五軸加工仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

徐煥金

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，各職業(yè)院校開始加大對教學(xué)的研究工作，如仿真技術(shù)、加工技術(shù)等，以提高教學(xué)效果，培養(yǎng)技術(shù)型的優(yōu)秀人才。從五軸加工實訓(xùn)課程的特點出發(fā)，首先分析了五軸仿真加工過程和教學(xué)實例，然后探討了應(yīng)用效果和注意事項。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 五軸加工;仿真技術(shù);實訓(xùn)教學(xué)

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）11-0228-02

近年來，隨著加工制造業(yè)的發(fā)展和國家對人才培養(yǎng)要求的提高，各職業(yè)院校都加大了實訓(xùn)教學(xué)力度。但是，由于學(xué)生多、設(shè)備少，一機多人現(xiàn)象比較常見，導(dǎo)致部分學(xué)生的操作技能無法得到保證，學(xué)習(xí)主動性降低。即便部分學(xué)生的程序檢驗合格，也會因機床操作出錯，而出現(xiàn)飛刀、撞刀等現(xiàn)象，影響機床的正常運轉(zhuǎn)。對此，將仿真技術(shù)引入實訓(xùn)教學(xué)中，通過各種模擬仿真操作，來鞏固學(xué)生知識，鍛煉操作技能。

一、五軸加工實訓(xùn)課程的特點

實訓(xùn)教學(xué)的主要目的是提高學(xué)生技能，滿足學(xué)生就業(yè)和企業(yè)用人的需求。然而，由于五軸加工實訓(xùn)設(shè)備昂貴，課程難度大，涉及面廣，入門困難，加之無法模擬實際的工作環(huán)境，影響著實訓(xùn)教學(xué)活動的開展。

一般情況下，數(shù)字制造類課程包括操作、編程兩部分，由于五軸機床價格貴，設(shè)備配置少，所以可在課堂上完成和機床相關(guān)的編程訓(xùn)練，從而減少對機床設(shè)備的需求。分析得知，編程分為自動編程、手工編程兩種，其中自動編程是主要的訓(xùn)練環(huán)節(jié)，而五軸加工分為聯(lián)動加工、定軸加工，無論是哪種加工方式，都有可能出現(xiàn)機床碰撞的情況。這就要求在執(zhí)行加工程序前脫機仿真，以驗證程序的準(zhǔn)確性。

二、五軸仿真加工過程和實訓(xùn)教學(xué)實例

（一）五軸仿真加工過程

1.建立虛擬五軸數(shù)控機床結(jié)構(gòu)模型

使用建模工具建立模型或用實體軟件建模后倒入工具內(nèi)。以WG-125五軸聯(lián)動機床為例，其組件樹為：

Base>Y>X>Z>Spindle>Tool

Base>A>C>Fixture>Stock>Design

該組件樹描述的是機床的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并添加了機床導(dǎo)軌、底座、工作臺等模型。

2.建立虛擬五軸數(shù)據(jù)機床控制系統(tǒng)

打開仿真軟件，自行選擇控制系統(tǒng)。由于本組機床是上海錸鈉克數(shù)控系統(tǒng)，規(guī)格符合國家標(biāo)準(zhǔn)，只是將擺動軸定為A、C軸，因此只需要修改字地址即可。

3.設(shè)置基本參數(shù)

虛擬機床的基本參數(shù)包括機床行程、初始化位置、碰撞等，可根據(jù)機床參數(shù)分別設(shè)置。當(dāng)機床在仿真狀態(tài)下出現(xiàn)碰撞、超程現(xiàn)象時，相關(guān)部件會報警，便于及時發(fā)現(xiàn)機床的運行狀況。

4.建立加工刀具庫

通常來講，相應(yīng)系統(tǒng)都會提供刀具管理器，可管理車刀、銑刀等，完善刀具的相關(guān)參數(shù)，以明確刀具位置和形狀。具體操作：（1）打開零件，定義毛坯，設(shè)置名稱、材料、形狀等。（2）打開零件，安裝夾具，選擇相應(yīng)夾具。（3）打開零件，放置零件，選擇零件后安裝在機床上，隨后打開位置調(diào)整選項，對零件位置進行調(diào)整。需注意的是，刀具庫中的加工程序、刀號要相互對應(yīng)。

5.仿真過程和定型

首先，添加夾具和毛坯。其次，添加程序文件，設(shè)置G代碼，分別配置工序偏置。最后，在系統(tǒng)主界面重置模型，點擊仿真按鈕，即可進行仿真加工。將相應(yīng)的程序文件導(dǎo)入計算機，經(jīng)由DNC軟件和接口傳輸?shù)綄嶋H機床上，調(diào)出程序試切，若加工出的零部件不符合要求，需要對程序進行修改并仿真檢驗，隨后再進行機床試切，直到零部件符合要求。待零部件加工完成后，再定型加工程序。

（二）五軸加工實訓(xùn)教學(xué)實例

以葉輪加工為例，首先，結(jié)合要求制定加工工藝。葉輪的主要加工部位是分流葉片、葉片和輪轂。參照先粗后精的原則，將加工流程分為粗加工葉輪，精加工流葉片、葉片和輪轂兩個環(huán)節(jié)。其次，結(jié)合零件、工藝要求，科學(xué)、合理地選擇切削參數(shù)、工具規(guī)格和余量。然后，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)，用CAM軟件生成刀路后加工仿真。加工過程中，需要密切觀察操作流程，檢驗加工質(zhì)量。一旦出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，立即停止修改程序。最后，現(xiàn)場加工機床。將上述流程所生成的程序，上傳至控制系統(tǒng)中，安裝夾好毛坯并對刀，進行葉輪的切削加工。

三、五軸加工仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用效果和注意事項

（一）應(yīng)用效果

1.豐富教學(xué)內(nèi)容

在實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用五軸加工仿真技術(shù)，可幫助學(xué)生了解機床結(jié)構(gòu)和類型，掌握數(shù)控系統(tǒng)的編程和操作技能，從而更好地理解程序的特殊性、通用性。學(xué)生通過加工仿真，不但能獨立操作控制面板，還能自行設(shè)置參數(shù)、管理和驗證程序，并在實體仿真后進行加工，提高實踐能力。

2.節(jié)約實習(xí)成本

五軸加工仿真技術(shù)的應(yīng)用，幾乎不會出現(xiàn)安全問題，而且在進行數(shù)控程序的驗證、機床加工時，也會將安全事故、差錯發(fā)生率降至最低，保護學(xué)生的人身安全，降低機床折舊率，節(jié)約實習(xí)成本。

3.優(yōu)化教學(xué)管理

實訓(xùn)教學(xué)中虛擬數(shù)控機床的使用，可有效解決人多機少的問題，提高教學(xué)效率。同時，還方便分層教學(xué)，針對不同的實訓(xùn)要求選擇合適的仿真模塊教學(xué)，完善編程的評價、考核機制。這種情況下，即便學(xué)生未完成零部件的加工，教師也能根據(jù)結(jié)果評定。

4.培養(yǎng)創(chuàng)新能力

五軸加工仿真技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動編程和操作的主動性。多數(shù)學(xué)生完成相應(yīng)動作后，獨自、大膽地創(chuàng)新，特別是在創(chuàng)意實施過程中，涌現(xiàn)出了大量創(chuàng)意新穎的零件，增強了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。另外，虛擬數(shù)控機床的應(yīng)用，還能減輕教師頻繁檢查學(xué)生加工程序的負擔(dān)，使其投入更多時間和精力指導(dǎo)學(xué)生自行學(xué)習(xí)和操作，實現(xiàn)教學(xué)相長的目標(biāo)。

（二）注意事項

1.操作教學(xué)問題

所謂虛擬數(shù)控機床，只是對實際機床的模擬，雖然其編程、操作相似，但是程序在刀具選擇、零部件裝夾、切削用量等方面，仍和實際機床存在差異，影響零部件的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。學(xué)生只有體驗真實的機床加工過程，才能掌握實際的操作技能，了解相應(yīng)的控制過程和原理。因此，實訓(xùn)教學(xué)中必須充分發(fā)揮數(shù)控機床的潛能，讓學(xué)生放心、大膽地操作機床。

2.安全實習(xí)問題

仿真加工中出現(xiàn)的問題不是問題，但是機床加工中出現(xiàn)的問題，則是引發(fā)安全事故的危險因素。仿真并不是萬能的，需要格外注意仿真結(jié)束后因掉以輕心造成的工件、人身問題。比如，導(dǎo)入數(shù)控機床的程序，并不是仿真結(jié)果所得的程序，而是未經(jīng)過仿真檢驗的程序，由于機床和虛擬數(shù)控機床在刀寬、刀長等參數(shù)上存在一定差異，若將未檢驗的程序直接導(dǎo)入，就會引發(fā)各種意想不到的情況，危害機床和人身安全，影響教學(xué)效果。因此，必須高度重視實訓(xùn)教學(xué)中的安全問題，盡量在教學(xué)活動開展前就排除和處理完不安全因素。

綜上所述，在五軸加工實訓(xùn)教學(xué)中，普遍存在教學(xué)難度大、安全事故頻發(fā)、機床設(shè)備少的現(xiàn)象，不利于教學(xué)活動的開展。而仿真技術(shù)的引用，可有效提高加工的安全性，減少教學(xué)成本，降低操作難度，提高設(shè)備利用率。同時，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)效率。當(dāng)然，仿真技術(shù)也存在一些問題，要求實訓(xùn)教學(xué)中重視程序的準(zhǔn)確性和安全問題，從而預(yù)防安全事故的發(fā)生，保障人身和設(shè)備安全。

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編輯 李 靜