基于虛擬仿真的數控加工技術訓練考評方法研究

李建廣, 周亮, 姚英學

(哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150050)

數控加工技術對制造企業(yè)提高加工質量和生產效率具有重要的意義,目前美國和英國的制造業(yè)超過70%的零部件依賴于數控加工[1]。對于相關專業(yè)的高校畢業(yè)生和技術工人,掌握數控加工技術將獲得較多的就業(yè)機會和較高的薪酬。我國大多數工科大學和職業(yè)技術學校開設了數控加工技術類課程。回歸工程實踐成為高等工程教育發(fā)展的趨勢[2]。Tony Bates[3]系統(tǒng)深入地闡釋了數字化時代教育根本性變化的動因,認為數字化技術成為改變教學方式的核心,以計算機、網絡、信息化、云計算等為技術特點的數字化技術為工程教育提供了一種高效的實現(xiàn)方法[4]。

基于虛擬仿真的數控加工技術培訓受到普遍關注,近年來開發(fā)出了原型系統(tǒng)和商業(yè)應用系統(tǒng)[5-9]。

在國內,多家公司開發(fā)了數控加工培訓系統(tǒng),如斯沃數控仿真軟件和宇龍數控仿真軟件,浙江海特智能科技有限公司基于“視覺上虛擬,操作上真實”的理念研發(fā)了CNC Partner數控培訓機。市場上的基于虛擬仿真的數控培訓系統(tǒng)的功能越來越完善,但如何評價學員自主訓練的效果尚需研究。

本文對基于虛擬仿真的數控加工技術訓練操作過程的評價方法進行研究,實現(xiàn)數控加工技術訓練過程和效果的自動考評,便于學員的自主學習和訓練。

1 數控加工考評功能設計

1.1 數控加工過程分析

一個工件的數控加工過程,包括工藝分析與規(guī)劃、數控編程與仿真驗證、進行數控加工和質量檢驗。

(1) 工藝分析與規(guī)劃主要包括加工階段的劃分、加工面與刀具選擇、切削用量選擇等,在數控編程時需要輸入這些工藝信息。

(2) 數控編程可采用CAM交互編程或手工編程,需考慮工件加工過程的可靠性和加工效率。如采用CAM編程,可直接進行仿真驗證；如采用手工編程,則需要利用第三方仿真系統(tǒng)驗證。

(3) 數控加工與檢驗包括數控程序的載入、對刀、偏置設置、執(zhí)行程序等操作,加工的工件質量檢驗等。

1.2 考評項目分析與系統(tǒng)設計

目前,市場上用于工程訓練的數控加工仿真系統(tǒng)的基本功能相同,主要功能包含機床選擇、刀具管理與配置、對刀、刀具補償、數控程序載入與編輯、加工過程仿真等,而對工藝設計正確與否和數控編程的效率則難以檢查。

一個合格的數控加工人員必須具備機械制造工藝的基礎知識、數控編程和數控機床操作等3方面的知識和技能。學員在數控加工技術的學習和訓練中,也須從以上3方面進行考評。本文擬定的基于數控加工仿真的考評項目和考評功能框架如圖1所示。

圖1 考評項目及考評功能框架

考評項目可集成到數控加工仿真系統(tǒng),按考核項采集設計或操作過程的數據。不同的考評項目采用不同的考評算法,依據收集的數據和對應的參考數據進行評分。

2 考評功能關鍵技術研究

2.1 收集數據記錄與評分參考數據設置

評分參考數據是針對某考評項目的,是對收集數據進行評分的依據。評分參考數據可針對不同的仿真條件，由指導教師進行設置。收集的數據和參考數據可都存放在同一個數據文件中。在本文研究中,數據文件采用Excel表,實現(xiàn)數據的統(tǒng)一管理。Excel表分為3個區(qū)域。

(1) 考核表區(qū)域。該區(qū)域記錄操作步驟、設計/設置數據、檢查/測量數據、為考評項目分配分值、考評評判參考項及其分配的分值等。學員在自評或考核操作過程中,由數控加工仿真系統(tǒng)記錄相關數據并填入考核項目數據域中。

(2) 評分參考數據區(qū)域。即評分中參考的依據,由指導教師根據評分規(guī)則設置。對于數控機床操作的評分,由于每一考核項的操作步驟多少和結果不一樣,評分參考數據的表現(xiàn)形式也各不相同。

(3) 幫助信息區(qū)域。對考評參考數據區(qū)域中各考核項目的考評參考數據進行解釋說明,并為考評算法的編寫提供一致的依據。

2.2 考評數據收集方法

根據前面分析所擬定的考評項目,學生的考評數據可主要按照如圖1所示的考評項目進行收集,收集的信息將在最后的評分環(huán)節(jié)存儲到Excel數據文件中。為了方便輸入和規(guī)范數據,可針對某些考評項目設計數據收集界面。

(1) 工藝規(guī)劃。工藝規(guī)劃是數控編程和保證加工效率和質量的前序工作,主要包括加工階段劃分、加工形式及刀具選擇、切削用量等。用于輸入工藝規(guī)劃信息的界面如圖2所示。

圖2 工藝規(guī)劃信息輸入界面

(2) 數控程序檢查。對給定的零件模型進行數控編程,數控加工仿真系統(tǒng)根據數控編程規(guī)范進行詞法、語法、加工時長、代碼長度等檢查和預測。該考核項目根據學生輸入的數控程序進行檢查和數據分析,給出考核結果并寫入考評Excel數據文件,如圖3所示。

圖3 數控程序檢查

(3) 機床操作。機床操作考評項目包括機床回零位、程序載入、MDI、對刀與偏置設置、自動加工等。當學生選擇進行某一項考評時,數控加工仿真系統(tǒng)自動記錄所有的操作并在特定的文件中保存,為該項操作評分提供信息。

(4) 程序的加工工藝及參數。在仿真過程中,結合數控程序和刀具數據,分析提取加工階段和切削用量,對數控程序中的工藝進行合理性檢查。該項考評主要針對利用固定循環(huán)指令的手工編程。

(5) 尺寸檢查。該項檢查主要用于檢查所編寫的數控程序的正確性。通過尺寸測量界面,對仿真加工后的工件模型進行尺寸測量，測量界面如圖4所示。該尺寸值通過指定尺寸類型和選擇工件模型上測量幾何元素自動獲得。

圖4 尺寸自動測量界面

(6) 其他考評。除以上考評項目外,還可以采用仿真結果圖片直觀地進行初步評判,如三維仿真結果可考察數控程序的正確性,刀具軌跡仿真結果可考察軌跡規(guī)劃的合理性。仿真結果圖片可通過計算機屏幕拷貝獲得。

2.3 評分方法

收集的考評數據可分為規(guī)則輸入類和非規(guī)則輸入類。規(guī)則輸入類數據,如工藝設計數據、尺寸測量數據,通過特定的界面輸入；非規(guī)則輸入類數據,如數控機床操作步驟記錄數據,數據的多少、類型和順序依賴于學生的操作。針對收集的不同考評數據類型,采用不同的評分方法。

2.3.1 規(guī)則輸入類收集數據的評分方法

以尺寸評價為例,規(guī)則輸入類數據評分方法的區(qū)域收集的尺寸D1值為47.995,在考評參考數據區(qū)域中對應的參考值為“48：-0.02；0.02”(“48”為標稱尺寸,“-0.02；0.02”分別為下、上偏差,即合格尺寸區(qū)間為47.980～48.020)。尺寸D1合格,根據考評參考數據區(qū)域中的對應評分,得2分,填入考核表區(qū)域中對應的評分單元中。各尺寸評分之和即為尺寸考評項目的得分,評分方法如圖5所示。

圖5 尺寸測量數據采集與評分

2.3.2 非規(guī)則輸入類收集數據評分

機床操作信息是一種非規(guī)則輸入類數據。學生操作的順序不同,所記錄的操作步驟數據也不同,采用非規(guī)則輸入類數據評分方法。本文采用針對每一考核項建立關鍵操作步驟參考模板,根據關鍵操作步驟的有無和順序進行評分。圖6為機床回零位參考操作關鍵步驟及評分參考模板。

圖6 機床回零位參考操作關鍵步驟及評分參考模板

根據數控加工仿真系統(tǒng)記錄的步驟和對應的模板，采用合適的算法進行評分。非規(guī)則輸入類收集數據評分算法如圖7所示。

圖7 非規(guī)則輸入類收集數據評分算法

2.3.3 總分

數控加工技術訓練考評的成績是各考核項目所得評分的總和。為了各考核項目評分和參考數據設置的方便性,指導教師也可分配各考評項的子項總分,考核項目及其子項的參考評分可自由設定,最后按比例折算得到考評的總評分S,即

式中：n——考評項目數；

Si——考評項目i的子項評分；

m——考評項目i的考評子項數；

si,j——根據參考評分標準得到的考評項目i的子項j評分；

3 結語

數控加工基礎知識及其操作過程的考評以Excel表為考評數據綜合載體,可由用戶設定、自動評分,方法簡單易行,且易于與基于虛擬仿真的數控加工技術訓練系統(tǒng)集成。目前已在浙江海特智能科技有限公司的CNC Partner數控加工技術培訓機上得到集成應用,并已多次應用于數控加工競賽。

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