中职学校数控专业教学现状分析及产业发展趋势探讨

摘要：数控专业作为一个新兴的专业存在于各个职业学校，各校对数控专业的教学基本处于一个起始的阶段。本文通过对职业学校数控专业教学现状进行分析和数控技术产业的发展趋势进行，提出了职业学校在数控专业教学上培养与产业发展相适应的策略。关键词：数控专业现状分析产业发展趋势一、数控专业教学现状分析数控专业的兴起发展是时代发展的需要，在二十世纪末各个中等职业技术学校相继开出数控专业也是为了满足社会人才的需要。这是因为产业发展和社会经济的可持续发展需要职业学校对人才培养作出相应的调整。尽管职业教育的现状是出现了萎缩的趋势，可数控专业作为时代的产物正以一种新生力量蓬勃发展。数控技术的问世已有四、五十年的历史，它是由机械学、控制论、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性的新型学科。数控技术是数控机床的关键技术，大力发展、推广应用数控技术，用数控技术改造传统产业，对机械制造、航空航天事业的发展，恶劣及危险环境的作业等，都会起着关键性的作用。“数控机床”是将数控技术、微电子技术、计算机技术、信息技术、测量技术和控制技术融合在一起，与机械加工工艺相结合，而产生的新一代机械制造技术装备。它具有以下特点，性能上：高速、高效、高精度、高可靠性、柔性化、集成化、智能化程度高；市场适应性上：普及型、个性化程度高；体系结构上：开放性能好。因此，企业领导中的许多有识之士已认清这一点，纷纷上马数控机床，陆续添置或改造成数控机床。随着整个经济的复苏，机械行业的形势会逐渐好转，那时数控机床的数量必将迅速增加。这些新设备迫切需要有一批掌握数控技术的熟练工人和技术人员来操作使用及维修。目前的情况是厂家从进货单位请人培训职员，这样远远满足不了生产的需要。将来随着数控机床的普及，相应的技术人员培训必须跟得上。同时对掌握数控技术的人才在文化知识、综合能力等方面提出更高的要求。在这样的背景下，职业教育为适应市场的需要纷纷添置设备，引进师资，开办数控专业进行教学。说明了职业技术学校开设数控专业的相应课程,系统的学习数控编程、数控机床的操作及维修、系统的维护及数控技术的开发等知识是时代的需要。那么就在二十世纪末至今职业技术学校开办数控专业教学已有近十年的历史，我国的数控专业教学的发展究竟到了什么程度？各个学校的数控专业教学培养的学生是否能满足产业的需求，数控专业教学本身的发展如何呢？事实表明，数控专业涉及数控原理、数控编程、数控机床、自动控制技术、电气驱动伺服技术、位置检测技术、机床精度、电子技术以及计算机硬件与软件等方面的知识，它涵盖面广、涉及其它专业的知识较多，而现行教材过分重视学科体系和学术性，轻视实践环节，内容过于深奥晦涩成了学生学习时的最大困难。数控专业教材编辑各自为阵，不同科目，内容却相同，甚至例题一模一样。如：《数控机床》、《数控原理》、《数控编程》；相反，有些科目，不同版本，内容相差甚远。如：《数控技术》、《数控原理》。没有一套合适的教材给教学带来不必要的麻烦。而且，数控技术是新型产业，它的更新换代非常快，而数控专业现有教材一成不变，所以，数控专业课程设置和教材增、减是数控专业课程改革和教材建设的关键。同时由于教学条件的限制，数控课程在教学上多注重传授理论知识，而忽视了实践环节。完全的数控实践教学，应有专门的实践基地，有数控车床、数控铣床、加工中心、编程器、可编程控制器以及相应的位置检测实验仪器，甚至要有一个相当规模和配置的计算机房，可以运行大型的数控软件，能在计算机上进行手工编程和自动编程、并能动态模拟加工轨迹、进行三维，并与数控机床有良好数据接口，使程序经过后置处理转换成NC代码，从而在数控机床上运行。这些硬件在目前国内的情况下很难做到。而且，职业技术教育日渐萎缩的现在，更不可能做到。就算学校用有限的资金投资购买数控机床、加工中心等建设教学实验环境。此类设备价格昂贵，花大力气买回一台两台，无论从数量上、还是从成本安全性上考虑，都不大适合众多的学生的普及性教学和实验。这类教学实验中心即便建成，实际应用效率和效果往往也不是很理想。因此，如何改善和提高数控专业课程的实验环境，使学生能学有所练、学用结合，是数控专业教学工作面临的一个非常大的难题。所以，数控专业课程改革和教材建设事在必行。二、产业发展的趋势探讨数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，不仅仅是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。那么如何学会使用这样的数控装备就是我们职业技术学校数控专业教学的重要任务。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控技术的发展趋势有以下几个方面。1、高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2、5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。4、重视新技术标准、规范的建立如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75％）、加工程序编制时间（约35％）和加工时间（约50％）。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.1～2001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20个CAD/CAM/CAPP/CNC用户、厂商和学术机构。美国的STEPTools公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(SuperModel)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMEN