數(shù)控加工仿真軟件在數(shù)控實踐教學中的應用①

卜祥麗 黎 冠 李孝平 劉鳳仙

(華北科技學院，北京東燕郊 101601)

0 引言

隨著先進制造技術的飛速發(fā)展，社會對數(shù)控相關技術綜合應用型人才的需求量日益增加。因此很多高校的機制專業(yè)和機電一體化專業(yè)均開設了《數(shù)控技術》等相關課程?！稊?shù)控技術》課程的特點是理論和實踐緊密結合，只有通過操作數(shù)控機床，學生才能深刻理解所學數(shù)控理論知識，提高實際動手操作機床的能力。而數(shù)控機床品種繁多且價格昂貴，一般院校很難配備齊全，實踐教學中存在“人多機少”的問題;同時數(shù)控機床的操作訓練帶有一定的教學安全隱患。因此，越來越多的高校引進數(shù)控模擬仿真軟件［1－2］，進行數(shù)控加工模擬仿真教學［3］，在軟件模擬環(huán)境中完成工件的編程模擬仿真加工。我校引進的上海宇龍數(shù)控加工仿真軟件［4］集多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實技術于一體，利用計算機虛擬動畫技術來模擬實際機床的加工過程。該軟件可以實現(xiàn)對多種數(shù)控系統(tǒng)、多種型號的數(shù)控機床的仿真操作。仿真內容包括:定義毛坯、定義夾具、定義刀具、機床面板操作、程序編制與輸入、軌跡仿真、坐標系設定和仿真加工等。

結合我校教學實際，以典型軸類零件為例，詳細闡述數(shù)控模擬仿真加工零件的操作方法和步驟，深入分析數(shù)控加工模擬仿真軟件在實踐教學中的作用和效果，探索使用模擬仿真軟件進行實踐教學的不足，并提出解決方案，使之更有效的為教學服務。

1 工藝分析與編程

零件加工前應該首先分析典型軸類零件圖(如圖1)，確定加工工藝，編制數(shù)控加工工藝卡片，最后根據數(shù)控加工工藝卡編制零件加工程序(以文本格式保存)，詳細程序如下:

圖1 典型軸類零件圖

2 數(shù)控仿真加工操作

2.1 啟動數(shù)控加工仿真系統(tǒng)

機床選擇:選用機床為“FANUC 0i Mate數(shù)控系統(tǒng)，大連機床廠生產的CKA6136i數(shù)控車床”。

機床回零點操作:系統(tǒng)啟動后，選擇“回零”操作模式，依次手動按下+X和+Z，回零操作完成后，顯示界面X零點和Z零點指示燈亮，同時機床坐標顯示為X600.000，Z1010.000。

2.2 仿真加工前準備工作

2.2.1 定義毛坯并安裝

工具欄中單擊“定義毛坯”，出現(xiàn)圖2所示對話框，根據零件圖紙要求，選擇直徑為Φ32、長度為70的圓柱棒料。工具欄中單擊“放置零件”，選擇已定義好的毛坯，點擊“安裝零件”，并適當調整伸出長度。

圖2 定義毛坯

2.2.2 定義刀具并安裝

工具欄中選擇“選擇刀具”，出現(xiàn)圖3對話框，根據所制的工序卡片定義三把刀具，點擊“確定”完成刀具安裝。

以B鎮(zhèn)2016年節(jié)日皇后的評選為例，在節(jié)日前的1個月內，每個參與的女孩會發(fā)信封給自己的親朋好友，上面寫著“我的愛心禮物”。親朋好友任意在里面塞一些現(xiàn)金，20、50、100比索……金額自定。之后把信封返還給這個女孩。一般人們都會希望自己所熟識的女孩、或者同村的女孩獲勝，因此都會或多或少地表示支持。Rhea是當年的皇后，來自B鎮(zhèn)的50號巴朗蓋，她籌得了15萬比索（約2 200人民幣）?；屎蠹用嵬頃?，她的“侍女團”是獲得第二名、第三名的女孩?；I款募捐的受益者一般是僑民組織、當?shù)貙W校、醫(yī)院、政府等。

2.3 輸入程序

采用DNC傳送方法輸入程序。工作方式選擇在“編輯”模式下，點擊“PROG”→點擊軟件“操作”點擊→點擊軟件“READ”→點擊工具欄中“DNC傳送”，出現(xiàn)打開對話框，選擇已編好的文本格式程序，輸入程序名(如O2013)→點擊“EXEC”即完成程序輸入，如圖4。

圖3 選擇刀具

圖4 輸入程序

2.4 試切法對刀

在數(shù)控加工操作中，最重要的環(huán)節(jié)就是建立工件坐標系，工件坐標系的建立是通過對刀來實現(xiàn)的。對刀方法有多種，本文采用試切法對刀。

2.4.1 外圓車刀對刀操作

驅動主動正傳，將刀架移至安全位置，把需進行對刀操作的01號外圓車刀轉到切削加工位置。

在手輪方式下試切工件右端面至中心(如圖5左所示)，此時保持Z軸不動，刀具沿+X軸向退回，點擊MDI鍵盤上的“Offset setting”鍵，進入刀具補償界面，按軟鍵“形狀”，進入工具補正界面，在番號01對應的Z處輸入“Z0.0”(如圖6所示)，點擊軟鍵“測量”，01號刀具Z軸對刀完成，此時Z軸可隨意移動。

在手輪方式下試車工件外圓一段(如圖5右所示)，此時X軸不動，將刀具沿+Z軸向退出，停主軸后測量被車圓柱面直徑，如圖7所示，記下數(shù)值“X30.620”，點擊MDI鍵盤上的“offset setting”鍵，進入刀具補正界面，按軟鍵“形狀”，進入工具補償界面，在番號01對應的X處輸入“X30.620”，點擊軟鍵“測量”，01號刀具X軸對刀完成，此時X軸可隨意移動。

圖5 外圓車刀對刀操作

圖6 輸入參數(shù)

圖7 測量

將刀架移至安全位置，把需進行對刀操作的02號外切槽刀轉到切削加工位置。

將02號刀沿－Z方向靠近工件右端面，此時由于01號刀已經確定Z軸工件坐標系，所以02號刀不能再次切削右端面，而采用碰刀法。刀具離工件非常近時將手輪的進給倍率調至最小，當在進給過程中看到有切屑飛出時，停止－Z軸的進給(如圖8所示)，點擊MDI鍵盤上的“Offset setting”鍵，進入刀具補正界面，按軟鍵“形狀”，進入工具補正界面，在番號02對應的Z處輸入“Z0.0”，點擊軟鍵“測量”，02號刀具Z軸對刀完成，此時Z軸可隨意移動。

02號刀X軸對刀操作方法同01號刀。

圖8 切槽刀對刀操作

2.4.3 螺紋刀的對刀操作

將刀架移至安全位置，把需進行對刀操作的03號螺紋刀轉到切削加工位置。

由于螺紋刀的刀位點比較特殊，其刀尖正好在刀柄中間，所以螺紋刀X方向的對刀方法同01號外圓車刀。Z方向對刀采用目測法，即螺紋刀在對完X方向后，保持X坐標不動，刀具沿Z軸正方向退刀(刀具快離開工件時，選擇最小進給倍率退刀)，當沒有飛屑飛出(如圖9所示)，表示螺紋刀刀尖剛離開外圓柱面，此時保持Z軸不動，在工具補正界面番號03對應的Z處輸入“Z0.0”，點擊”測量”，完成Z軸對刀。此時保持X坐標不變，刀具沿+Z方向退出，測量被車外圓直徑，將測量值輸入到番號03對應的X處，完成X軸對刀操作。

圖9 螺紋刀對刀操作

2.5 零件自動仿真加工

在編輯模式下調出程序并將光標移至最上方。工作方式選擇“自動模式”，點擊“循環(huán)啟動”進行零件的模擬仿真加工，圖10為仿真加工所得零件成品。

圖10 零件成品

3 教學效果

應用數(shù)控仿真軟件，提高了操作安全性，降低了教學成本。學生多是首次接觸數(shù)控機床，在實際上機操作之前安排數(shù)控模擬仿真加工，學生可以在虛擬的仿真環(huán)境中操作機床，不會因為誤操作帶來人身傷害和機床損壞。通過仿真操作練習，學生提前熟悉了機床操作規(guī)程和操作方法，優(yōu)化了數(shù)控加工工藝，驗證了零件程序和零件加工過程的正確性，然后再去實際操作機床，大大提高了機床操作安全性［5］。數(shù)控仿真軟件的使用安全可靠，起到了模擬真實設備的教學效果，且可以實現(xiàn)各種數(shù)控系統(tǒng)各種型號數(shù)控機床的操作，減少了在數(shù)控設備上資金的投入，也節(jié)省了材料和工具的消耗。

傳統(tǒng)的數(shù)控實踐教學中，教師在數(shù)控機床上演示教學，學生只能圍繞在設備旁邊進行觀看，由于人數(shù)和角度的限制，很難保證所有的學生能夠聽清、看清，教學效果往往不太理想。引進數(shù)控仿真軟件以后，在數(shù)控機房里采用數(shù)控仿真軟件進行模擬教學，利用網絡控制功能，教師能在每個學生的屏幕上演示教學內容，這樣所有的學生均能清楚地觀看并進行模仿，同時也可以實時了解學生的學習情況并對學生進行指導，通過動態(tài)的仿真操作使教學過程易教、易學、易懂，教學效果明顯提高。

4 存在不足

數(shù)控仿真軟件雖然可以進行模擬數(shù)控機床操作，但畢竟和實際機床有區(qū)別，指導教師應使學生認識到這一點，仿真軟件無法替代實際機床，也無法替代學生在實際加工中的真實感受。實際上，在進行數(shù)控仿真加工時，切削用量與真實加工中就有很大的區(qū)別［6］，比如三要素:進給量、切削速度、背吃刀量對加工質量的影響就不能在仿真加工時體現(xiàn)出來。另外在仿真加工中采用自動測量，加工后的工件在測量時是沒有誤差的，但是在實際加工過程中肯定會存在，比如機床、測量、刀具磨損、工件的熱脹冷縮等所帶來的誤差。而且數(shù)控仿真軟件在學生操作時出現(xiàn)重大錯誤或違規(guī)，比如撞車時，只是出現(xiàn)簡單提示，這對于學生安全意識的培養(yǎng)無疑是一個不良的影響，不能夠引起學生的重視。

由于仿真加工操作安全，具有美觀的動畫和效果，學生在實踐過程中容易產生依賴心理，注重于仿真操作，而忽略了實際機床操作，難以取得最佳的實踐教學效果。針對這種情況，指導老師應該科學合理安排訓練時間和訓練內容，在保障教學效果的情況下，盡可能縮短仿真加工時間，把更多的時間留給學生實際操作機床。因此，數(shù)控仿真加工只能作為輔助教學，幫助學生熟悉機床操作，優(yōu)化加工工藝，驗證程序和加工的正確性。

5 結束語

本文通過利用數(shù)控加工模擬仿真軟件加工典型軸類零件，并詳細介紹了軟件的操作方法和步驟，經過幾年的仿真教學實踐表明，通過仿真軟件輔助教學取得了較好的教學效果;同時指出不能過份依賴數(shù)控仿真，忽略實際機床操作。因此，科學、合理地利用好數(shù)控仿真軟件，對于提高數(shù)控實踐教學質量具有極其重要的意義。

［1］ 安榮，張信群.數(shù)控加工仿真技術在實訓教學中的應用［J］.吉林工程技術師范學院學報，2012，(04):67－70

［2］ 王海根，馬劍.仿真軟件在數(shù)控技術課程教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2007， (11):30－32

［3］ 熊毅，王哲，唐建生.數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.制造技術與機床，2011，(12):71－75

［4］ 宇龍數(shù)控加工仿真系統(tǒng)管理員手冊.上海宇龍軟件工程有限公司.2007

［5］ 吳菁.數(shù)控仿真軟件在實訓教學中的應用探析［J］.商業(yè)文化，2011，(12):289

［6］ 林麗萍.合理利用仿真軟件有效提高數(shù)控教學［J］.科技信息，2012，(21):247