張衛(wèi)青 譚儒龍

（重慶理工大學(xué) 重慶 400054）

1 制造業(yè)發(fā)展對(duì)高級(jí)應(yīng)用人才的迫切需求

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，復(fù)雜零件的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，而復(fù)雜零件的制造一直是機(jī)械工業(yè)中的難點(diǎn)，通常需要采用柔性更高的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床尤其是高柔性的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，可以很好適應(yīng)大批量定制生產(chǎn)方式向個(gè)性化定制生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造方向發(fā)展。復(fù)雜零件的制造需要促進(jìn)了多軸數(shù)控加工機(jī)床的廣泛工業(yè)化應(yīng)用，工業(yè)界也對(duì)復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用型人才有更多需求。

復(fù)雜零件由于結(jié)構(gòu)或者型面復(fù)雜（自由曲面）通常無(wú)法采用傳統(tǒng)的手工方式編程加工，同時(shí)加工過(guò)程中為了調(diào)整刀軸矢量以提高加工效率及避免干涉，還需要在四軸或五軸聯(lián)動(dòng)的加工中心上進(jìn)行。熟練掌握這一技術(shù)需要技術(shù)人員有較好的理論基礎(chǔ)，掌握微分幾何、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械制造工藝學(xué)、數(shù)控技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多方面的知識(shí)體系，同時(shí)還需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐積累豐富經(jīng)驗(yàn)。本科畢業(yè)生通過(guò)四年的專業(yè)學(xué)習(xí)基本具備所需的知識(shí)體系，但是由于缺乏有效的加工實(shí)踐鍛煉，畢業(yè)后仍需在工廠進(jìn)行長(zhǎng)期的培訓(xùn)才能勝任這樣的工作。因此迫切需要?jiǎng)?chuàng)新機(jī)械制造專業(yè)本科生培養(yǎng)階段的數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以適應(yīng)制造企業(yè)對(duì)此類數(shù)控技術(shù)高級(jí)應(yīng)用型人才的需求。

2 開(kāi)發(fā)數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性

大多數(shù)高校機(jī)械制造專業(yè)本科設(shè)置了數(shù)控加工實(shí)踐，以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力以及綜合理論知識(shí)的應(yīng)用能力，但是實(shí)踐科目多通過(guò)手工編程完成簡(jiǎn)單機(jī)械零件的數(shù)控加工，很少開(kāi)展復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)課程。其主要原因是多軸數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)所需的五軸加工中心價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)室無(wú)足夠的設(shè)備滿足開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課所需的臺(tái)套數(shù)。鑒于這一情況，考慮目前日益成熟的數(shù)控加工仿真技術(shù)，有必要開(kāi)發(fā)虛實(shí)結(jié)合的多軸數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)解決實(shí)驗(yàn)條件的限制。以復(fù)雜零件的虛擬多軸加工為主線，將其涉及的關(guān)鍵技術(shù)融入實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生較好掌握的復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工的關(guān)鍵理論及操作流程。以軟件操作及虛擬加工為主，同時(shí)輔之少量的實(shí)機(jī)加工操作，使學(xué)生的實(shí)踐能力得到全面鍛煉，真正掌握一門(mén)可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的實(shí)用技能。同時(shí)通過(guò)真實(shí)的工程應(yīng)用形式將相關(guān)理論基礎(chǔ)展現(xiàn)給學(xué)生，更易于理解也能更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3 復(fù)雜零件多軸數(shù)控虛實(shí)加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)復(fù)雜零件的多軸數(shù)控加工技術(shù)在理論基礎(chǔ)及操作流程方面的難度以及在實(shí)驗(yàn)條件方面的限制，研究通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式開(kāi)發(fā)多軸數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)借助成熟的計(jì)算機(jī)軟件引導(dǎo)學(xué)生熟練完成復(fù)雜零件多軸加工各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，鍛煉其實(shí)踐能力，同時(shí)減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)硬件條件的過(guò)度依賴。實(shí)驗(yàn)方案的規(guī)劃如圖1 所示。

通過(guò)分析復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工技術(shù)涉及的有關(guān)微分幾何、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械制造工藝學(xué)、數(shù)控技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等課程的核心知識(shí)，構(gòu)建復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工技術(shù)知識(shí)體系，提煉其理論基礎(chǔ)，并編制其實(shí)驗(yàn)理論教程?？紤]全面鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力的需要，根據(jù)復(fù)雜零件多軸數(shù)控加工技術(shù)中幾何建模、加工工藝規(guī)劃、多軸數(shù)控加工程序編制以及試切等各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的相互聯(lián)系制訂具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，總體包含虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案總體流程

3.1 虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要借助各種專業(yè)軟件，讓學(xué)生在模擬環(huán)境中完成模型構(gòu)建、工藝規(guī)劃、加工等整個(gè)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)流程。虛擬實(shí)驗(yàn)包含：（1）三維建模實(shí)驗(yàn)：主要借助UG/Solid work 等CAD軟件完成，鍛煉學(xué)生對(duì)工程圖紙的理解，并讓學(xué)生熟練掌握三維建模軟件的操作，能夠構(gòu)建典型機(jī)械零件三維特征。同時(shí)掌握貝塞爾、樣條等自由曲線曲面基本原理，能完成部分復(fù)雜曲面類零件特征的構(gòu)建，獲得復(fù)雜零件加工刀路規(guī)劃所需的零件實(shí)體模型。（2）多軸加工刀路規(guī)劃實(shí)驗(yàn)：主要借助UG/Master CAM/ Hypermill 等CAM 軟件完成。讓學(xué)生運(yùn)用機(jī)械加工工藝學(xué)，數(shù)控加工工藝與編程等專業(yè)課程所學(xué)的理論，根據(jù)零件的幾何特征、尺寸及形位公差要求合理制訂機(jī)械加工工藝路線，并完成單個(gè)工步的刀具選擇以及切削工藝參數(shù)計(jì)算，并能夠利用典型計(jì)算機(jī)輔助加工軟件對(duì)各零件特征進(jìn)行合理的刀具加工路徑規(guī)劃。（3）平臺(tái)構(gòu)建與加工仿真實(shí)驗(yàn)：主要借助宇龍、Vericut 等數(shù)控仿真軟件，讓學(xué)生應(yīng)用機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)課程所學(xué)的典型機(jī)械制造裝備工作原理，進(jìn)一步理解數(shù)控機(jī)床的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；應(yīng)用數(shù)控技術(shù)、數(shù)控加工工藝與編程課程所學(xué)進(jìn)一步理解數(shù)控系統(tǒng)工作原理以及程序編制原理；在此基礎(chǔ)上完成三軸、五軸數(shù)控加工仿真平臺(tái)的構(gòu)建，同時(shí)完成機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)定義，刀具以及工件的構(gòu)建和設(shè)定。然后根據(jù)所構(gòu)建的仿真平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)以及控制系統(tǒng)型號(hào)，將數(shù)控加工刀路后置處理為仿真平臺(tái)能夠識(shí)別的數(shù)控加工程序進(jìn)行虛擬加工仿真。最后根據(jù)加工仿真效果（材料的過(guò)切與欠切）對(duì)加工工藝流程及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以上虛擬實(shí)驗(yàn)將相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)理論融合在具體的實(shí)踐操作中，在避免實(shí)機(jī)操作風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，能夠讓學(xué)生完整體驗(yàn)數(shù)控加工的整個(gè)流程，可全面鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識(shí)以及自主解決數(shù)控加工相關(guān)工程問(wèn)題的能力，并可通過(guò)反復(fù)的訓(xùn)練提升其關(guān)鍵技能。

3.2 實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

開(kāi)展實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)的目的主要是讓學(xué)生感受虛擬加工與實(shí)機(jī)加工的區(qū)別，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)真實(shí)加工的體驗(yàn)感，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)相關(guān)理論及技能的掌握。實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)包括實(shí)機(jī)加工實(shí)驗(yàn)和坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在實(shí)機(jī)加工實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生詳細(xì)了解機(jī)床的結(jié)構(gòu)，感受真實(shí)的刀具測(cè)量安裝與對(duì)刀，工件的裝夾與定位，工件坐標(biāo)系的建立與標(biāo)定，數(shù)控程序的導(dǎo)入與執(zhí)行等，通過(guò)實(shí)機(jī)操作讓學(xué)生掌握數(shù)控加工中心的使用，同時(shí)感受真實(shí)加工中的力、熱、振動(dòng)等物理作用。零件加工完畢后進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭標(biāo)定、測(cè)頭測(cè)量路徑規(guī)劃、測(cè)量坐標(biāo)系建立以及典型幾何特征的誤差評(píng)價(jià)等基本技能。通過(guò)測(cè)量獲得零件關(guān)鍵幾何尺寸及形狀特征的偏差，進(jìn)一步感受實(shí)機(jī)加工與仿真加工的區(qū)別，建立加工存在誤差的概念，并在加工各環(huán)節(jié)考慮如何控制誤差保證加工質(zhì)量。

4 效果驗(yàn)證

通過(guò)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)本科生的數(shù)控加工工藝與編程以及數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)中貫穿以上系列數(shù)控虛實(shí)加工實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在完成設(shè)定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)除了需要運(yùn)用理論知識(shí)，還需采用計(jì)算、分析、仿真等多種技術(shù)手段，促使學(xué)生通過(guò)自學(xué)掌握各種計(jì)算、分析以及仿真的多種軟件及硬件工具。通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)的漸進(jìn)積累，多數(shù)學(xué)生可以完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。學(xué)習(xí)積極性較好的學(xué)生收獲更多，在實(shí)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)可以獨(dú)立完成葉片、齒輪等典型復(fù)雜曲面零件的銑削實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行少量培訓(xùn)便可獨(dú)立開(kāi)展工作。綜述表明，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的加工實(shí)驗(yàn)方案可使學(xué)生有效掌握市場(chǎng)廣泛需求的多軸數(shù)控加工先進(jìn)技術(shù)，從而在就業(yè)時(shí)有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。