开发先进制造技术 提高工程训练水平

田　勇　张宝枚　左凌燕　张功国

【摘 要】工程训练作为一门理论与实践相结合基础课之一,应积极利用计算机信息和先进制造技术促进自身的发展,合理有效地使用资源,大力发展CAI技术。本文介绍了CAD/CAM编程,开发CAI课件,以提高学生的动手能力、设计能力、工艺编程能力和创新能力;教师要掌握新技术、新工艺,建立以计算机、服务器、扫描仪、多媒体、投影机和数控机床的局域网,实现数控程序的传递、信息共享、设备共享,完成教学管理网络化和多媒体教学。

【关键词】数控机床 局域网络 多媒体教学 数控编程

当前,计算机网络信息技术发展迅猛,正逐步渗透到各个领域。机电产品设计制造周期越来越短,对产品质量的要求越来越高,市场竞争日趋激烈,中、小批量,形状复杂的零件越来越多,加工精度也越来越高。传统的制造业正面临一场全新的技术革命,以制造业信息化推动制造业发展是当前必然趋势。培养具有高素质的先进技术型复合人才,正是我们开展先进制造技术工程训练的首要目的。

一、数控机床

数控机床是一种利用数字信息控制加工的机床,按要求把被加工的机械零件,如形状、尺寸等信息转换成数值数据指令,传送到电子控制装置,由该装置控制和驱动机床刀具的运动加工出零件。数控机床是以数控系统为代表的技术对传统机械制造业提升而形成的机电一体化产品,它的种类很多。目前我中心开设的和准备开设的科目有:数控车、数控铣、数控电火化、数控线切割、数控板料成形训练等。它们与普通设备的主要区别是:机床价格高、自动化程度高、加工精度高,其核心部分是数控系统,它是借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能,并配有接口电路、伺服驱动装置的一种专用计算机系统。

二、局域网络技术应用和CAI课件开发

由于数控机床是使用数字信息,因此,它易于与计算机建立通讯网络,便于与计算机辅助系统连接,而形成计算机辅助设计与制造紧密结合的一体化系统。

数控机床工程训练教学不同于普通机床实习教学,目前大多数院校金工实习的主要矛盾表现在日益增加的培训大学生数量和有限的机器设备上。要想提高教学质量,必须首先克服机床少,学生多的困难。数控机床属于大型精密贵重仪器设备,增添机床的投入巨大。因此,解决这一矛盾必须充分挖掘设备潜力,转变教学理念,开拓教学思路。具体可结合计算机的特点,利用计算机,借助相关软件和仿真加工技术,在计算机上进行编程和模拟演示。学生通过演示可非常直观地了解刀具的运动轨迹并直接检查出程序的对错,促进学生快速掌握一些基本操作,最后直接将正确的程序输入数控机床(数控铣床、数控车床、数控线切割、数控冲床、加工中心)进行实际操作,从而减少实际操作的错误,提高机床的使用效率。我们可以组建局域网,将计算机和数控机床联接起来(现在的数控系统功能已非常完善,即通过RS—232C口、以太网、USB接口接收或发送加工程序),促进资源的有效配置,进一步提高设备的使用效率。

当代大学生的特点是:知识新、反应快、理论性强,但缺乏实践性。对于多数没有实际操作经验的训练学生,让他们想象出切削加工过程、加工工艺步骤以及最终的形状,具有相当的难度。传统的教学模式是制作各种平面、立体的挂图或各种模型,帮助学生讲解课程内容。我们现在可以采用CAI技术来代替这种传统的方法,开发、制作各种CAI课件,利用多媒体的声音和图像技术进行形象教育。一些较好的图形处理软件,如AutoCAD、3dsmax、Photoshop、flash等都为CAI课件的开发、制作提供了广阔的空间。AutoCAD作为最常用的矢量图形绘制软件,已被广大的工程技术人员所熟悉,应用也较为广泛,除了用来绘制学生实习所用的一些机械图纸外,还可以制作出一些平面、简单的立体图形。而3dsmax则可以制作出一些较复杂的图形,两者可以通过渲染(Render)工具生成各种图片,经Photoshop软件对各类图片(须将BMP格式转化换成RGB格式)进行进一步的修饰和处理。我们也可以用扫描仪将一些实物照片扫描进来,对于那些特殊要求的内容可用flash制成动画。Powerpoint(演示文稿)作为Office办公系列软件,应用较为广泛,可作为最终向学生演示CAI教学的操作平台。

目前,我中心已建设了一套完整的局域网与数控机床联接设备。建设了三个多媒体教室(其中一个多媒体教室内安装了42台计算机和局域网设备),五个数控加工训练部(内有3台数控铣床、2台加工中心、4台数控车床、1台车削中心、4台数控线切割、1台电火花、1台数控转塔冲床、1台数控折弯机、1台数控剪板机),如图1:

三、数控编程

老师制作课件,通过多媒体、投影机授课,形象直观地展现给学生。详细讲解CAD/CAM编程软件的使用,采用人机交互式对零件的几何模型进行绘制、编程和修改,从而得到零件的几何模型。学生可以根据自己的爱好,在机房内用计算机练习编程,然后对机床和刀具进行定义选择,确定刀具进行相对于零件表面的运动方式,切削加工参数,生成刀具轨迹,最后经过模拟仿真加工后置处理,按照特定的机床规定和文件格式生成加工程序,通过局域网络存入服务器,再由教师检查正确后,调入数控机床。学生则在训练部控制机床实现在线加工,完成自己的作品。我们以数控铣床为例简单介绍这一过程。

计算机和数控机床进行加工通信时,一般要靠通信软件和RS232C数据线来完成(以KV800数控铣床,采用西门子公司的802D数控系统为例),通讯距离应控制在30M以内。同时,通信参数、通信协议要设置正确,专用通信程序(程序头)齐全。

传输程序实例:

%_N_M133_MPF

;$PATH=/_N_MPF_DIR

N01 G54 G64 G00 G90 T1 X50 Y20 Z50

N05 G42 G01 F200 M03 S500 Z-10

N10 X19.021 Y6.18

N15 X4.49

N20 X0 Y20

N25 X-4.49 Y6.18

N30 X-19.021

N35 X-7.265 Y-2.361

N40 X-11.756 Y-16.18

N45 X0 Y-7.639

N50 X11.756 Y-16.18

N55 X7.265 Y-2.361

N60 X19.021 Y6.18

N65X50 Y20

N70 G40 G00 Z50

N75 M2

以上格式中的前两行为程序头,其中133为程序号,应和机床上输入的程序读入号一致,第二行为指定路线。

具体步骤:

1.计算机设计、绘制图形(如图2)

2.分析加工工艺并选择刀具和走刀路线

3.计算机编写加工程序单并在程序前加通信程序头

4.通过局域网将加工程序单传入训练部服务器

5.调试传输软件将服务器内程序传入机床

6.启动机床进行加工(对于较大的程序可实现在线加工)

从以上的教学思路上可以看出,采用这种方式,可大大提高同学们对先进制造技术训练的积极性,激发他们的创作灵感,改善学习环境,提高训练效率。据估计,设备的利用率将比原来提高五倍以上,机床的使用寿命也将得到延长。以前程序输入是在机床面板上完成的,这样对较长程序操作时费时、费力。例如,机械学院2002级的庞文焕同学编写的程序总长共6140个字节,其中有程序段504个,提刀68次,圆弧42处。她在设计、制作过程中就使用了计算机绘图,计算机辅助计算,计算机网络传输,最后加工成形。如果对如此复杂的图形和程序,离开了计算机与网络是很难在一天半的工程训练中完成的。用机床面板输入,劳动强度较大,一人使用机床其他同学只能耐心等待。因此,利用计算机进行传输程序,效率非常高,还可减轻对机床面板各按键的损耗,提高设备使用寿命,降低训练成本。

四、创新训练

“兴趣是一切求知的动力源泉”。为了提高实习质量,引发学习兴趣,在实习教学中可综合运用多种教学方法。强调学生的主体意识、参与意识,使学生的学习兴趣增加,变被动学习为主动学习。为了充分发挥大学生们的想象力和创造力,培养创新意识和创新能力,提高综合意识,安排学生进行创新综合训练,在掌握编程能力的基础上,要求学生进行综合零件的设计,编程和制作,就是设计—制图—工艺设计、分析—编程—加工一条龙。通过以上过程,激发同学们的灵感和创造欲,使学生对数控工程训练产生浓厚的兴趣,提高学习的积极性和自觉性。自开展数控工程训练一年多的时间,学生自己设计,编程并亲自加工出各种富有想象力,造型迥异的小工艺品,如图3:

后实习的学生看到前面学生的作品,个个跃跃欲试,决心设计出更好的作品。先进制造训练不仅使学生学到各种制造工艺技术,更能在企业管理、技术分析、社会组织、市场营销、信息网络等方面学到更多的知识。

五、建立考试题库,统计学生成绩

利用计算机建立考试题库,针对每一批不同的学生,变换不同的考卷。每一个学生有不同的试卷,通过服务器传到学生机上,学生做完考试题后,存入共享文件夹中,传入服务器(教师机),教师可在网上阅卷,评定成绩。增加试卷的灵活性,杜绝学生的作弊现象,了解学生掌握工程训练的情况。最后,根据实际操作成绩和理论考试成绩以及在各个工种的表现,评定出学生最终的单科成绩,综合起来,利用Office系列的常用软件Excel(电子表格)进行操作,计算机按指定的函数关系快速计算出统计结果,通过Internet校园网发送到教务处,实现网络传输,提高工作效率。

六、结束语

中国已加入WTO,参与到全球竞争中,只有培养出知识全面、意识超前、综合性、复合型、创新型的高素质人才,才能在国际竞争中立于不败之地。正如李岚清同志指出的:“在知识经济时代,国家创新能力,包括知识创新能力和技术创新能力是决定一个国家在国际竞争和世界格局中的地位的重要因素”。我中心开设的先进制造技术训练课,适应新世纪和高新技术的发展方向,运用各种先进教学手段,由传统的实习教学提升到开放式、自主式的创新训练,提高了学生的参与意识和学习积极性。总之,我们要在现有的基础上大力发展先进制造技术,提高训练水平,最终实现网络教育,为培养出具有高素质的先进技术型复合人才而努力。

参考文献:

[1]第六届年会文集.2002,12.

[2]张学政.傅水根教育教学研究论文集.2000,12.