基于虛實(shí)結(jié)合的五軸加工技術(shù)實(shí)訓(xùn)方案設(shè)計(jì)

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

2015年國(guó)務(wù)院頒布的《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱要及教職成〔2016〕9號(hào)文件《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》，明確指出要發(fā)展“高檔數(shù)控機(jī)床”并培養(yǎng)該領(lǐng)域高技術(shù)人才[1]。目前，五軸加工技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)、刀軸位姿控制復(fù)雜、設(shè)備昂貴等特點(diǎn)，導(dǎo)致高職教育五軸加工技術(shù)教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在課時(shí)不足、效果不理想等問題。在缺少設(shè)備的現(xiàn)狀下，如何把復(fù)雜的五軸加工技術(shù)引入數(shù)控應(yīng)用技術(shù)課堂成為各高職院校都面臨的問題。筆者以全國(guó)技能大賽賽題為項(xiàng)目載體，基于CAM軟件NXUG10.0與加工虛擬仿真軟件Vericut8.1.1，開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的五軸加工技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

1 實(shí)訓(xùn)資源簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)訓(xùn)硬件

實(shí)訓(xùn)硬件設(shè)備選取日本山崎馬扎克株式會(huì)社生產(chǎn)的型號(hào)為VARIAXS 500-5X II的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心一臺(tái)，普通數(shù)控車床一臺(tái)，四軸立式加工中心一臺(tái)。五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 實(shí)訓(xùn)軟件

常見的CAM軟件有UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、CimatronE、Surfcam、Powermill等。其中，UGNX的刀軸矢量控制更加靈活，所帶的插補(bǔ)刀軸矢量控制和順序銑削等編程功能可以使用戶輕松地完成五軸加工[2]。因此，本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選取UGNX10.0作為CAM軟件。

表1 五軸加工中心技術(shù)參數(shù)

加工虛擬仿真軟件有兩種，一種是CAM軟件自帶的仿真功能模塊，針對(duì)自身產(chǎn)生的刀路軌跡進(jìn)行仿真；另一種是第三方虛擬仿真軟件。目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的是VERICUT，該軟件可以進(jìn)行機(jī)床仿真和刀具軌跡驗(yàn)證，模擬機(jī)床加工過程，避免機(jī)床碰撞事故；還可以對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，改善零件表面質(zhì)量[3-5]。除了考慮教學(xué)效果，也考慮軟件在五軸加工技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)用性，本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選取VERICUT 8.1.1作為虛擬仿真平臺(tái)。

1.3 教學(xué)載體

教學(xué)載體選自第八屆全國(guó)數(shù)控大賽-教師職工組(多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù))樣題，CAD模型如圖1所示。自2008年以來(lái)，技能大賽引領(lǐng)了專業(yè)發(fā)展，大賽資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)素材，推動(dòng)了專業(yè)教學(xué)[6]。全國(guó)技能大賽的賽題內(nèi)容設(shè)計(jì)符合企業(yè)與行業(yè)的生產(chǎn)需求，跟蹤產(chǎn)業(yè)新技術(shù)，貼合現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，可以集中反映職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和崗位要求。第八屆全國(guó)數(shù)控大賽教師職工組多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)賽項(xiàng)的賽題，包含的幾何特征種類多樣，裝配精度要求高。通過該項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生的CAD/CAM技術(shù)、多軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)、加工技術(shù)等都會(huì)有顯著提高。

圖1 第八屆全國(guó)數(shù)控大賽-教師職工組(多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù))樣題CAD模型

2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目面向的學(xué)生是具有一定理論基礎(chǔ)及實(shí)操基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)、模具、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的學(xué)生。在學(xué)生完成數(shù)控機(jī)床操作職業(yè)技能鑒定并取得中級(jí)和高級(jí)之后，開展此實(shí)訓(xùn)課程。實(shí)訓(xùn)總課時(shí)36學(xué)時(shí)。實(shí)訓(xùn)目標(biāo)是提高學(xué)生對(duì)CAD/CAM技術(shù)、刀具、五軸加工操作、五軸機(jī)床參數(shù)設(shè)置、五軸編程、五軸工藝、五軸后置、代碼傳輸、裝配等技能的綜合運(yùn)用能力。項(xiàng)目采用小組形式展開，以學(xué)生實(shí)際操作為主，以老師教學(xué)為輔。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目采取虛實(shí)結(jié)合的方式展開。所謂虛實(shí)結(jié)合是指虛擬仿真與實(shí)際操作交替出現(xiàn)[8-9]。本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛實(shí)結(jié)合的主要理念為：“有虛有實(shí)、先虛后實(shí)、以虛促實(shí)、能虛不實(shí)”，以此來(lái)解決五軸加工中心設(shè)備昂貴，數(shù)量不足的問題。

2.2 項(xiàng)目分解

根據(jù)實(shí)際加工工藝流程把實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目分解成若干個(gè)子項(xiàng)目，具體如表2所示。

3 項(xiàng)目分析

3.1 教學(xué)重點(diǎn)

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目面向的對(duì)象是已經(jīng)完成了數(shù)控機(jī)床操作職業(yè)技能鑒定，并取得中級(jí)和高級(jí)的學(xué)生，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要目的是查漏補(bǔ)缺的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)五軸加工技術(shù)。因此實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的教學(xué)重點(diǎn)主要是五軸加工技術(shù)部分，而對(duì)于五軸加工技術(shù)，定向加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工是最常用的兩個(gè)功能，因此實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的重點(diǎn)是定向加工和五軸聯(lián)動(dòng)加工的相關(guān)指令和編程方法。

表2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目子項(xiàng)目分解表

3.2 教學(xué)難點(diǎn)

五軸加工技術(shù)的難點(diǎn)在于刀具刀軸位姿控制的復(fù)雜性及加工過程干涉的難預(yù)測(cè)性，這使得五軸加工不得不借助于CAM平臺(tái)和虛擬仿真平臺(tái)。其中CAM平臺(tái)NXUG10.0提供了大量的刀路軌跡規(guī)劃方法和刀軸位姿控制方法，是教學(xué)難點(diǎn)。

4 教學(xué)實(shí)施

由于實(shí)訓(xùn)對(duì)象已經(jīng)具備一定知識(shí)技能，因此以學(xué)生為導(dǎo)向的自主應(yīng)用為主，以教師的點(diǎn)撥引領(lǐng)為輔，針對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行逐級(jí)遞進(jìn)的分解教學(xué)指導(dǎo)。以零件“基體”為例，給出實(shí)訓(xùn)過程的知識(shí)分解示例，如表3、表4所示。

4.1 定向加工

五軸定向加工是五軸加工中最經(jīng)常使用的加工方式之一[9]。五軸定向加工指的是在五軸機(jī)床上使刀軸固定在一個(gè)方向上進(jìn)行加工，一般應(yīng)用于粗加工、平面加工，也可以用于無(wú)曲面或者對(duì)曲面加工要求低的型腔精加工。

表3 定向加工重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容分解示例

4.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工

五軸聯(lián)動(dòng)加工是機(jī)床的五個(gè)坐標(biāo)軸在數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工主要用于復(fù)雜曲面的加工。

表4 五軸聯(lián)動(dòng)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容分解示例

4.3 仿真及加工

在虛擬仿真平臺(tái)VERICUT8.1.1的機(jī)床模型庫(kù)中調(diào)取mazak_variaxis500.mch文件，在數(shù)控系統(tǒng)模型庫(kù)中調(diào)取mazatrol_matrix_m.ctl文件。依次將坐標(biāo)系、刀具設(shè)置好，將毛坯、夾具模型和NC程序?qū)隫ERICUT 8.1.1，進(jìn)行虛擬仿真，如圖2所示。

圖2 VERICUT虛擬仿真環(huán)境及仿真結(jié)果

由于機(jī)床設(shè)備短缺，因此經(jīng)過對(duì)虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)比，選拔虛擬切削效果最好的組進(jìn)行實(shí)際加工并裝配，學(xué)生作品如圖3所示。

圖3 優(yōu)秀作品裝配體

5 結(jié) 語(yǔ)

2019年2月13日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，明確提出“職業(yè)院校實(shí)踐性教學(xué)課時(shí)原則上占總課時(shí)一半以上”。五軸加工技術(shù)的實(shí)踐課程如何開展將會(huì)是高職數(shù)控類專業(yè)急需解決的問題。本實(shí)訓(xùn)方案在五軸機(jī)床數(shù)量有限的情況下，采用虛實(shí)結(jié)合，新舊知識(shí)耦合，逐級(jí)分解等教學(xué)方法。經(jīng)過實(shí)際實(shí)訓(xùn)教學(xué)驗(yàn)證，該實(shí)訓(xùn)方案，不僅使學(xué)生鞏固了已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)和技能，而且使深?yuàn)W難懂的五軸加工技術(shù)更易理解，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。