基于CAD/CAM數(shù)控技術(shù)理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究

尹建閣

（同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程系，浙江 嘉興314051）

為貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展綱要（2010-2020年）》，一定比例的本科高校根據(jù)應(yīng)用型辦學(xué)定位，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)，專(zhuān)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合地方特色，教學(xué)體系建設(shè)體現(xiàn)"應(yīng)用"二字，更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段，強(qiáng)化原有的實(shí)踐環(huán)節(jié)，加大理論課程的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)比重。本科高校數(shù)控技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)特色課程，區(qū)別于高職高專(zhuān)數(shù)控專(zhuān)業(yè)，其課程群相對(duì)不完善，數(shù)控機(jī)床、加工中心等設(shè)備投入不足，因此亟待通過(guò)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)其理論性及實(shí)踐性較強(qiáng)的課程特色，使得學(xué)生掌握必備的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)能夠從事數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品加工、數(shù)控設(shè)備的調(diào)試等生產(chǎn)及管理實(shí)際[1]。本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)代碼繁多且抽象的問(wèn)題，以典型的循環(huán)指令為例，應(yīng)用二維制圖分解毛坯切削具體過(guò)程使代碼參數(shù)圖形化顯示以強(qiáng)化基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，并應(yīng)用宇龍數(shù)控仿真軟件在數(shù)控車(chē)床（FANUC 0i系統(tǒng)）上全程仿真操作增強(qiáng)加工過(guò)程的理解，以及提高數(shù)控程序編寫(xiě)與檢驗(yàn)的能力?；贑AD/CAM的教學(xué)與實(shí)訓(xùn)突出理論聯(lián)系實(shí)際，在現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件下確保實(shí)踐教學(xué)效果，增強(qiáng)了應(yīng)用性人才的能力培養(yǎng)。

1 基于二維制圖的加工程序分解

1.1 零件加工程序

數(shù)控車(chē)床主要用于加工軸盤(pán)類(lèi)等回轉(zhuǎn)體零件，通過(guò)加工程序的運(yùn)行可以自動(dòng)完成外圓柱面、圓錐面、成形面、螺紋和斷面等工序的切削加工[2]。圖1所示零件基本包含了車(chē)削零件的基本特征。根據(jù)零件圖，選擇直徑為52 mm的45鋼作為毛坯，按照外圓車(chē)刀循環(huán)粗車(chē)外圓、外圓車(chē)刀粗精車(chē)圓弧、切槽、螺紋刀循環(huán)切削螺紋及工件切斷的工藝路線(xiàn)，應(yīng)用FANUC所編的粗精加工程序部分如下[2-4]:

O0008

N10 T0101

N20 G98 G0 G54 X200 Z500

N30 M03 S800

N40 M08

N50 X52Z2

N60 G01Z0F200

N70 X-1

N80 G00 X52Z2

N90 G71 U1 R2.5

N100 G71 P110 Q160 U0.5W0.1 F200

…

N180 G70 P110 Q160

N190 G00X200 Z500

N192 T0303

…

N290 T0202

…

N360 T0303

N370 M03S800

N380 G00X38 Z2

N390 G92 X35.3 Z-28 F2

…

N480 T0202

…

N540 M30

圖1 零件圖

1.2 外圓粗車(chē)循環(huán)分步分解

FANUC共有G00-G99共100種G代碼，該程序既包含常用準(zhǔn)備功能代碼，又包含固定循環(huán)功能代碼，如G71外圓粗車(chē)循環(huán)指令、G70精加工循環(huán)指令、G92螺紋切削循環(huán)指令。循環(huán)指令一般涉及參數(shù)較多，循環(huán)次數(shù)與具體加工路線(xiàn)無(wú)法直觀(guān)展示。以程序中常用的的G71指令為例，從程序中僅僅可知每次循環(huán)的背吃刀量為1 mm，退刀量為1 mm，X、Z軸的精加工余量，以及進(jìn)給速度為200 mm/min。實(shí)際上，根據(jù)G71加工路線(xiàn)規(guī)定進(jìn)一步分析可知，對(duì)于本例52 mm的毛坯直徑，一共需要循環(huán)9次完成粗車(chē)加工，第一刀的吃刀量為0.75 mm，第九刀的吃刀量為0.1mm，其余各刀的吃刀量為1mm，然后精加工吃刀0.5mm后得到零件標(biāo)注尺寸。而通過(guò)二維制圖可以進(jìn)一步展示每一次循環(huán)的工進(jìn)（實(shí)線(xiàn)線(xiàn)條）和退刀（虛線(xiàn)線(xiàn)條）軌跡以及加工后的加工面形狀，如圖2所示。

圖2 毛坯切削過(guò)程二維分解

同理可以展示端面粗車(chē)循環(huán)、螺紋切削循環(huán)等加工代碼單次加工的具體軌跡及加工后的零件外形，從而使學(xué)生在課堂上就能深入理解指令的含義，提高學(xué)習(xí)效率。此外，實(shí)踐證明課后讓學(xué)生自行對(duì)循環(huán)指令進(jìn)行加工過(guò)程的二維制圖分解可以明顯加強(qiáng)學(xué)生對(duì)加工代碼的熟練程度。

2 零件加工仿真

2.1 仿真軟件

將仿真技術(shù)引入數(shù)控實(shí)訓(xùn)中，可以模擬真實(shí)的實(shí)訓(xùn)過(guò)程，生動(dòng)展現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的構(gòu)造、工作原理和操作規(guī)程。數(shù)控加工仿真軟件的這一優(yōu)勢(shì)，一方面可以在學(xué)時(shí)緊張的情況下彌補(bǔ)本科教學(xué)缺乏實(shí)際加工認(rèn)知不足的缺陷，在一定程度上增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力；另一方面在機(jī)床、工具及耗材上可以節(jié)約大量成本。對(duì)于非數(shù)控專(zhuān)業(yè)的教學(xué)而言，后者是學(xué)校及專(zhuān)業(yè)發(fā)展考慮的重要因素[5]。目前國(guó)內(nèi)高職高專(zhuān)將仿真技術(shù)運(yùn)用于數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)之中，非常值得本科教學(xué)借鑒。通過(guò)一年多的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生通過(guò)使用仿真軟件，不僅對(duì)各類(lèi)加工工藝、刀具用途及零件成形原理認(rèn)識(shí)加深，而且極大提高了對(duì)數(shù)控編程的重視程度。

2.2 仿真加工

目前國(guó)內(nèi)數(shù)控仿真教學(xué)系統(tǒng)較多，如南京宇航、北京斐克、上海宇龍、廣州超軟、武漢金華等。通過(guò)對(duì)比選擇上海宇龍軟件作為輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)軟件，加工圖1零件步驟如下：選擇機(jī)床→激活機(jī)床→設(shè)置并安裝零件→導(dǎo)入加工程序→對(duì)刀→檢查加工軌跡→自動(dòng)加工。仿真加工過(guò)程中，要求學(xué)生熟悉系統(tǒng)的工作界面以及各功能健用途，掌握對(duì)刀方法并使用手輪精確對(duì)刀。為了進(jìn)一步了解各程序段代碼功能，可以使用“單節(jié)”功能健，以便運(yùn)行程序時(shí)每次執(zhí)行一條數(shù)控指令。

圖3為粗車(chē)毛坯時(shí)所選取的加工工步，（a）左圖為第一次粗車(chē)后從測(cè)量對(duì)話(huà)框中讀取被加工面的直徑為50.5 mm，（a）右圖為第二次粗車(chē)后從測(cè)量對(duì)話(huà)框中讀取被加工面的直徑為48.468 mm，（b）左圖為第九次粗車(chē)（即粗車(chē)循環(huán)最后一刀）后，從測(cè)量對(duì)話(huà)框中讀取被加工面的直徑為36.268 mm，（b）右圖為精車(chē)后，從測(cè)量對(duì)話(huà)框中讀取被加工面的直徑為35.768 mm.與1.2節(jié)外圓粗車(chē)循環(huán)分步分解所分析的尺寸誤差在0.05 mm內(nèi)，主要由于人工對(duì)刀引起。零件加工最終走刀軌跡和加工結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖3 仿真加工及加工面尺寸測(cè)量

圖4 加工軌跡

圖5 零件加工結(jié)果

對(duì)外圓粗車(chē)循環(huán)指令分析并繪制二維圖展示毛坯切削具體過(guò)程，然后對(duì)比仿真加工中分步加工尺寸測(cè)量，可以很好驗(yàn)證編程代碼，對(duì)于初學(xué)數(shù)控編程的學(xué)生印象極其深刻。

此外通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行仿真加工的一組學(xué)生比較注重最終加工零件的形狀，而進(jìn)行二維制圖的一組學(xué)生則更注重代碼中參數(shù)對(duì)走刀的影響。當(dāng)掌握一定數(shù)量零件的加工仿真后，學(xué)生對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)加工程序的編制的興趣及自學(xué)能力得到強(qiáng)化。

3 總結(jié)

本文以外圓粗車(chē)循環(huán)指令為例，實(shí)踐證明學(xué)生通過(guò)熟悉的二維制圖可以快速理解復(fù)雜代碼參數(shù)的具體含義，并通過(guò)數(shù)控加工仿真軟件在熟練機(jī)床操作的同時(shí)提高了數(shù)控程序編寫(xiě)與檢驗(yàn)的能力。對(duì)于限于學(xué)時(shí)及硬件條件的本科高校數(shù)控技術(shù)課程，在課堂及實(shí)訓(xùn)中引入CADCAM輔助教學(xué)，既滿(mǎn)足學(xué)生掌握必備的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的要求，也加強(qiáng)了應(yīng)用型本科高校學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

[1]姚瑞敏.數(shù)控仿真軟件在數(shù)控實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用實(shí)例[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化.2014（2）:194-196.

[2]趙玉岐.FANUC系統(tǒng)中G71指令應(yīng)用的注意事項(xiàng)，

[3]何永華.FANUC系統(tǒng)中車(chē)削循環(huán)指令比較與應(yīng)用研究[J].機(jī)械制造與研究.2009（2）:36-3.

[4]景海平.數(shù)控加工仿真與實(shí)訓(xùn)[M].北京:人民郵電出版社，2015.

[5]胡紹忠等.數(shù)控實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用仿真技術(shù)應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].廣西輕工業(yè).2009（2）:117-120.