黃雪梅 楊立平 佟永祥 趙立紅

哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心 黑龍江哈爾濱 150001

隨著技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)背景下的機(jī)械類在線開放課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法改革是新一輪本科教育教學(xué)改革的重點(diǎn)。機(jī)械加工類慕課課程同傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式相比具有明顯的自身特點(diǎn)。針對(duì)目前機(jī)械加工類課程教學(xué)內(nèi)容陳舊、與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)狀，借助慕課建設(shè)的有利時(shí)機(jī)，在慕課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，將先進(jìn)制造技術(shù)帶來的新設(shè)備及新工藝方法等及時(shí)融入教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中是保證機(jī)械加工類慕課教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

車銑復(fù)合加工中心(如圖1所示)是現(xiàn)代制造技術(shù)中加工回轉(zhuǎn)體零件的主要加工設(shè)備，車銑復(fù)合加工可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成全部或者大部分加工工序，一方面減少了由于裝夾改變導(dǎo)致的生產(chǎn)輔助時(shí)間，同時(shí)也減少了工裝卡具制造周期和等待時(shí)間，顯著提高生產(chǎn)效率。

圖1 車銑復(fù)合加工中心[1]

Vericut軟件由美國CGTECH公司開發(fā)[2]，是目前國際公認(rèn)的專業(yè)數(shù)控機(jī)床加工仿真軟件，該軟件具有極大的潛力來支持機(jī)械加工類慕課的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。為有效發(fā)揮機(jī)械加工類慕課的特點(diǎn)，本文應(yīng)用基于Vericut的數(shù)字化加工技術(shù)，設(shè)計(jì)與開發(fā)了機(jī)械加工類課程用于傳授工藝知識(shí)的典型零件—接盤的雙主軸車銑復(fù)合加工仿真系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)，核心目的為發(fā)揮Vericut虛擬加工與機(jī)械類慕課的雙重優(yōu)勢，以將先進(jìn)制造技術(shù)有效融入課程的教學(xué)內(nèi)容中。

1 接盤零件的雙主軸車銑加工工藝設(shè)計(jì)

接盤零件是哈爾濱工程大學(xué)機(jī)械制造基礎(chǔ)課程慕課用于講授機(jī)械加工工藝知識(shí)的典型實(shí)例零件(零件如圖2所示)。該零件在課程內(nèi)容中作為盤類零件實(shí)例，通過對(duì)其工藝規(guī)程的制訂使學(xué)生理解與運(yùn)用機(jī)械加工工藝的綜合知識(shí)與技術(shù)，包括典型加工表面加工方案的選擇、工件的定位與裝夾、工藝規(guī)程的制訂與方法等多項(xiàng)內(nèi)容。在目前的教學(xué)內(nèi)容中，接盤零件的工藝方案主要以傳統(tǒng)的機(jī)械加工方案為主[3]。以單件小批加工為例，其加工工藝主要需要應(yīng)用車、銑、鉆等加工方法與設(shè)備，共需要8道工序加工完成。

圖2 接盤零件[3]

由于車銑復(fù)合加工中心具有一次裝夾完成全部或者大部分加工工序的能力，本文設(shè)計(jì)的接盤零件雙主軸車銑加工工藝僅需工件一次裝夾即可全部完成，以充分發(fā)揮車銑復(fù)合加工中心加工盤類零件的優(yōu)勢。接盤零件的雙主軸車銑加工主要通過零件在第一主軸與第二主軸之間的傳遞過程完成接盤零件加工。基本的工藝過程如圖3所示，接盤零件的加工工藝各階段如表1所示。

圖3 零件加工

表1 接盤零件的雙主軸車銑加工過程

所設(shè)計(jì)的接盤零件雙主軸車銑加工仿真系統(tǒng)對(duì)機(jī)械制造基礎(chǔ)課程慕課的建設(shè)與教學(xué)可以起到以下作用。

(1)使學(xué)生接觸到車銑加工中心這一先進(jìn)制造設(shè)備，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與工藝能力進(jìn)行了解，拓展學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣。更為重要的是，讓學(xué)生具體感受到先進(jìn)裝備與技術(shù)對(duì)機(jī)械加工工藝的促進(jìn)與提升。

(2)本文所設(shè)計(jì)的車銑加工工藝及其虛擬加工仿真實(shí)施，可以與課程現(xiàn)有的加工工藝方案進(jìn)行對(duì)比分析，這樣可以提供充分的實(shí)例來具體說明工藝知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用效果。

(3)可以增加先進(jìn)制造技術(shù)融入機(jī)械加工類課程的應(yīng)用實(shí)例，具體如Vericut虛擬加工技術(shù)的應(yīng)用、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法等。

2 接盤零件雙主軸車銑加工仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用Vericut軟件開發(fā)接盤零件的雙主軸車銑復(fù)合仿真系統(tǒng)是一項(xiàng)較為繁雜的工作。包括以下內(nèi)容：構(gòu)建車銑加工設(shè)備為主體的虛擬加工仿真環(huán)境，選擇數(shù)控系統(tǒng)并有效應(yīng)用涉及雙主軸控制的數(shù)控命令，接盤零件在2個(gè)主軸的安裝與對(duì)刀，2個(gè)主軸交換工件的動(dòng)作邏輯實(shí)現(xiàn)，零件交換過程中動(dòng)態(tài)夾持位置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及加工程序編制等。由于本文篇幅關(guān)系，現(xiàn)就2個(gè)關(guān)鍵問題，即虛擬加工仿真環(huán)境構(gòu)建及2個(gè)主軸交換工件的動(dòng)作邏輯實(shí)現(xiàn)加以說明。

2.1 Vericut中的虛擬加工環(huán)境確定

加工設(shè)備采用MAZAK INTERGREX 200IV車銑復(fù)合加工中心，總體的虛擬加工仿真環(huán)境由具體的模板項(xiàng)目文件提供。模板項(xiàng)目文件對(duì)機(jī)床、控制系統(tǒng)、配置了基本加工刀具的刀具文件、基本的對(duì)刀方法進(jìn)行了配置。具體的加工環(huán)境如圖4所示。

圖4 接盤零件的虛擬加工環(huán)境

2.2 兩主軸交換零件時(shí)的動(dòng)作邏輯實(shí)現(xiàn)

工件從第一主軸向第二主軸傳遞的時(shí)候，首先開啟兩個(gè)主軸的同步模式(M513)，然后需要將兩個(gè)主軸的加工工位處于共同的銑削加工模式狀態(tài)下(M200 M300)，然后應(yīng)用交叉軸控制命令(G110)在第一主軸工位控制第二主軸工位的B軸和C軸，然后執(zhí)行兩側(cè)主軸的卡盤開合控制動(dòng)作(M206/M207和M306/M307)，最終實(shí)現(xiàn)工件的傳遞。

應(yīng)用到的主要數(shù)控程序命令如下：

#999=1101.5 (兩個(gè)主軸卡盤端面之間軸向距離)

#100=25 (第二主軸夾持工件位置)

M513 (控制兩個(gè)工件主軸同步)

M200 M300 (兩個(gè)主軸均處于銑削加工模式)

G0 C0.

G110 C2 (交叉軸控制)

G0 C0.

G111 (取消交叉軸控制)

G110 B2 (交叉軸控制)

G28 B0.

G111 (取消交叉軸控制)

M306 (第二主軸卡爪松開)

G110 B2 (交叉軸控制)

G00 B-[#999-#100-50.] (第二主軸快速運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備抓取工件)

G98 G01 B-[#999-#100] F50. (第二主軸運(yùn)動(dòng)至抓取工件位置)

M307 (第二主軸卡爪夾緊)

G111 (取消交叉軸控制)

G4 X3.

M206 (第一主軸卡爪松開)

G4 X2

G110 B2 (交叉軸控制)

G28 B0. (第二主軸返回初始位置)

G111 (取消交叉軸控制)

3 結(jié)語

以慕課為代表的機(jī)械類網(wǎng)絡(luò)開放課程為將先進(jìn)制造技術(shù)融入課程教學(xué)內(nèi)容提供了良好的平臺(tái)與機(jī)遇。高水平慕課教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是非常細(xì)致的工作，本文所開發(fā)的仿真系統(tǒng)只是起點(diǎn)，雖然在系統(tǒng)開發(fā)及相關(guān)慕課建設(shè)過程中已顯示出其作用與潛力，但是仍然需要后續(xù)進(jìn)行大量具體的工作。同時(shí)，以慕課高質(zhì)量教學(xué)內(nèi)容為根基，研究有效融入先進(jìn)制造技術(shù)的課程教學(xué)方法與適應(yīng)慕課的教材建設(shè)，是今后的研究方向與工作內(nèi)容。