本系统采用自行开发的二维图形软件包实现加工零件轮廓的图形描述,经过工序划分以及加工工艺参数的人机交互式输入,实现了数控加工程序直接从图形到程序的自动编程。
1.系统框架结构和功能
本系统结构模块的组成框图如图1所示,主要由以下模块组成:
(1)加工工艺规划模块。此模块根据数控加工工艺特点,将其分解为开口槽腔、闭口槽腔、端面车削、螺纹、切断等工步(开口槽腔、闭口槽腔、螺纹分别有外圆和内孔之分)。任何车削加工零件的外形轮廓加工工艺都可以拆分为以上工步。每一工步都有粗、精加工,可以通过工序管理器来实行加工程序的合并。
(2)特征图元绘制模块。此模块具有简单的CAD造型功能,能够完成零件二维轮廓的绘制。
同时在刀位轨迹生成以后能够实现轨迹的图形仿真显示。
(3)工艺参数设定模块。此模块对各种加工工艺参数进行交互式输入,包括起刀点、进退刀矢量、加工余量、切削深度、进给量、切削速度以及机床主轴转速等工艺参数。
(4)刀位轨迹生成模块。此模块根据所选择的工步以及走刀方式,自动生成刀位轨迹。
(5)G代码生成模块。此模块将系统生成的刀位轨迹转换为数控车床加工G代码程序并以文本文档的形式输出。
2.零件轮廓的表达以及图形输入
数控车床加工的零件多以轴类及盘类零件为主,尽管这些待加工零件是真三维的,但是在实际加工中,一般都是二维的,即刀具在一次切削过程中始终在X-Z平面内运动。因此,本系统可以用直线、圆弧来完成加工零件轮廓的二维描述。
2.1零件轮廓的表达
数控车床加工的零件,其表面轮廓段一般都由直线和圆弧等构成,针对这种情况建立了零件轮廓的统一表达模型,将构成零件轮廓的各轮廓段统一用轮廓边界点表示,这样便可以建立整体轮廓的统一描述。可以认为零件的整体轮廓均是由直线和圆弧构成的,对于自由曲线,可以根据自由曲线轮廓段的表面粗糙度要求,采用有理B样条插值算法将其离散为一系列直线段。
把构成轮廓表面的各轮廓统一称为边界点,那么整条轮廓便是由多个首尾相连接的边界点所组成,每一边界点内含有一个描述边界性质的几何点点集。直线是一个包含两个几何点(起点和终点)点集的边界点;圆弧是一个包含3个几何点(起点、终点和圆心)点集的边界点,由于三点不能唯一确定一条圆弧,因此,可以再加上圆弧的旋转方向(顺时针或者逆时针)来确定圆弧。本系统采用面向对象的计算机编程语言Python开发[6,7],在数据结构上采用
Python语言的数据类型列表来表示一个轮廓段的边界点。如图2(a)所示的零件轮廓段的数据结构为:Part=[(′Line′,[(2010,12010),(381366,861405)]),(′Oval1′,[0,(381366,861405),(811176,1021418),(591198,621341)]),(′Oval1′,[1,(591198,621341),(461535,381039),(721116,471866)]),(′Line′,[(721116,471866),(821156,201065),(1411307,201065)])]。其中,直线的标志为‘Line’;圆弧的标志为‘Oval1’,圆弧后面的点集列表中的1表示顺圆,0表示逆圆。
2.2图形输入
零件几何图素的输入主要包括点、线、圆的输入,通过系统给出的绘图工具在绘图区绘出。如点可以通过键盘形式进行参数输入,也可以直接通过鼠标点击输入。系统提供了直线和圆弧的绘图工具。直线主要通过两点来生成,选取直线的绘图工具以后,在绘图区直接鼠标点击就可以生成直线,连续点击将生成首尾相连的多条直线。圆弧的绘图工具包括三点圆弧(起点、终点和圆心)以及两点半径圆弧(起点、终点和半径),通过圆弧的旋转方向来最终确定为顺时针圆弧还是逆时针圆弧。
几何元素输入后分别以点线圆的标准形式存放于几何参数表中,其中点的记录内容为坐标值(X,Y),直线和圆弧的记录内容如上文所述。这些数据都以列表的形式存放在计算机的内存中。图2所示为本系统根据数控车削加工工艺划分的开口槽腔和闭口槽腔的图形显示,其中开口槽腔定义为用水平线与零件轮廓线求交时有且只有一个交点的轮廓形状,闭口槽腔则只有两个交点。
零件轮廓数据输入后往往需要进行修改,可利用图形编辑菜单项中的撤消、重画、删除等功能最终形成该零件的加工轮廓图形。直线和直线相交的地方,可以进行倒角处理,在作图过程中,选择倒角功能,可以通过数据显示功能来选择倒角方式(直线倒角还是圆弧倒角),输入倒角的参数最终实现倒角。
3.刀位轨迹和G代码程序的生成
刀位轨迹以及G代码生成是本系统的核心部分,根据前面所述的工步划分,选择合适的工步,绘制零件的加工表面二维轮廓图形,可以使用系统工艺参数数据库自动提供的预设加工工艺参数,也可以通过人机交互方式完成工艺参数的输入。同时也可以修改某一工艺中的刀具参数、切削参数等。数控加工中为减少多次安装带来的安装误差,一般采用一次安装。
对那些需要调头加工的部位采用右偏刀反向走刀切削,此外,对于端面处的开口槽腔,加工时可以选择向下的切削方向。因此加工时的切削方向分为向左、向右和向下的切削方向。
在刀位轨迹规划中,粗加工的刀位轨迹规划是关键,精加工只是刀具沿着轮廓线走刀,因此其刀位轨迹的生成算法仅仅是加工零件表面曲线的偏置,图3所示为开口槽腔加工时的刀位轨迹生成程序框图。而粗加工往往还跟零件的毛坯形状有关,本系统可以绘制外圆以及内孔加工时的毛坯轮廓曲线,跟零件轮廓曲线结合而确定加工区域。根据加工参数中的起刀点、加工余量、进退刀矢量等参数,用水平线与加工区域求交,求得的交点即为刀具刀尖的运动点坐标。
在点击主界面上的生成G代码的按钮后可以将生成刀位轨迹和G代码程序显示在界面上,并可以将零件信息、毛坯信息、加工工艺参数和G代码程序一起用文本文件保存下来。如图4所示,主界面左边显示的就是图3中的开口和闭口槽腔沿负Z轴方向水平切削的刀位轨迹,右下角显示的是生成的G代码程序。
4.结束语
关键词：数控车工技师；考核；理论；论文；实操
江苏省徐州技师学院从2003年开始招收数控车工技师，已累计为社会培养1000多名数控车工技师。在这10年的培训教学与考核中积累了一定经验，也存在着许多问题，值得我们思考。
一、数控车工技师考核情况简介
数控车工技师每年由江苏省技能鉴定部门统一安排在3月、5月、9月和11月共考核四次。各校根据自己的实际情况向市技能鉴定指导中心申报，市技能鉴定部门审核通过后，统一上报省技能鉴定指导中心，由省技能鉴定部门从题库统一抽取试题进行考核。省技能鉴定部门派考评人员督导，市技能鉴定部门具体实施。考核共分为论文答辩、理论考核和实操考核三个环节，每个环节独立考核，单独给分，以百分制形式进行，低于60分为不及格，三个环节均达到60分，技师才为考核过关，否则不予通过。
1.论文答辩。论文答辩环节是技师考核的第一关，也是至关重要的一关，此关不及格，后面两关不予考核，取消考试资格。论文答辩小组一般有三名评委组成。学生陈述论文后，评委针对学生的论文对进行提问，问题既有论文内的内容，也有拓展知识。
3.实操考核。实操考核环节由机械加工工艺规程编制、数控车床编程、数控车床加工、零件自检和数控车床精度检测等五个模块组成。总分100分，60分及格，每个模块权重不同，但都要达到60%才为及格。
二、数控车工技师考核存在的问题
2.理论考核方面。数控车工技师理论考核牵涉的知识面非常广泛，几乎涵盖了在校学习的所有专业知识。这些知识点分散在10多门课程中，零散且不系统，又没有复纲，全靠教师的经验和学生平时的知识积累。往往经过几个月的紧张忙碌后，成绩还不是很理想，极大地挫伤了学生申报技师考核的积极性。
三、数控车工技师教学应采取的措施
【关键词】教学改革；数控加工技术
“NumericalcontrolProcesstechnology”educationalreformexploration
LiaoPeiyuan
【Abstract】Doesthisarticlehighspecially“themachinemanufacturecraftandtheequipment”inaspecialtybranchprofessionalcourse“NumericalcontrolProcesstechnology”embarkfromthequality,howexploresimplementstheeducationalreformmethodeffectively.Throughtheeducationalreformimplementationprocessanalysis,demonstratedthespecializedEnglishtheseepageteachingnumericalcontrolprogramming,theexperiment,reallyteachthestrengthening,aswellasintheclassroominteractivetypeteachingmethoddeeplystudent’swelcome,student’sspecializedabilitywasalsoobtainedtheenhancement.
【Keywords】Educationalreform;Numericalcontrolprocesstechnology
《数控加工技术》是高职高专学校“机械制造工艺与设备专业”的主干课程。2002年，我们承担了“《数控加工技术》课程教学改革方案”教改课题。在课题中强调了加强数控编程能力，相对淡化数控机床结构，渗入专业英语教学，加强实验、实训环节，提高学生对知识的综合应用能力。在课题的教学方法改革中，强调了让学生在学习过程中做自行研究课题，在课堂学习过程中多与老师一起互动学习。教改方案取得了有关专家的认可。2003年，为了确认方案的实施效果，我们在教学中使用了该方案，并对实施的前后过程进行了分析研究。
1教改实施前的准备
1.2教学内容的准备:因为教学大纲和授课计划作了充分调整，本学期我们重新对课程内容进行备课。讲稿内容中增加了专业英语，从原版的数控教材中摘录了一些数控知识，对数控专业词语也作了英语注释。教学过程中，对一些喜欢英语的同学来说，他们非常喜欢这样的形式，平时在与同学们的交流中已得到及时反馈。
思考题及习题的准备也很有必要。通过布置思考题及习题，让学生在学习之后有个思考和消化的过程。
自动编程内容和V-CNC程序验证内容的准备。自动编程内容让学生开拓视野，在学会手工编程基础知识之后，提高技能，让学生了解复杂零件的自动编程过程，以适应社会发展的需要。程序的编制需进行验证，使用V-CNC虚拟仿真软件，让学生在上机床操作之前，先对操作环境，加工过程有个全面的认识，在仿真过程中发现问题，避免操作时发生碰刀、过切等错误。为此为学生准备了MasterCAM9.0和V-CNC的补充教材和CAI课件。
在教学内容中强化编程，特别在编程时让学生必须考虑工艺问题，使学生在学习编程时懂得了工艺路线的确定、刀具的选择和切削用量的设定方法，为期末的实训作好准备，也为社会输送能尽快适应数控机床操作岗位的人才作好准备。
2教改实施
采用行为导向的教学方式:我们尽量采用行为导向的教学方式．让学生有更多自主学习的机会。在开学之初，将授课计划发给学生，让学生知道本学期的学习内容和教学进度，对于认真学习的同学，可以让他们做到课前预习。另外，还采用了布置自行研究课题的形式，在教学中部分采用以学生为中心的课堂教学方式，结合一些多媒体的教学方法进行编程知识的教学，并加强实验、实训环节，采用传、帮、带的方式进行实践教学。
(2)在教学中逐步渗透以学生为中心的课堂教学:《数控加工技术》课程教学内容较新，技术发展较快，但因为班级学生人数很多(每班有50左右的学生)，也因为传统的学习方式在学生心中根深蒂固，教学作大规模的改变也许会影响教学效果，所以，我们只在几次课堂教学中选部分内容进行试点。
虽然主动参与的同学不到一半，但也不能放弃尝试。我们鼓励完成预习作业的同学上台讲解．并提出他在预习中遇到的问题，大家一起解决，最终老师给出结论。通过几次尝试，学生的积极性有所调动，课堂气氛活跃了许多。上台讲解既能锻炼学生的表达能力，又能使教师了解学生对知识的掌握程度。
其实学生是喜欢这种形式的，因为在调查中可以看出，有66％-71％的学生喜欢互动式的教学方法，只是他们只想活跃课堂气氛，但还不知道自己怎样参与。通过进一步的引导，相信会收到更好的效果。
(3)多媒体教学方法:根据不同的教学内容，我们采用不同的教学方式。在自动编程内容的教学中，我们采用多媒体的教学方法。同学们能在计算机上直接看到自动编程的过程，从CAD设计、工艺参数的设定、刀具轨迹的生成到实体的仿真加工，最后通过后置处理，生成能够直接在数控机床上使用的NC数控程序。教学过程中教师先作多媒体教学演示．后让学生自己动手操作，让学生自己体会自动编程过程。因为课时的关系，自动编程的教学在该课程中只能起到抛砖引玉的作用。
在实验环节中，我们要求每位同学完成指定的五个实验，并完成实验报告。实验的教学方式采用传、帮、带的形式，第一批由老师讲解并演示，以后的几批同学均由他们上一组中的同学进行带教，老师只在一旁作指导。这种方式使学生参与的机会更多，发现的问题也更多，学到的实践知识也更多，实验效果良好，得到同学们的认可。
实训这一环节完全贯彻了行为导向的教学方式。实训是提高数控加工技术、综合验证数控加工能力的一个重要环节。大部分学生比较重视这一环节。因为在这一环节，学生能学到很多实践知识．并把所学知识融会贯通。实训时，老师布置加工任务．要求学生对所给的零件安排加工工艺路线，设定切削用量，从毛坯开始，编制合理的程序．独立完成整个零件的加工，并将尺寸和表面粗糙度控制在要求的范围内。为尽量减少事故的发生，要求学生必须事先在仿真软件上验证加工轨迹．再上机床进行加工。通过独立完成整个零件的数控加工，学生系统地掌握了数控机床的操作和数控编程及加工知识，很多同学在课程结束之后，参加劳动部组织的数控中级工能力考试．获得了数控中级工证书。在实训时同时强调安全知识及安全的重要性，避免事故的发生。实训效果良好，满意度在逐年增加。
3教学改革结果分析
教改是否成功，只有通过具体实施，并进行比较研究总结，才能真正得出结论。在本学期进行教学改革之后，我们将《数控加工技术》课程学习情况问卷发给学生填写，得到了一定的信息反馈。现将教改前和教改后的学生学习情况反馈进行比较，结果如附表一所示。从表中可以看出，通过教改，在学生的信息反馈中已取得了一些满意的效果，具体表现为：
(1)教学改革在总体上得到认可，学生中认为学习效果很好的同学由原来的18％提高到51％。
(2)教改中课程内容的安排更趋合理，学生对课程内容的兴趣由原来的30％提高到57％。
(3)专业英语和自行研究课题的加入得到部分要求上进的同学的认可，各班的反映情况不一，欢迎的比例在34％-60％。
(4)教改之前，学生对自动编程内容感兴趣，希望学；教改之后，通过对自动编程内容的接触，学生们仍表示出广泛的受欢迎程度。
因为教改之后，学生学习的知识点有所变化，考卷的形式和知识点的分值安排也有所变化，考试的总成绩不一定能评价教改结果，所以．我们将教改之前学生编程能力与教改之后学生的编程能力作了一个比较。教改之前，学生在期末的考试中对编程题的失分率高达42％，考试成绩不太理想。教改之后，学生在考试中编程题的失分率下降到28％，学生编程时能主动考虑工艺问题，大大提高了所编程序的实用性。
1.数控加工中切削用量的选择原则
切削用量包括切削速度(主轴转速)、背吃刀量、进给量，通常称为切削用量三要素。数控加工中选择切削用量，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。粗、精加工时切削用量的选择原则如下。
粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。
半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合实践经验而定。
(1)背吃刀量ap(mm)的选择
背吃刀量ap根据加工余量和工艺系统的刚度确定。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。具体选择如下：
粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。
当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap，使切削力减小。
精加工时，ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面质量。一般精加工时，取ap=0.05～0.8mm；半精加工时，取ap=1.0～3.0mm。
(2)切削宽度L（mm）
一般L与刀具直径d成正比，与切削深度成反比。在数控加工中，一般L的取值范围为:L=(0.6～0.9)d。
(3)进给量(进给速度)f(mm/min或mm/r)的选择
进给量(进给速度)是数控机床切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取。对于多齿刀具，其进给速度vf、刀具转速n、刀具齿数Z及每齿进给量fz的关系为:Vf=fn=fzzn。
粗加工时，由于对工件表面质量没有太高的要求，f主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制，一般根据刚度来选择。工艺系统刚度好时，可用大些的f；反之，适当降低f。
精加工、半精加工时，f应根据工件的表面粗糙度Ra要求选择。Ra要求小的，取较小的f，但又不能过小，因为f过小，切削厚度hD过薄，Ra反而增大，且刀具磨损加剧。刀具的副偏角愈大，刀尖圆弧半径愈大，则f可选较大值。一般，精铣时可取20～25mm/min，精车时可取0.10～0.20mm/r。还应注意零件加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中，选择进给量时，应考虑轮廓拐角处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低进给速度，在拐角后逐渐升速，以保证加工精度。
(4)切削速度Vc（m/min）的选择
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或者参考有关切削用量手册选用。在选择切削速度时，还应考虑：应尽量避开积屑瘤产生的区域；断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度；在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度；加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度；加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度；工艺系统刚性差的，应减小切削速度。
(5)主轴转速n(r/min)
主轴转速一般根据切削速度VC来选定。
计算公式为:n=1000VC/πD
式中，D为工件或刀具直径（mm）。
数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率)开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。
2.结论
随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控加工程序的编制过程中，要在人机交互状态下合理的确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉数控加工中切削用量的确定原则，结合现场的生产状况，选择出合理的切削用量，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。
参考文献
[1]赵长旭.数控加工工艺.西安：西安电子科技大学出版社，2006.1（2007.9重印）.
[2]刘万菊.数控加工工艺及编程.北京:机械工业出版社，2006.10.
一、数控加工工艺教学背景
随着数控加工技术迅速发展，企业对数控加工技能人才的知识和能力结构提出了更高、更新的要求，这无疑也对中职数控加工工艺教学提出了更高的水准。中职数控加工工艺课程教学的实践及其研究就是联系实际生产，通过教学设备和教学内容的整合，保证为专业服务的有效性；通过对教学方法的改革，提高学生的实际操作能力。数控加工工艺有效教学课是针对传统教学法造成教学有效性降低的实际问题提出来的。传统教学中数控加工工艺技术只是与一般专业课程一样进行教学，没有把数控加工工艺技术结合到相应的工程项目中，同时由于教学设备有限，课时少，没有一个很好的学习平台，导致最后的教学效果并不理想，很多学生到工作岗位之后都反映在学校学得太少、太浅、不会解决实际问题等。所以研究当前数控加工工艺课程有效教学模式，同时进行必要的改革是培养创新人才的需要。
二、课题研究的理论基础
课题研究的理论基础是生本教育理论和有效教学理念。
三、课题研究目的、目标
数控加工工艺是中等职业学校机械工程制造类专业主干课程，是以机电设备加工工艺知识为基础，融金属切削加工刀具知识、机床知识、工装夹具等知识为一体，与现代制造生产技术联系密切的一门实践性课程。通过对数控加工工艺有效教学的研究，加强数控加工工艺的教学，对于工程技术、机械制造专业技能人才的培养至关重要。整合教学设备和教学内容，激活课堂，提高学生的动手能力以及培养学生分析问题和解决问题的核心能力，以满足企业和社会的要求。
数控加工工艺生本教学研究的目标是：第一，针对企业对数控加工人才的要求，构建我校数控加工工艺课程体系。第二，针对中职数控加工工艺教学所面临的问题，改革该课程的教学模式，改变学习评价体系第三，构建开放的网络学习平台，创新人才培养模式，切实提高学生的学习积极性和解决实际问题的能力。
四、课题研究过程与文本成果
按本课题设计要求开展研究，启动阶段（2010.9——2011.3）学习理论，申报课题；研究阶段（2011.3——2011.12）进行教材整合和教学方法改革实验；总结阶段（2011.12——2012.3）归纳，总结教学研究材料，包括在校刊、省级刊物发表的论文、获奖的教学设计、教学课件、试题、试题分析等，进行教学反思，撰写教学论文和结题报告。
课题研究论文《激发后进生的学习兴趣》和《浅谈数控加工刀具补偿功能》在《增职教研》上发表，《数控加工工艺有效教学实践与反思》在《广东职业与成人教育》上发表。
五、课题研究的结论
再次，教学和实训过程要突出学生的感受与实践，运用实际的案例将学生引入到情境教学中，让学生去体验并实践，然后由教师组织和引导学生进行分组讨论，研究问题的关键，提出各自的想法和见解，找出解决问题的方法和步骤，做出相应的决策，制定可行的计划和合理的实施方案，最后由教师给出的答案或实际生产中解决问题的真实方案进行检查和评价。
第三，创设教学情境，培养分析能力。教学情境是指教师在教学过程中创设的情感氛围，是通过语言表达、事物描述等手段，创设一种以学习为主体，分析和解决问题事件的真实性情境。在《数控加工工艺》教学中，教师既可以带领学生到实操场真实的情境中去感受操作加工工艺，也可以通过多媒体等手段创设虚拟的学习情境帮助学生体会、理解加工工艺知识。在情境教学中，教师要积极组织学生抓住关键问题，引导学生发现事物的内在联系，探究加工工艺的规律。