关键词 数控实践 自由设计 自主加工 CAD/CAM 一体化
Autonomous NC Practice Teaching Model
Based on UG Three-dimensional Design
YU Liang， LI Enpu， ZHAO Chunsheng， DU Zeming， ZHANG Songtao
Key words NC practice; freedom design; autonomous processing; CAD and CAM integration
0 引言
国内，一般机械学科数控教学的CAD/CAE/CAM课程均独立设置，①这种设置使理论教学老师很难系统性地把三者的交互关系讲解清晰和透彻并加以实践应用，造成设计与加工等各模块的孤立。机械学科的实践教学主要集中在工程训练中心进行动手加工操作，却较少涉及到CAD的内容。同时，就针对加工操作而言，也存在各教学模块孤立的问题。主要表现为，按工种展开实践教学，学生按工种对统一图纸进行基本的手工程序编写，最后对该零件加工，完成实践环节。缺乏把各工种融为一体的典型对象。加之各工种加工图样单一、内容与实际工程项目加工脱轨，学生普遍反映出兴趣逐渐减弱、缺乏动力与创造性等一系列问题。并且，手工编程一般也只能编写精加工工序，广大同学难以认识真实切削加工逐步进刀的过程，更难以理解数控加工工艺、工序等一系列整体概念。
高校机械学科数控课程设置及实践教学培养模式均会造成人才培养上的“孤岛”现象，导致广大学生对于数控技术由开始的好奇神秘逐渐变为千篇一律的机械式重复，缺乏动力与创造性。因此，寻找一种密切结合当前数控加工技术的发展方向，②③④把握机械加工的核心思想，把CAD/CAM进行一体化教学，激发学生创造性与创新能力的途径，是解决当前数控技术教育的正确途径，才能实现实践教育创新性、工程化。
本课题以Siemens公司UG软件为依托，研究CAD/CAM一体化技术在数控技术创新人才培养上的一系列教学改革措施，以紧跟数控前沿技术发展、密切结合工程实际、以自主式、工程化为目标，进行了层次式、综合性创新实践教学，多年的教学效果表明该模式有效提高学生学习自主性、实践、综合认知、创新能力，为提高数控实践水平探讨了一种新的教学方法与教学模式。
1 基于UG三维设计的自主式数控加工实践模式
本课题实现了CAD/CAM两个模块进行一体化教学。首先，针对实践学生实习年级较低（大一、大二），开设了数控加工基本原理、工艺概述的内容，接着讲授基本的数控编程，然后进入UG设计教学模块，引导广大学生自主设计三维模型，学生根据个人爱好自由完成零件设计工作，转入UG加工模块学习，对自己设计的零件进行加工刀路仿真模拟，对于不合理，如刀具无法进入、刀具干涉，难以加工部位的检查验证，并自主进行设计修改直到加工无误，从而完成设计与加工的有机结合;最后在机床上进行现场加工验证。教学流程上实现了CAD建模到CAM模拟加工，加工检验返回CAD修改设计，再进行自动生成程序以及最终机床操作、零件检验这一过程。从零件设计，到使用UG自动生成曲面、曲线等复杂程序，再到加工模拟，程序传输，以及最终的自主操作机床加工，全部由学生自主完成。在教学过程中，从课程设置、到具体零件加工，均做到了以工艺流程为主线，引导广大同学认识到加工工艺为机械加工的核心内容这一基本思想;学生从设计到加工均由本人自主完成，实现了设计与加工有益结合，起到鼓励创新设计的作用，亦为进一步CAD/CAE/CAM一体化教学奠定了基础。同时，这种教学模式使用当前大型企业使用的工作方法、生产流程、以及相应软件、硬件设备来进行教学。 1.1 以工艺流程为主线、掌握数控技术核心内容
以工艺流程的内容为主线，把各个工种有机结合起来，工艺的主线作用体现在教学过程的每个环节中。在教学实践基本原理、工艺讲解阶段，先介绍工艺基本知识，然后，通过典型零件示范其工艺过程，最后在这个主线下进行各工种的学习及加工。通过一个典型零件完整加工过程，体现工艺的指导作用。譬如，加工中空刻花模型，通过进行底面、侧面的铣削加工，孔、端面、切断时车削加工，在打标时需要激光打印操作等，各个加工过程细节均体现工艺的主线;再者，利用UG自动编程技术，可使学生建立坐标系、刀具、多把刀工序衔接等一系列操作，更可以利用UG模拟加工中的真实刀路途径、能够把各部分切削余量进行一步步加工，表现了实际加工的全部过程。此外，结合学校特色，制作典型零件加工案例，如：通过多媒体展示叶片三维造型过程及多轴加工中心示范叶片的整个加工制作过程，并通过三坐标检测验证，系统地将零件加工工艺完整地展示给学生。加深学生对工艺为机械加工的核心的认识和把握。
以这种模式避免了原有教学方法造成工种隔离、缺乏对工艺起到核心指导作用认识的不足，学生经过这种方式的训练，在加工时，首先会想到是所设计零件在工艺上是否可行，使设计与加工充分得到统筹考虑。
本课题彻底改变了数控实践按照某一个零件图进行编程加工这一复制性的劳动过程的现状。在本教学模式中，学生以独立自主完成自己设计零件为的加工任务为实践内容，自由选择创新设计题材，自主修改、自主加工。在对UG设计及加工部分的讲解完成后，学生根据毛坯外观，充分发挥自己的想象力和自主空间，独立进行零件图案三维设计并进行程序编制，自主选择刀具、对刀、刀路检验、模拟加工等全部操作，并通过多轴加工中心自主上机操作。学生能够系统性进行自主设计、加工、验证。对广大学生来说，当知道自己设计就是自己最后加工的零件后，学生学习和实习兴趣得到空前提高。一般要求每个学生自己动手做一个零件，但很多同学都设计多个，可见其学习兴趣。
学生在这个环节的学习中，完全自主进行全过程的训练，指导教师只进行错误的指出、给出合理化的建议、每个过程的核查以及现场机床加工过程的监督。
1.3 紧贴工程生产实际，完善软、硬件建设，做到学到就能用到
本科生的培养，重点在于动手实践能力的增长，要面向工程实际应用。国内外人才培养、卓越工程师的培养都明确提出了这点。本教学模式可使广大同学接触到UG软件在实际在工厂如何去使用这一内容。同学们能够学会坐标系、刀具、多把刀工序衔接等一系列操作，更可以利用UG软件进行加工，模拟加工中的真实刀路，表现实际加工的全部过程。使学生充分了解了真实工厂的流水线操作过程。这种教学模式明显加深了同学们对于真实切削加工的理解。
另一方面，在硬件建设上要符合工程实际，体现现代化、先进性。本课题紧密结合时代技术发展，建成有效的网络化数控教学、传输平台，把学生使用的数控机床与计算机进行有机连接，形成加工与检测实时传输、各工种实时传输、计算机与机床实时传输的现代化创新硬件平台。在加工时，机房电脑数据直接传输到实习现场的机床控制面板，进行实时在线加工，使学生方便快捷安全地掌握零件加工动态，也使学生了解到现代化大型企业运行方式;实践现场有多维高清晰度显示屏，学生可清楚直观地了解到每一个加工细节;购置了多轴加工中心等一系列先进设备，由学生在加工中心自主上机操作，进行对刀，建立坐标系、粗、精加工等各工序的实际操作。这种紧贴现代化生产实际、自主式的加工模式，加深了学生学习印象。学习到的内容就是在实际工厂中见到的内容，使广大学生能更加从容地面对未来的工作和挑战。
1.4 进行层次化、多方位教学，不断扩充学习的内容
学生在必修的实践中，由于其年级较低，往往只能学习到基本加工知识。对于数控加工的难点问题，如螺旋桨、叶片等加工，只能进行示范性演示教学。因此，我们开展了配套的全校性选修课“UG三维造型与数控加工”，其学习学时、内容相对于必修实习的内容大幅度增加、深度大幅度增加。同时，对于后续的大学生创新实践等内容大力支持，鼓励学生自己动手加工。形成课内、课外实践结合;必修、选修结合;科研计算与实践验证结合，从而形成综合性、开放型数控加工层次式创新实践平台，为进行开放式的工程实践教育奠定了基础。
2 结语
四年来，本课题指导学生完成自主创新实践作品千余件，受到广大学生的欢迎，也使广大同学充分理解并认识了数控加工在实际加工中的作用，扎实掌握了从建模到各个工种、工序加工的一系列生产过程，充分理解了数控加工中心在完成各个工序衔接加工中的方便性、流水线化作业方式。在本课程的引导启发下，低年级本科生获取国家专利两项，在国家级各类机械设计、加工竞赛中获得一、二等奖八项。在兄弟院校到我校参观交流过程时，它们纷纷咨询课程设置、教学方法等一系列内容。达到了提高实践教学水平、与生产实际接轨、掌握先进数控技术、开拓学生视野、积极引导学生自主综合创新的目标。起到了引领数控工程实践教学发展的作用。无疑，随着社会发展的要求，进一步按照教学模式创新化、加工对象系统化、人才培养个性化、教学内容时代化进行实践教学将必然是工科实践教学发展的主流方向。
基金项目：2014年度西安市科技计划项目（CXY1436（9）
注释
① 徐娅萍，王润孝.数控机床课程教学的改革与实践[J].西北工业大学学报（社会科学版），2007.27（4）：78-80.
③ 王吉林.从教研教改中浅析工程型人才的培养[J].价值工程，2010（8）：154-155.
④ 徐开芸，汪木兰，左健民，朱晓春. 虚拟数控技术在多媒体CAI系统中的应用[J].机械设计与制造，2008（2）：139-141.