劉永鋒

[摘? ? ? ? ? ?要]? 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程、操作技術(shù)較難掌握，加工時(shí)容易發(fā)生碰撞、超程、干涉等現(xiàn)象，學(xué)生在實(shí)操過(guò)程中容易發(fā)生安全問(wèn)題，五軸機(jī)床價(jià)格昂貴，多數(shù)學(xué)校投資設(shè)備少，不易開展大范圍實(shí)操訓(xùn)練。以中職學(xué)校數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)為例，探究虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控五軸加工教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，降低教學(xué)成本，減少操作的安全隱患，拓寬學(xué)生實(shí)操覆蓋面。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)控仿真;五軸聯(lián)動(dòng);VERICUT軟件;實(shí)操教學(xué)

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）15-0170-02

數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國(guó)防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。隨著高精制造業(yè)的不斷發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在航空航天、精密儀器、船舶、發(fā)電等行業(yè)得到了極其廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，為了培養(yǎng)能更好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化需求的數(shù)控專業(yè)人才，各類職業(yè)院校開設(shè)數(shù)控多軸加工課程，采購(gòu)先進(jìn)五軸設(shè)備，開展教育教學(xué)。但由于五軸數(shù)控設(shè)備價(jià)格昂貴，學(xué)校不能大批量裝備，再加上五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的實(shí)操教學(xué)難度大，編程加工時(shí)容易出現(xiàn)碰撞、超程、干涉等現(xiàn)象，易發(fā)生安全事故，實(shí)操教學(xué)不能大面積開展，同時(shí)為了能讓大多數(shù)學(xué)生都參與實(shí)訓(xùn)就需要借助虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行仿真加工來(lái)輔助教學(xué)。

一、虛擬仿真技術(shù)與五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)

（一）虛擬仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬仿真技術(shù)是指在構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上，使用部分仿真軟件模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约霸趯?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)作用下實(shí)現(xiàn)一系列的具體化實(shí)踐操作。隨著虛擬仿真技術(shù)的日漸成熟，其在數(shù)控技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)增多，將數(shù)控仿真軟件應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，VERICUT軟件就是比較典型的數(shù)控仿真軟件。

（二）五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀

裝備制造業(yè)是一國(guó)工業(yè)的基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)以及現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家，也高度重視。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的需要，對(duì)高檔五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床提出了急迫且大量需求。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中知識(shí)結(jié)構(gòu)最廣、難度最大且應(yīng)用范圍最為廣泛的技術(shù)，它是集計(jì)算機(jī)編程控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和高精密加工技術(shù)于一體的精密機(jī)床，主要應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效能、高精密、高自動(dòng)化的加工。在國(guó)際上，通常把五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)作為衡量一個(gè)國(guó)家生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，培養(yǎng)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)專業(yè)人才刻不容緩。

二、數(shù)控五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

1.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，編程、操作難度大，并且容易發(fā)生碰撞、擦撞、超程、干涉等現(xiàn)象。

2.數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)難度大，教學(xué)涉及知識(shí)面比較廣，加工、編程技術(shù)較難掌握，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程中容易發(fā)生安全事故，給實(shí)訓(xùn)操作帶來(lái)了安全隱患。

3.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，多數(shù)學(xué)校投資設(shè)備較少，再加上實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí)有限，不易實(shí)現(xiàn)較大范圍學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作訓(xùn)練，因此也很難讓大部分學(xué)生都能達(dá)到熟練操作機(jī)床的教學(xué)目的。

4.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床按鈕多、操作難度大，再加上編程要求高，而且學(xué)生剛開始操作不太熟練，容易產(chǎn)生誤操作，會(huì)造成機(jī)床非正常的損耗很大，同時(shí)還存在一些安全隱患，給老師和學(xué)生都會(huì)造成很大的心理壓力。

三、基于VERICUT軟件的數(shù)控五軸加工仿真過(guò)程

VERICUT是一款專用的數(shù)控加工仿真軟件。它用三維模型直觀顯示各種機(jī)床、加工刀具、加工零件及各輔助設(shè)備的運(yùn)動(dòng)及位置情況，能直觀、有效、安全地模擬、驗(yàn)證、分析整個(gè)切削過(guò)程，在虛擬的環(huán)境中完成對(duì)NC程序的校驗(yàn)及優(yōu)化。

（一）虛擬五軸數(shù)控機(jī)床仿真模型及仿真系統(tǒng)的建立

VERICUT軟件建立機(jī)床模型的方式有兩種。一種是通過(guò)VERICUT軟件建模工具建立模型，另一種是通過(guò)實(shí)體軟件建立模型之后導(dǎo)入VERICUT軟件。

（二）虛擬機(jī)床基本參數(shù)設(shè)置

仿真的實(shí)體模型建立以后，必須根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況，來(lái)對(duì)機(jī)床進(jìn)行初始化的設(shè)置。包括行程位置、運(yùn)動(dòng)軸限位、換刀等各項(xiàng)參數(shù)，以確保仿真機(jī)床的動(dòng)作與實(shí)際機(jī)床運(yùn)動(dòng)相一致。當(dāng)機(jī)床在虛擬仿真過(guò)程中出現(xiàn)碰撞、干涉及超程時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示，以方便發(fā)現(xiàn)機(jī)床在切削加工過(guò)程中出現(xiàn)狀況。

（三）建立刀具庫(kù)

VERICUT軟件提供了刀具管理庫(kù)，可以有效管理孔加工刀具、銑刀、車刀等，健全了刀具信息，優(yōu)化了對(duì)刀點(diǎn)、刀柄、刀刃和刀片等參數(shù)，可以非常精確地確定刀具的位置和形狀參數(shù)。用戶也可以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)際對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)仿真結(jié)果，找出最優(yōu)的一組參數(shù)保存，從而建立起適合自身機(jī)床或適合刀具實(shí)際狀況的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（四）機(jī)床加工過(guò)程仿真

首先，添加工裝夾具、安裝毛坯;其次，建立工件坐標(biāo)系，設(shè)置G代碼偏置;最后，導(dǎo)入程序，在主界面重置模型，進(jìn)行仿真加工。

（五）仿真分析及加工程序優(yōu)化

仿真分析分為兩項(xiàng)：第一項(xiàng)是對(duì)機(jī)床干涉的分析，此項(xiàng)主要內(nèi)容是檢測(cè)刀具的非切削軌跡與工件之間的干涉、機(jī)床的部件與工件間的干涉等，若存在干涉，軟件會(huì)出現(xiàn)提示，且會(huì)在命令行中顯示干涉所在行，方便分析與處理。第二項(xiàng)是對(duì)機(jī)床加工精度的分析，零件虛擬仿真加工的結(jié)果，可以和加工零件的三維模型進(jìn)行比對(duì)、分析，檢測(cè)欠切和過(guò)切等情況，并顯示結(jié)果。

四、虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

（一）優(yōu)化教學(xué)情境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣

在中職學(xué)校專業(yè)課教學(xué)中，多數(shù)學(xué)校還是以講授、討論、參觀、演示等方式介紹數(shù)控機(jī)床的基本操作方法，這些教學(xué)方法比較傳統(tǒng)、枯燥，由于動(dòng)手操作的內(nèi)容有些操作關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，不可能通過(guò)操作一次性就可以掌握，而通過(guò)演示、講授很多遍，學(xué)生也不會(huì)理解，所以就更難以激發(fā)學(xué)生的操作興趣和學(xué)習(xí)興趣。尤其是數(shù)控五軸的教學(xué)，教學(xué)難度大，涉及知識(shí)面比較廣，技術(shù)較難掌握，編程難度大，在教學(xué)中使用數(shù)控仿真軟件，不僅可以做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，而且授課老師可以使用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行技能操作演示和相關(guān)的理論知識(shí)的分析，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各項(xiàng)操作指令和操作步驟的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以通過(guò)電腦觀看實(shí)訓(xùn)老師的操作演示，逐步進(jìn)行相關(guān)操作。難度大的操作，老師可以進(jìn)行保存工程或者錄屏，學(xué)生可以反復(fù)觀看直到完全掌握。運(yùn)用數(shù)控仿真軟件可以使實(shí)訓(xùn)教學(xué)做到理論與實(shí)操結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，提升實(shí)操效果，為學(xué)生操作機(jī)床打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）化難為易，排查故障，優(yōu)化加工程序

數(shù)控機(jī)床具有操作簡(jiǎn)單、安全性高、容易上手操作等優(yōu)勢(shì)。但是數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)加工具有機(jī)床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、加工時(shí)編程難度大，并且容易發(fā)生碰撞、擦撞、超程、干涉等特點(diǎn)。需要五軸聯(lián)動(dòng)加工的零件一般具有結(jié)構(gòu)、輪廓復(fù)雜的特點(diǎn)，用來(lái)加工具有自由曲面的機(jī)械零部件、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪機(jī)零部件、船用螺旋槳和葉輪、葉片等。而這些零件往往建模、編程難度大，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緣故，在加工時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碰撞、干涉等故障情況，而五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的價(jià)格昂貴，維護(hù)成本高，在學(xué)校教學(xué)中使用，基本上不敢放手讓一個(gè)剛學(xué)習(xí)五軸編程與加工的學(xué)生來(lái)直接操作，如果操作出現(xiàn)失誤或編程有問(wèn)題，后果不堪設(shè)想。通過(guò)VERICUT軟件的使用，可以先在仿真軟件上熟悉機(jī)床界面，達(dá)到對(duì)機(jī)床面板的熟練操作，然后再進(jìn)行程序仿真，檢查程序的正確性。同時(shí)，VERICUT軟件還具有程序速度優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)VERICUT優(yōu)化，可以大大提高加工效率，通常能達(dá)到30%左右。可以減少機(jī)床和刀具磨損，延長(zhǎng)機(jī)床和刀具的使用壽命。優(yōu)化后的程序不需要再通過(guò)人工調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人工干預(yù)，從而真正減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（三）安全便捷，增強(qiáng)信心，提高學(xué)習(xí)效率

數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)加工教學(xué)難度大，涉及知識(shí)面比較廣，技術(shù)較難掌握，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程中容易發(fā)生安全事故，給實(shí)訓(xùn)操作帶來(lái)了安全隱患。由于五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床是高端機(jī)床，價(jià)格昂貴，所以目前我們不能達(dá)到一人一機(jī)床的實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件。為了有效克服此困難，可以在教學(xué)中使用數(shù)控仿真軟件，數(shù)控仿真軟件不僅可以模擬機(jī)床操作的全過(guò)程，也可以對(duì)機(jī)床的誤操作進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，這樣可以幫助學(xué)生找到實(shí)操過(guò)程中出現(xiàn)故障或者誤操作的應(yīng)對(duì)方法。此外，中職學(xué)生初次接觸五軸數(shù)控機(jī)床，剛開始操作時(shí)，雖然會(huì)有專業(yè)老師指導(dǎo)，不免會(huì)出現(xiàn)機(jī)床故障、技術(shù)性失誤或安全事故等問(wèn)題。使用數(shù)控仿真軟件進(jìn)行實(shí)踐操作基礎(chǔ)訓(xùn)練，安全性較高，減少了教學(xué)安全事故發(fā)生。有些學(xué)生初次接觸五軸編程及加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生畏難情緒，不敢大膽地去操作。對(duì)廣大中職學(xué)校的師生來(lái)說(shuō)，在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中使用數(shù)控仿真軟件，可以大幅降低教學(xué)的難度，減少安全隱患，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生操作學(xué)習(xí)的自信心，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的多元化，幫助學(xué)生掌握機(jī)床操作方法，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）降低成本，減少誤操作，提升教學(xué)質(zhì)量

五軸數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，多數(shù)學(xué)校資金投入比較少，加之實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí)有限，不能開展大范圍的實(shí)操訓(xùn)練，因此，就很難讓大部分學(xué)生達(dá)到熟練操作五軸數(shù)控機(jī)床的教學(xué)目的。同時(shí)在長(zhǎng)期數(shù)控專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在剛開始接觸五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床時(shí)，會(huì)比較害怕，主要是因?yàn)槲遢S機(jī)床面板比較復(fù)雜，按鈕多，操作難度大，再加上剛開始操作不太熟練，比較容易產(chǎn)生誤操作，會(huì)造成機(jī)床非正常的損耗很大，而且還存在一些安全隱患，給老師和學(xué)生都會(huì)造成很大的心理壓力。在機(jī)床面板操作的學(xué)習(xí)中，老師的演示操作只是周圍幾個(gè)同學(xué)能夠看清楚，而且學(xué)生不一定都能將聽過(guò)的步驟完成，還需要老師反復(fù)講解，學(xué)生對(duì)一些誤操和程序的錯(cuò)誤作剛開始都無(wú)法自己解決，需要老師不斷指導(dǎo)，也使老師的工作量加大。數(shù)控仿真軟件則可以克服以上困難，誤操作電腦會(huì)報(bào)警，老師會(huì)指導(dǎo)解決問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生撞刀等安全事故。在操作教學(xué)上，老師可以在電腦上一對(duì)多地給所有的學(xué)生同時(shí)演示機(jī)床面板操作，每一個(gè)操作步驟可以一邊教一邊練，學(xué)生鞏固掌握起來(lái)也就會(huì)很快。對(duì)中職學(xué)校數(shù)控專業(yè)的師生來(lái)說(shuō)，數(shù)控仿真軟件的使用，既降低了教學(xué)成本，也減少了誤操作，提高了教育教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)語(yǔ)

將數(shù)控仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控五軸加工實(shí)踐教學(xué)，可減少實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本，減少安全隱患，也可大幅降低教學(xué)的難度，增強(qiáng)學(xué)生機(jī)床操作學(xué)習(xí)的自信心，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的多元化，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。

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編輯 鄭曉燕