虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控五軸加工教學(xué)中的應(yīng)用探究

劉永鋒

[摘? ? ? ? ? ?要]? 五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程、操作技術(shù)較難掌握，加工時容易發(fā)生碰撞、超程、干涉等現(xiàn)象，學(xué)生在實操過程中容易發(fā)生安全問題，五軸機床價格昂貴，多數(shù)學(xué)校投資設(shè)備少，不易開展大范圍實操訓(xùn)練。以中職學(xué)校數(shù)控技術(shù)應(yīng)用專業(yè)為例，探究虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控五軸加工教學(xué)中的優(yōu)勢，通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，降低教學(xué)成本，減少操作的安全隱患，拓寬學(xué)生實操覆蓋面。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)控仿真;五軸聯(lián)動;VERICUT軟件;實操教學(xué)

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2020）15-0170-02

數(shù)控機床是實現(xiàn)先進制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。隨著高精制造業(yè)的不斷發(fā)展，五軸聯(lián)動數(shù)控機床在航空航天、精密儀器、船舶、發(fā)電等行業(yè)得到了極其廣泛的應(yīng)用。近年來，為了培養(yǎng)能更好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化需求的數(shù)控專業(yè)人才，各類職業(yè)院校開設(shè)數(shù)控多軸加工課程，采購先進五軸設(shè)備，開展教育教學(xué)。但由于五軸數(shù)控設(shè)備價格昂貴，學(xué)校不能大批量裝備，再加上五軸聯(lián)動數(shù)控機床的實操教學(xué)難度大，編程加工時容易出現(xiàn)碰撞、超程、干涉等現(xiàn)象，易發(fā)生安全事故，實操教學(xué)不能大面積開展，同時為了能讓大多數(shù)學(xué)生都參與實訓(xùn)就需要借助虛擬仿真技術(shù)，利用數(shù)控仿真軟件進行仿真加工來輔助教學(xué)。

一、虛擬仿真技術(shù)與五軸聯(lián)動技術(shù)

（一）虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬仿真技術(shù)是指在構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上，使用部分仿真軟件模擬真實實驗?zāi)Ｐ鸵约霸趯嶒災(zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)作用下實現(xiàn)一系列的具體化實踐操作。隨著虛擬仿真技術(shù)的日漸成熟，其在數(shù)控技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)增多，將數(shù)控仿真軟件應(yīng)用于實踐教學(xué)中，VERICUT軟件就是比較典型的數(shù)控仿真軟件。

（二）五軸聯(lián)動技術(shù)現(xiàn)狀

裝備制造業(yè)是一國工業(yè)的基石，它為新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)以及現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)提供重要的手段，是重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使是發(fā)達工業(yè)化國家，也高度重視。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展與國防建設(shè)的需要，對高檔五軸聯(lián)動數(shù)控機床提出了急迫且大量需求。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中知識結(jié)構(gòu)最廣、難度最大且應(yīng)用范圍最為廣泛的技術(shù)，它是集計算機編程控制、高性能伺服驅(qū)動和高精密加工技術(shù)于一體的精密機床，主要應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效能、高精密、高自動化的加工。在國際上，通常把五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)作為衡量一個國家生產(chǎn)設(shè)備自動化技術(shù)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，培養(yǎng)五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)專業(yè)人才刻不容緩。

二、數(shù)控五軸加工實訓(xùn)教學(xué)中存在的主要問題

1.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，編程、操作難度大，并且容易發(fā)生碰撞、擦撞、超程、干涉等現(xiàn)象。

2.數(shù)控五軸聯(lián)動加工實訓(xùn)教學(xué)難度大，教學(xué)涉及知識面比較廣，加工、編程技術(shù)較難掌握，學(xué)生在實訓(xùn)操作過程中容易發(fā)生安全事故，給實訓(xùn)操作帶來了安全隱患。

3.五軸聯(lián)動數(shù)控機床價格昂貴，多數(shù)學(xué)校投資設(shè)備較少，再加上實訓(xùn)學(xué)時有限，不易實現(xiàn)較大范圍學(xué)生的實訓(xùn)操作訓(xùn)練，因此也很難讓大部分學(xué)生都能達到熟練操作機床的教學(xué)目的。

4.五軸聯(lián)動數(shù)控機床按鈕多、操作難度大，再加上編程要求高，而且學(xué)生剛開始操作不太熟練，容易產(chǎn)生誤操作，會造成機床非正常的損耗很大，同時還存在一些安全隱患，給老師和學(xué)生都會造成很大的心理壓力。

三、基于VERICUT軟件的數(shù)控五軸加工仿真過程

VERICUT是一款專用的數(shù)控加工仿真軟件。它用三維模型直觀顯示各種機床、加工刀具、加工零件及各輔助設(shè)備的運動及位置情況，能直觀、有效、安全地模擬、驗證、分析整個切削過程，在虛擬的環(huán)境中完成對NC程序的校驗及優(yōu)化。

（一）虛擬五軸數(shù)控機床仿真模型及仿真系統(tǒng)的建立

VERICUT軟件建立機床模型的方式有兩種。一種是通過VERICUT軟件建模工具建立模型，另一種是通過實體軟件建立模型之后導(dǎo)入VERICUT軟件。

（二）虛擬機床基本參數(shù)設(shè)置

仿真的實體模型建立以后，必須根據(jù)機床實際情況，來對機床進行初始化的設(shè)置。包括行程位置、運動軸限位、換刀等各項參數(shù)，以確保仿真機床的動作與實際機床運動相一致。當(dāng)機床在虛擬仿真過程中出現(xiàn)碰撞、干涉及超程時，就會出現(xiàn)報警提示，以方便發(fā)現(xiàn)機床在切削加工過程中出現(xiàn)狀況。

（三）建立刀具庫

VERICUT軟件提供了刀具管理庫，可以有效管理孔加工刀具、銑刀、車刀等，健全了刀具信息，優(yōu)化了對刀點、刀柄、刀刃和刀片等參數(shù)，可以非常精確地確定刀具的位置和形狀參數(shù)。用戶也可以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和生產(chǎn)實際對這些參數(shù)進行調(diào)整，通過仿真結(jié)果，找出最優(yōu)的一組參數(shù)保存，從而建立起適合自身機床或適合刀具實際狀況的數(shù)據(jù)庫。

（四）機床加工過程仿真

首先，添加工裝夾具、安裝毛坯;其次，建立工件坐標(biāo)系，設(shè)置G代碼偏置;最后，導(dǎo)入程序，在主界面重置模型，進行仿真加工。

（五）仿真分析及加工程序優(yōu)化

仿真分析分為兩項：第一項是對機床干涉的分析，此項主要內(nèi)容是檢測刀具的非切削軌跡與工件之間的干涉、機床的部件與工件間的干涉等，若存在干涉，軟件會出現(xiàn)提示，且會在命令行中顯示干涉所在行，方便分析與處理。第二項是對機床加工精度的分析，零件虛擬仿真加工的結(jié)果，可以和加工零件的三維模型進行比對、分析，檢測欠切和過切等情況，并顯示結(jié)果。

四、虛擬仿真技術(shù)在數(shù)控五軸加工實訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢

（一）優(yōu)化教學(xué)情境，增強學(xué)習(xí)興趣

在中職學(xué)校專業(yè)課教學(xué)中，多數(shù)學(xué)校還是以講授、討論、參觀、演示等方式介紹數(shù)控機床的基本操作方法，這些教學(xué)方法比較傳統(tǒng)、枯燥，由于動手操作的內(nèi)容有些操作關(guān)聯(lián)性較強，不可能通過操作一次性就可以掌握，而通過演示、講授很多遍，學(xué)生也不會理解，所以就更難以激發(fā)學(xué)生的操作興趣和學(xué)習(xí)興趣。尤其是數(shù)控五軸的教學(xué)，教學(xué)難度大，涉及知識面比較廣，技術(shù)較難掌握，編程難度大，在教學(xué)中使用數(shù)控仿真軟件，不僅可以做到理論與實踐相結(jié)合，而且授課老師可以使用數(shù)控仿真軟件進行技能操作演示和相關(guān)的理論知識的分析，以強化學(xué)生對各項操作指令和操作步驟的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以通過電腦觀看實訓(xùn)老師的操作演示，逐步進行相關(guān)操作。難度大的操作，老師可以進行保存工程或者錄屏，學(xué)生可以反復(fù)觀看直到完全掌握。運用數(shù)控仿真軟件可以使實訓(xùn)教學(xué)做到理論與實操結(jié)合，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，提升實操效果，為學(xué)生操作機床打下堅實的基礎(chǔ)。

（二）化難為易，排查故障，優(yōu)化加工程序

數(shù)控機床具有操作簡單、安全性高、容易上手操作等優(yōu)勢。但是數(shù)控五軸聯(lián)動加工具有機床的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、加工時編程難度大，并且容易發(fā)生碰撞、擦撞、超程、干涉等特點。需要五軸聯(lián)動加工的零件一般具有結(jié)構(gòu)、輪廓復(fù)雜的特點，用來加工具有自由曲面的機械零部件、汽輪機轉(zhuǎn)子、渦輪機零部件、船用螺旋槳和葉輪、葉片等。而這些零件往往建模、編程難度大，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緣故，在加工時經(jīng)常會出現(xiàn)碰撞、干涉等故障情況，而五軸聯(lián)動機床的價格昂貴，維護成本高，在學(xué)校教學(xué)中使用，基本上不敢放手讓一個剛學(xué)習(xí)五軸編程與加工的學(xué)生來直接操作，如果操作出現(xiàn)失誤或編程有問題，后果不堪設(shè)想。通過VERICUT軟件的使用，可以先在仿真軟件上熟悉機床界面，達到對機床面板的熟練操作，然后再進行程序仿真，檢查程序的正確性。同時，VERICUT軟件還具有程序速度優(yōu)化的優(yōu)點，通過VERICUT優(yōu)化，可以大大提高加工效率，通常能達到30%左右。可以減少機床和刀具磨損，延長機床和刀具的使用壽命。優(yōu)化后的程序不需要再通過人工調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)無人工干預(yù)，從而真正減輕了工人的勞動強度。

（三）安全便捷，增強信心，提高學(xué)習(xí)效率

數(shù)控五軸聯(lián)動加工教學(xué)難度大，涉及知識面比較廣，技術(shù)較難掌握，學(xué)生在實訓(xùn)操作過程中容易發(fā)生安全事故，給實訓(xùn)操作帶來了安全隱患。由于五軸聯(lián)動機床是高端機床，價格昂貴，所以目前我們不能達到一人一機床的實訓(xùn)教學(xué)條件。為了有效克服此困難，可以在教學(xué)中使用數(shù)控仿真軟件，數(shù)控仿真軟件不僅可以模擬機床操作的全過程，也可以對機床的誤操作進行及時報警，這樣可以幫助學(xué)生找到實操過程中出現(xiàn)故障或者誤操作的應(yīng)對方法。此外，中職學(xué)生初次接觸五軸數(shù)控機床，剛開始操作時，雖然會有專業(yè)老師指導(dǎo)，不免會出現(xiàn)機床故障、技術(shù)性失誤或安全事故等問題。使用數(shù)控仿真軟件進行實踐操作基礎(chǔ)訓(xùn)練，安全性較高，減少了教學(xué)安全事故發(fā)生。有些學(xué)生初次接觸五軸編程及加工時，會產(chǎn)生畏難情緒，不敢大膽地去操作。對廣大中職學(xué)校的師生來說，在實踐教學(xué)過程中使用數(shù)控仿真軟件，可以大幅降低教學(xué)的難度，減少安全隱患，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生操作學(xué)習(xí)的自信心，實現(xiàn)教育教學(xué)的多元化，幫助學(xué)生掌握機床操作方法，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）降低成本，減少誤操作，提升教學(xué)質(zhì)量

五軸數(shù)控機床價格昂貴，多數(shù)學(xué)校資金投入比較少，加之實訓(xùn)學(xué)時有限，不能開展大范圍的實操訓(xùn)練，因此，就很難讓大部分學(xué)生達到熟練操作五軸數(shù)控機床的教學(xué)目的。同時在長期數(shù)控專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在剛開始接觸五軸聯(lián)動數(shù)控機床時，會比較害怕，主要是因為五軸機床面板比較復(fù)雜，按鈕多，操作難度大，再加上剛開始操作不太熟練，比較容易產(chǎn)生誤操作，會造成機床非正常的損耗很大，而且還存在一些安全隱患，給老師和學(xué)生都會造成很大的心理壓力。在機床面板操作的學(xué)習(xí)中，老師的演示操作只是周圍幾個同學(xué)能夠看清楚，而且學(xué)生不一定都能將聽過的步驟完成，還需要老師反復(fù)講解，學(xué)生對一些誤操和程序的錯誤作剛開始都無法自己解決，需要老師不斷指導(dǎo)，也使老師的工作量加大。數(shù)控仿真軟件則可以克服以上困難，誤操作電腦會報警，老師會指導(dǎo)解決問題，不會產(chǎn)生撞刀等安全事故。在操作教學(xué)上，老師可以在電腦上一對多地給所有的學(xué)生同時演示機床面板操作，每一個操作步驟可以一邊教一邊練，學(xué)生鞏固掌握起來也就會很快。對中職學(xué)校數(shù)控專業(yè)的師生來說，數(shù)控仿真軟件的使用，既降低了教學(xué)成本，也減少了誤操作，提高了教育教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)語

將數(shù)控仿真技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控五軸加工實踐教學(xué)，可減少實訓(xùn)教學(xué)成本，減少安全隱患，也可大幅降低教學(xué)的難度，增強學(xué)生機床操作學(xué)習(xí)的自信心，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)教育教學(xué)的多元化，提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果。

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編輯 鄭曉燕