基于虛擬仿真技術(shù)的五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式研究

李杰 譚積明

摘要：隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展和裝備水平的不斷提升，機(jī)械制造業(yè)迫切需要大量高水平的五軸加工技術(shù)人員。結(jié)合行業(yè)需求及五軸加工的特點(diǎn)，提出一種基于虛擬仿真技術(shù)的五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；五軸加工；實(shí)訓(xùn)課程；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-5727（2016）04-0073-03

近年來(lái)，我國(guó)加工制造業(yè)得到了空前發(fā)展，高端數(shù)控設(shè)備的使用已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。五軸數(shù)控機(jī)床作為高端設(shè)備的代表，在我國(guó)制造業(yè)得到了廣泛使用。然而，能夠操作五軸數(shù)控設(shè)備的技A術(shù)人員卻嚴(yán)重短缺。培養(yǎng)技術(shù)人員的職業(yè)院校在五軸加工課程建設(shè)方面的不科學(xué)，是造成技術(shù)人員短缺的主要原因。當(dāng)然，許多職業(yè)院校的教育工作者亦發(fā)現(xiàn)了此問題，并進(jìn)行了相關(guān)改革和研究。但目前大多數(shù)與五軸加工教學(xué)模式相關(guān)的研究都僅適用于各學(xué)校自身，推廣性和復(fù)制性不強(qiáng)。因此，建立一種適用于大多數(shù)職業(yè)院校的五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式具有重大意義。

一、五軸加工實(shí)訓(xùn)課程的特點(diǎn)

實(shí)訓(xùn)的最終目的是全面提高學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)，最終達(dá)到學(xué)生滿意就業(yè)，企業(yè)滿意用人。然而，五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)對(duì)硬件配置的要求較高，開展此類高新技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)訓(xùn)課程一般很難模擬實(shí)際工作環(huán)境，配置昂貴的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。因此，五軸加工實(shí)訓(xùn)課程具有設(shè)備昂貴，不易實(shí)現(xiàn)大范圍教學(xué)；課程難度大，技術(shù)不易掌握；涉及知識(shí)面廣，不易入門等特點(diǎn)。這使得開展五軸加工實(shí)訓(xùn)課程必須首先解決這些問題。

一般數(shù)字制造類實(shí)訓(xùn)課程由編程和操作加工兩大部分組成，由于五軸機(jī)床價(jià)格昂貴，學(xué)校配置數(shù)量很少，因此，課程教學(xué)中與機(jī)床依賴關(guān)系較弱的“編程訓(xùn)練環(huán)節(jié)”可在課堂上完成，以減少對(duì)機(jī)床的需求。首先，數(shù)控編程分為手工編程和自動(dòng)編程兩部分，由于五軸機(jī)床軸數(shù)較多，其中自動(dòng)編程CAM技術(shù)為主要訓(xùn)練環(huán)節(jié)，手工編程為基礎(chǔ)訓(xùn)練環(huán)節(jié)，因此，手工編程與自動(dòng)編程CAM技術(shù)宜分開進(jìn)行訓(xùn)練。其次，五軸加工分“定向加工”和“聯(lián)動(dòng)加工”兩大類，無(wú)論是哪一類加工方式，都容易產(chǎn)生機(jī)床的碰撞和干涉問題。因此，五軸加工程序在執(zhí)行前，需要脫離機(jī)床進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證加工程序的正確性，避免由于程序錯(cuò)誤造成機(jī)床碰撞，所以需要設(shè)置加工仿真環(huán)節(jié)。

二、五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的建立

（一）虛擬仿真系統(tǒng)與教學(xué)模式的建立

由于五軸機(jī)床的體積大，購(gòu)置、維護(hù)及運(yùn)行成本都很高，且與其他數(shù)控設(shè)備相比，危險(xiǎn)程度高，一旦不能正確操作，輕則損壞刀具、刀柄，重則損壞機(jī)床，甚至發(fā)生人身事故。虛擬仿真技術(shù)在五軸加工實(shí)訓(xùn)中的合理采用，在一定程度上可以解決設(shè)備數(shù)量短缺問題，并避免安全事故的發(fā)生。然而，單一仿真軟件教學(xué)與實(shí)際機(jī)床操作不符，且完全依靠計(jì)算機(jī)操作，也不能有效地訓(xùn)練學(xué)生的操作和編程能力。因此，需要將虛擬仿真技術(shù)與五軸機(jī)床的操作加工進(jìn)行合理整合，構(gòu)建一套科學(xué)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式。

五軸加工虛擬仿真系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示，分別是海德漢iTNC530系統(tǒng)編程仿真工作站，CAD/CAM編程與加工軟件及Vericut加工仿真工作站。在仿真系統(tǒng)中，這三個(gè)部分之間可以進(jìn)行NC程序的交互驗(yàn)證和切削仿真訓(xùn)練。其中，基礎(chǔ)教學(xué)可采用海德漢iTNC530系統(tǒng)編程仿真工作站完成仿真訓(xùn)練。高級(jí)教學(xué)由于程序和加工內(nèi)容的難度較高，需要增加另外兩部分內(nèi)容進(jìn)行仿真訓(xùn)練，首先，可在CAD/CAM軟件內(nèi)進(jìn)行編程及仿真訓(xùn)練，然后，將編輯的程序傳入Vericut加工仿真工作站進(jìn)行仿真訓(xùn)練。其次，每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置都有其目的和意義，iTNC530系統(tǒng)編程仿真工作站為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要完成手工程序編輯訓(xùn)練，當(dāng)手工編程訓(xùn)練完成后，學(xué)生可以進(jìn)行五軸機(jī)床操作及加工訓(xùn)練，從而完成基礎(chǔ)教學(xué)。如果學(xué)生需要進(jìn)行高級(jí)學(xué)習(xí)，則需要在虛擬仿真系統(tǒng)中完成CAD/CAM編程及Vericut仿真的訓(xùn)練，具體教學(xué)流程如圖2所示。

（二）課程內(nèi)容的構(gòu)建

以虛擬仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將虛擬仿真系統(tǒng)與五軸機(jī)床操作進(jìn)行合理整合，可在不增加機(jī)床數(shù)量和課程開設(shè)成本的前提下，最大限度地提升學(xué)生對(duì)五軸加工技術(shù)的理解和熟練程度。以此為課程內(nèi)容構(gòu)建目標(biāo)，可建立如圖3所示的五軸加工實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容。

五軸加工實(shí)訓(xùn)課程的內(nèi)容，包括理論知識(shí)與編程、五軸加工仿真、五軸操作與加工三個(gè)部分，與教學(xué)模式流程相對(duì)應(yīng)。基礎(chǔ)教學(xué)需要進(jìn)行理論知識(shí)與編程和五軸操作與加工兩部分知識(shí)的學(xué)習(xí)，高級(jí)教學(xué)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手工編程、CAM軟件、五軸加工仿真、五軸操作幾個(gè)部分的學(xué)習(xí)。

（三）教學(xué)模式有效性的對(duì)比

為驗(yàn)證新教學(xué)模式的有效性，可開展實(shí)驗(yàn)性教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置A、B兩個(gè)組，每組15名學(xué)生，A組教學(xué)按傳統(tǒng)模式，B組教學(xué)采用新模式。實(shí)驗(yàn)要求A、B兩組的30名學(xué)生經(jīng)過基礎(chǔ)、綜合兩項(xiàng)測(cè)試進(jìn)行選拔，這兩項(xiàng)測(cè)試主要對(duì)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)及綜合能力進(jìn)行判定，依照測(cè)試成績(jī)將30名學(xué)生進(jìn)行分組，保證兩個(gè)組學(xué)生的基礎(chǔ)和能力基本一致。依照表1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，表中設(shè)施為我校目前五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備的配備標(biāo)準(zhǔn)，該實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)在不增加實(shí)訓(xùn)設(shè)備的前提下改善五軸教學(xué)的效果并驗(yàn)證新教學(xué)模式的有效性。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比學(xué)生的測(cè)試成績(jī)分析兩種教學(xué)模式的區(qū)別。由于學(xué)生人數(shù)較多，分別對(duì)比離散數(shù)據(jù)難度較大，因此，通過每科平均數(shù)和每人平均數(shù)對(duì)比的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以柱狀圖的形式得出對(duì)比結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)源數(shù)據(jù)，得到處理后的平均數(shù)，分別包括每人平均數(shù)和每科平均數(shù)兩欄數(shù)值，最后，將兩欄數(shù)值進(jìn)行柱狀比較和方差分析處理，見如圖4和下頁(yè)表2所示。

通過對(duì)比A、B兩組學(xué)生從選拔考試開始至學(xué)習(xí)結(jié)束整個(gè)過程中所有的測(cè)試成績(jī)可知，選拔基礎(chǔ)考試和選拔綜合考試A、B兩組學(xué)生的成績(jī)基本一致，從而說明學(xué)生開始學(xué)習(xí)課程前的基礎(chǔ)不存在大的差異。從第一次測(cè)試開始，B組的測(cè)試成績(jī)呈平緩上升的趨勢(shì)，且每次測(cè)試平均分?jǐn)?shù)均高于A組的平均分?jǐn)?shù)，另外，A組的平均分?jǐn)?shù)存在不規(guī)則突變，表明學(xué)生每次測(cè)試時(shí)表現(xiàn)很不穩(wěn)定，不是一個(gè)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程，受測(cè)試難易程度影響較大。

為檢驗(yàn)A、B兩組教學(xué)效果之間的差異，采用方差齊性檢驗(yàn)對(duì)兩個(gè)班每人的平均成績(jī)進(jìn)行對(duì)比。方差齊性檢驗(yàn)又稱作F檢驗(yàn)法，是英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Fisher提出的，主要通過比較幾組數(shù)據(jù)的方差，以確定對(duì)檢驗(yàn)對(duì)象檢驗(yàn)的精密度是否有顯著性差異，從而可得出哪一組教學(xué)效果較優(yōu)。先將A、B兩組的平均分?jǐn)?shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)差求出（見表2），然后假設(shè)兩組教學(xué)效果無(wú)明顯差異，并進(jìn)行F值檢驗(yàn)，過程如下：

假設(shè)H0 ： ？滋A=？滋B

dfb=k-1=1

dfw=nA+nB-k=28

F=■=6.38

其中H0為條件假設(shè)，dfb、dfw為自由度，k為對(duì)象個(gè)數(shù)，nA、nB、nC為對(duì)象人數(shù)，SSb、SSw為方差估計(jì)值。

根據(jù)dfb=1，dfw=28，查F值表，找到F（1，28）0.05=4.2，由于F=6.38>F（1，28）0.05=4.2，則假設(shè)不成立，即A、B兩組教學(xué)效果存在較大差異，B組教學(xué)效果優(yōu)于A組教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于虛擬仿真系統(tǒng)的五軸課程內(nèi)容及教學(xué)模式更加有效。

建立基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)仿真系統(tǒng)，將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)課程中，構(gòu)建五軸加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，根據(jù)教學(xué)模式完善五軸課程內(nèi)容，并對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行合理安排，最后開展教學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，新教學(xué)模式在不增加五軸機(jī)床數(shù)量的前提下，有效地提高了教學(xué)效果。

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（責(zé)任編輯：王恒）

Research on the Teaching Mode of Five-Axis Machining based on Virtual Simulation Technology

LI Jie，TAN Ji-ming

（Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： With the rapid development of manufacturing and equipping level， machinery manufacturing urgently needs a large number of high-level five-axis machining technicians. According to the characteristics of the industry demand and five-axis machining， a new training teaching mode is put forward based on virtual simulation technology for five-axis machining.

Key words： virtual simulation technology；five-axis machining；training courses； teaching mode