韓 偉，林玉泉，楊成振，李慶光

(1.華南理工大學廣州學院，廣州 501800；2.粵北技工學校，廣州 韶關 512038；3.廣東斐克科技有限公司，廣州 佛山 528203；4.廣州里工實業(yè)有限公司，廣州 510425)

五軸聯(lián)動數(shù)控機床是一種專門用于加工復雜曲面或多面體零件的高精度機床，由于五軸加工中心機床的設備昂貴，刀軌預判復雜等原因，許多院校只能通過虛擬仿真手段進行CAM電腦編程實訓教學，沒有或很少在機床上進行實踐加工訓練；而部分擁有五軸加工設備的企業(yè)卻又存在技術人才缺乏、設備利用率低等現(xiàn)象，造成了五軸加工人才培養(yǎng)缺乏示范性的課程模式，企業(yè)人才需求得不到滿足的現(xiàn)狀。近幾年來，我們通過參加部分區(qū)域公共實訓基地舉辦的五軸加工培訓班，以及指導選手參加全國數(shù)控大賽五軸加工中心項目競賽的實踐經(jīng)歷，對五軸加工的實訓課程及人才培養(yǎng)過程形成了一定的認識和經(jīng)驗。

1 從職業(yè)能力結構出發(fā)分析五軸數(shù)控加工的課程體系內容

根據(jù)現(xiàn)代教育學理論,工程應用技術的實訓課程體系是根據(jù)職業(yè)能力結構而產生的一種具有特定技術功能、特定模塊結構的組合系統(tǒng)[1-2]。我們通過五軸加工的職業(yè)能力結構模型分析來確定實訓課程的課程模塊、教學目標和工作任務，具體的能力結構模型如圖1所示。其內容涵蓋了五軸加工機床運動學及機床操作、刀軸矢量認識和編程策略應用、誤差控制和刀位數(shù)據(jù)文件后處理等知識能力模塊[3]。

從該模型圖中可以看出，五軸加工課程是一個以空間幾何數(shù)學邏輯知識、數(shù)控機床結構原理為基礎，從針對零件幾何特征形狀加工的CAM編程策略選擇、刀具應用和空間刀具軌跡仿真驗證判斷再到后處理程序驅動機床加工的理論與實踐模塊組合的復雜體系[4]。這使得目前的企業(yè)或學校任何一方都很難單獨完成上述人才培養(yǎng)任務。而區(qū)域公共實訓基地作為引領區(qū)域高新技術人才培訓的主體，擔負著組織專項培訓和構建創(chuàng)新發(fā)展的高新技術人才培訓體系的職責，經(jīng)過國家近幾年的大量投資建設，許多區(qū)域公共實訓基地都具有了高端技術和設備的優(yōu)勢，責無旁貸地應該聯(lián)合起院校、五軸機床相關企業(yè)和數(shù)字化加工軟件開發(fā)機構等各方共同完成培養(yǎng)五軸加工技術人才的任務目標。

圖1 五軸數(shù)控加工職業(yè)能力結構模塊圖

2 協(xié)同育人的五軸加工一體化實訓課程結構規(guī)劃

五軸數(shù)控加工技術無論是操作還是編程，都需要以旋轉運動坐標幾何學作為動態(tài)傾斜刀軸控制編程為基礎，再經(jīng)過CAM編程加工訓練才能成為合格的五軸加工應用型技術人才，該課程體系結構需要以理論課見長的院校師資人員和以實際操作和零件編程加工見長的企業(yè)技術人員共同承擔，并在不同階段分工合作完成實訓教學[5]，具體的一體化教學實訓過程如下。

2.1 五軸機床的結構及坐標系空間幾何學認識

五軸機床的結構可以分為雙轉臺五軸、雙擺頭五軸、單轉臺單擺頭五軸3類。以其中較為典型的雙轉臺五軸機床為例，如圖2所示，其坐標的基本特征是兩個旋轉軸都在工作臺上，3個直線軸與三軸機床一樣仍為X,Y,Z軸；旋轉軸則為A、C軸。A軸旋轉平面為XZ平面，C軸旋轉平面為XY平面[6]。

由于工件固定在工作臺上，一旦兩個旋轉軸開始進行旋轉運動，工件坐標系與機床坐標系則不再平行。其中坐標系統(tǒng)OwXwYwZw為工件坐標系，其原點設在刀具點上，其坐標軸方向與機床坐標系一致；工作臺的坐標系為OmXmYmZm。原點Om為兩個回轉軸的交點，其坐標軸方向與坐標系OwXwYwZw的變換關系可進一步分解為OtXtYtZt相對于OmXmYmZm的平動，以及OmXmYmZm相對于OwXwYwZw的轉動。加工時五軸機床的刀具路徑是由刀具上動態(tài)參考點所經(jīng)過的軌跡和刀具軸的運動方向組合確定的，如圖3所示。

圖2 典型雙轉臺結構機床的坐標幾何模型

圖3 五軸加工空間刀軌模型

圖中L為其中的一條空間刀具軌跡，P是刀具路徑上動態(tài)的一點，S為工件表面，D為在這一點對應的刀軸矢量時，就可以推算出旋轉后的S面上的動態(tài)P點坐標值[7]。由于講解五軸坐標幾何模型的目的不是要學員學會繁復的計算過程，而是需要學員了解坐標旋轉變化的幾何模型，增強空間刀位點的思維想象能力，正確判斷刀具加工過程中的運動軌跡，為下一步操作機床進行基準坐標系設定和運用CAM軟件編程奠定認知基礎，所以我們往往不進行各軸坐標值的繁復計算推導教學，這部分教學的目的是需要學員了解五軸機床的基本結構及坐標系空間幾何學模型，重點是下一步的CAM軟件編程中加工策略和刀軸矢量控制應用等。

2.2 編程策略應用及刀軸矢量控制方式選擇

五軸加工CAM編程過程中刀軸矢量控制方式選擇是其比三軸加工編程復雜的一個主要原因，三軸立式加工中心編程時刀具主軸始終垂直于加工平面，而五軸加工編程刀軸則是按照編程者的設定沿著直線、曲線或輪廓運動著的，不同的刀軸矢量控制方式和刀具傾斜方式產生不同的空間加工刀軌[7]，這些具體的實踐體會和認知必須通過實訓練習才能總結出來，為了幫助學員認識刀具在加工過程中與工件的運動相對位置關系，了解五軸編程的各種刀軌軌跡特點功能應用，熟練的企業(yè)技師會根據(jù)實際產品加工的特點，歸納部分典型加工策略的刀軸控制和刀具傾斜運用表如表1所示。

表1五軸加工典型編程刀軸控制方式運用表

表1中針對鉆孔加工、管道曲面加工和與曲面加工策略分別采用了3種不同的矢量控制方式以及相應的刀具傾斜方式；列出了加工零件特征形狀與加工策略刀軸、矢量控制方式、刀具傾斜形式3個要素之間存在的對應關系[4]，只有當幾個要素都進行了正確的組合選擇，才能得到合理準確的刀軌計算結果，這需要通過不同零件的編程比較分析才能歸納得到，因此，該階段實訓特別需要企業(yè)技師結合實際加工案例進行分析講解，并進行編程練習和虛擬仿真的效果比較驗證才能形成基本的運用能力。運用MastercamX5編程軟件進行汽車缸蓋零件管道曲面加工以及應用VERICUT進行模擬仿真教學的分析如表2所示。

表2汽車缸蓋零件管道曲面加工案例教學圖表

2.3 構建合理的課程體系及師資配置組合形式

由于三軸加工的刀具軌跡只有3個自由度方向，所以編程者比較容易進行刀軌預測，再結合一般的虛擬仿真顯示，很容易避免機床加工過程的碰撞等錯誤[8]。因此三軸數(shù)控加工對編程人員的職業(yè)能力結構要求并不十分嚴格，由企業(yè)或學校進行單一師資的實訓培養(yǎng)即可成為三軸數(shù)控編程人才。而五軸加工的刀軌具有5個空間自由度，刀軌預判難度大大增加，需要編程者首先具備全面綜合的空間五軸坐標運動學認識，再結合實踐加工經(jīng)驗和虛擬仿真效果，詳細比較分析刀軌在空間運動的可能軌跡。編程者的知識能力結構直接決定了五軸機床加工的安全性和零件加工的質量[5]，一旦編程錯誤或對刀軌進行了誤判，很可能會造成昂貴的五軸機床設備發(fā)生碰撞損壞。傳統(tǒng)的企業(yè)崗位技術培訓由于只是針對短期需求，加之師資和時間等因素的限制，缺乏科學系統(tǒng)性規(guī)劃，難以培訓出職業(yè)能力結構全面合理的編程人員。因此構建公共實訓基地、院校、企業(yè)等各方共建的五軸加工實訓平臺十分必要。在平臺體系中企業(yè)參與培訓既可以更有效地發(fā)揮其設備資源，又可以將企業(yè)的加工零件工藝案例作為實訓課程內容；院校教師的參與使五軸加工實訓的規(guī)范性和教學系統(tǒng)性增強，共同研究制定訓練方案，設計典型訓練任務目標[3]。如表3所示，其中既有分別開展的教學模塊，也有共同完成的實訓模塊，改變了以往課程結構單一和師資人員單一的培訓形式；把各方面的知識能力模塊與企業(yè)產品加工過程相結合，優(yōu)化五軸加工課程體系，企業(yè)技師和院校之間結成相互取長補短的師資配置組合形式，培養(yǎng)出全面符合五軸加工職業(yè)能力要求的技術人員[5]。

表3五軸實訓一體化課程體系及師資組合表

序號職業(yè)能力實訓教學目標實訓工作任務師資組合1編程坐標和裝夾方案認識認識五軸機床坐標系和機床結構,合理運用裝夾方案,提高多維空間思維能力裝夾方案選擇,旋轉坐標軸基準確定,五軸坐標刀位點計算院校教師2各種加工策略選擇應用 區(qū)分應用各種編程策略模板及參數(shù)設定,學會選擇對應于不同幾何形狀的編程策略定向加工、通道曲面等典型策略編程運用院校教師企業(yè)技師3刀軸矢量控制選擇運用 掌握運用典型刀軸矢量設定方法,學會CAM軟件刀軸控制計算形式,學會虛擬仿真軟件應用平面定向控制和輪廓控制等各種刀軸控制的分類運用院校教師企業(yè)技師4切削參數(shù)和精度誤差控制設定學會五軸加工編程刀具設定,認識工件與刀具空間位置關系,結合虛擬仿真增加刀軌預判能力經(jīng)驗虛擬仿真軟件運用,典型加工任務編程,切削精度參數(shù)設定院校教師企業(yè)技師軟件開發(fā)技術人員

(續(xù)表)

序號職業(yè)能力實訓教學目標實訓工作任務師資組合5機床結構類型選擇及后處理設定了解五軸機床結構分類,掌握典型機床結構對應的后處理坐標系參數(shù)設定方法機床結構種類選擇,設置后處理參數(shù)院校教師企業(yè)技師軟件開發(fā)技術人員

3 協(xié)同育人五軸編程加工一體化實訓的合作框架流程

以區(qū)域公共實訓基地或高等學校作為協(xié)同育人平臺發(fā)起者，企業(yè)提供實踐崗位和教學訓練部分設備資源，數(shù)字化軟件開發(fā)機構則提供先進的虛擬仿真訓練軟件和虛擬設備，可以迅速構建五軸加工人才協(xié)同育人培養(yǎng)的一體化教學平臺[5]。具體的平臺結構與五軸培訓課程運行流程結合如圖4所示。圖中，數(shù)字化加工軟件開發(fā)機構的主要作用體現(xiàn)在兩個方面。1)由于五軸切削的空間刀路軌跡復雜，許多程序在CAM編程軟件里難以逼真有效地檢查是否存在問題[9]；2)而智能化的虛擬仿真軟件能真實模擬機床刀具加工過程中的干涉、過切、進退刀等狀況，同時數(shù)字化加工軟件開發(fā)機構還具有不斷開發(fā)提升五軸智能加工軟件功能或更先進的虛擬教學設備的技術能力，與實訓相結合的同步開發(fā)能使五軸加工編程和虛擬仿真軟件更易學、高效、智能和功能更豐富，對提升教學效率具有積極的推動作用[8]。

圖4 五軸加工協(xié)作育人平臺框架結構

這樣的平臺組合可以充分發(fā)揮高校的教科研優(yōu)勢，根據(jù)企業(yè)和院校的應用情況反饋，采納各企業(yè)、區(qū)域公共實訓基地的五軸加工人才培養(yǎng)的典型教學案例，集成為課程資源庫，不斷優(yōu)化實訓師資組合方式和課程結構組合，構建一體化五軸加工實訓課程體系示范模式。

4 結束語

從教育理論角度來分析，五軸數(shù)控加工的技術認知過程中，認知領域的內容明顯多于動作技能訓練學習，其中有許多環(huán)節(jié)需要運用基本空間幾何運動坐標原理進行分析、綜合及轉換等認知層次。因此需要改變以往沿用的三軸數(shù)控教學方法，直接以技能經(jīng)驗為課程主體開展五軸數(shù)控加工培訓，同時結合部分空間立體幾何與多維曲面數(shù)學方程等知識[10]，并于企業(yè)相互共享教學資源，建立與之相適應的師資配置組合教學合作方式，創(chuàng)新和提煉五軸數(shù)控加工人才培養(yǎng)的課程體系建設成果。規(guī)劃院校、企業(yè)和虛擬仿真軟件開發(fā)企業(yè)在五軸技術人才培養(yǎng)過程中應承擔的角色，不斷優(yōu)化組合教學資源配置，培養(yǎng)出更多更好的五軸加工技術人才。

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