常側(cè)重于在工藝的基礎(chǔ)上編寫加工程序，與前述數(shù)控原理的教學(xué)內(nèi)容脫節(jié)嚴重，并未將二者有機地結(jié)合起來。因此，在編程教學(xué)過程中可將二者結(jié)合起來，即在教學(xué)過程講述各程序段的工作原理，包括運動軌跡的實現(xiàn)原理，強調(diào)數(shù)控系統(tǒng)與機床運動的實現(xiàn)過程，并對影響程序運行的相關(guān)因素進行闡述。這既有利于加強對前述課程的理解，也能有效拓寬學(xué)生對數(shù)控技術(shù)的認識，提高學(xué)習(xí)的興趣和效率。另外，在編程調(diào)試過程中，還可在數(shù)控原理認知的基礎(chǔ)上，通過對進給運動狀態(tài)的分析和檢測，對程序語法錯誤、操作模式選擇錯誤等問題做出正確的判斷，甚至也能明確影響機床運動的參數(shù)設(shè)置問題，使得學(xué)生在應(yīng)用數(shù)控機床時具有一定的處理簡單報警和簡單維修的能力，為后續(xù)的數(shù)控機床調(diào)試及維修課程奠定基礎(chǔ)。

三、教學(xué)應(yīng)用實例

本文以FANUC-0iD系統(tǒng)為例，根據(jù)原理與編程相結(jié)合的課程改革思路，對常見的編程代碼做出教學(xué)設(shè)計，從系統(tǒng)構(gòu)成、電氣原理、PMC程序、參數(shù)設(shè)置幾個方面展開討論，探討加工程序運行時數(shù)控系統(tǒng)的控制原理及實現(xiàn)過程，從而更加深入地理清原理與編程之間的關(guān)系。

（一）主軸運行

數(shù)控機床的主軸包括串行主軸和模擬主軸兩種類型，而運行方式分為手動和自動兩種模式，其基本連接及運動原理如圖1所示。

參照圖1所示，對主軸運行的原理及過程可按如下順序進行講解。

1.編程時主軸運動的代碼為M03 S1500，其中M03表示主軸正轉(zhuǎn)，S1500表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/ min，可根據(jù)需要調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速。

2.為保證伺服主軸運行，數(shù)控系統(tǒng)的NC模塊通過JA41A接口與主軸放大器的JA7B接口相連，用于數(shù)據(jù)通訊，而主軸放大器的JYA2接口與伺服主軸的內(nèi)置編碼器相連，用于數(shù)據(jù)反饋。

3.為保證串行主軸運行，數(shù)控系統(tǒng)的NC模塊通過JD51A接口與I/O單元的JD1B相連，JA40A接口與變頻器相連，而變頻器與模擬主軸相連。

4.在主軸運行過程中，M03功能需要經(jīng)過PMC程序的譯碼輸出G70.4（G70.5對應(yīng)M04表示主軸反轉(zhuǎn)）信號給NC模塊，此時NC模塊開始驅(qū)動主軸運轉(zhuǎn)。

5.主軸手動運行過程中，控制面板上的按鈕與I/O單元相連，通過PMC程序的處理實現(xiàn)主軸運轉(zhuǎn)。

6.串行主軸的速度指令是由NC模塊以數(shù)字形式發(fā)送給主軸放大器，模擬主軸的速度指令是NC以-10～+10V的模擬量輸送給變頻器等控制裝置。

7.主軸的配置與參數(shù)3716、8133有關(guān)，運行速度與參數(shù)3772等參數(shù)有關(guān)，S代碼的允許位數(shù)由參數(shù)3031確定，主軸運行過程中可利用系統(tǒng)信號診斷畫面監(jiān)測輸出信號以及運轉(zhuǎn)速度等。

圖1　主軸運行原理

（二）進給軸自動運行

進給軸自動運行是指編程代碼中含有G01或G02時X、Y、Z三個軸的聯(lián)動，其基本連接及運動原理如圖2所示。

參照圖2所示，對進給軸的自動運行可按如下順序講解。

1.編程代碼G01 X10.Y20.F500表示X和Y軸進行直線插補運動，進給速度為500mm/min。

2.為保證進給軸自動運行，NC模塊的JA41A接口與伺服放大器的JA7B接口相連，用于數(shù)據(jù)通訊，而伺服放大器與3個進給軸電機分別通過JF1、JF2和JF3接口相連，用于數(shù)據(jù)反饋，進給軸的動力電也由伺服放大器提供。

3.數(shù)控系統(tǒng)NC模塊的JD51A接口與I/O單元的JD1B接口相連，用于數(shù)據(jù)通訊。

4.數(shù)控系統(tǒng)的自動運行工作模式（AUTO、MDI等）按鍵與I/O單元相連，通過PMC程序處理后輸出G43.2、G43.1和G43.0等信號給NC模塊，NC模塊發(fā)出自動運行準備就緒信號，通過伺服放大器驅(qū)動進給軸電機運轉(zhuǎn)。

5.進給速度用F代碼后給定的數(shù)值及倍率信號指定，參數(shù)1 422設(shè)定最大切削進給速度。

圖2　進給自動運行原理

上述案例通過圖文并茂的方式，講解了編程代碼與系統(tǒng)原理之間的關(guān)系，結(jié)合系統(tǒng)連接、PMC程序、參數(shù)設(shè)置等方面，闡述數(shù)控機床的運行原理和實現(xiàn)過程，并且可在課內(nèi)上機實訓(xùn)時，通過觀察系統(tǒng)電氣連接、PMC信號監(jiān)測畫面、參數(shù)設(shè)置畫面等方法來增加感性認識，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)編程的過程中充分理解數(shù)控機床的工作原理，提高學(xué)習(xí)效率。

［1］陳冰.理實一體化教學(xué)在數(shù)控專業(yè)中的實踐與應(yīng)用［J］.職教論壇，2007（6）：16-20.

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［責(zé)任編輯陳國平］

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研重點課題“基于產(chǎn)教融合的工學(xué)結(jié)合教學(xué)效果評價研究”（項目編號：701422J05019）

魏勝，男，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士，主要研究方向為數(shù)控技術(shù)。

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1674-7747（2016）24-0025-04