五軸加工仿真技術在實訓教學中的應用
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[摘 要] 隨著制造技術的應用和發展，各職業院校開始加大對教學的研究工作，如仿真技術、加工技術等，以提高教學效果，培養技術型的優秀人才。從五軸加工實訓課程的特點出發，首先分析了五軸仿真加工過程和教學實例，然后探討了應用效果和注意事項。
[關 鍵 詞] 五軸加工;仿真技術;實訓教學
[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）11-0228-02
近年來，隨著加工制造業的發展和國家對人才培養要求的提高，各職業院校都加大了實訓教學力度。但是，由于學生多、設備少，一機多人現象比較常見，導致部分學生的操作技能無法得到保證，學習主動性降低。即便部分學生的程序檢驗合格，也會因機床操作出錯，而出現飛刀、撞刀等現象，影響機床的正常運轉。對此，將仿真技術引入實訓教學中，通過各種模擬仿真操作，來鞏固學生知識，鍛煉操作技能。
一、五軸加工實訓課程的特點
實訓教學的主要目的是提高學生技能，滿足學生就業和企業用人的需求。然而，由于五軸加工實訓設備昂貴，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境，影響著實訓教學活動的開展。
一般情況下，數字制造類課程包括操作、編程兩部分，由于五軸機床價格貴，設備配置少，所以可在課堂上完成和機床相關的編程訓練，從而減少對機床設備的需求。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練環節，而五軸加工分為聯動加工、定軸加工，無論是哪種加工方式，都有可能出現機床碰撞的情況。這就要求在執行加工程序前脫機仿真，以驗證程序的準確性。
二、五軸仿真加工過程和實訓教學實例
（一）五軸仿真加工過程
1.建立虛擬五軸數控機床結構模型
使用建模工具建立模型或用實體軟件建模后倒入工具內。以WG-125五軸聯動機床為例，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構關系，并添加了機床導軌、底座、工作臺等模型。
2.建立虛擬五軸數據機床控制系統
打開仿真軟件，自行選擇控制系統。由于本組機床是上海錸鈉克數控系統，規格符合國家標準，只是將擺動軸定為A、C軸，因此只需要修改字地址即可。
3.設置基本參數
虛擬機床的基本參數包括機床行程、初始化位置、碰撞等，可根據機床參數分別設置。當機床在仿真狀態下出現碰撞、超程現象時，相關部件會報警，便于及時發現機床的運行狀況。
4.建立加工刀具庫
通常來講，相應系統都會提供刀具管理器，可管理車刀、銑刀等，完善刀具的相關參數，以明確刀具位置和形狀。具體操作：（1）打開零件，定義毛坯，設置名稱、材料、形狀等。（2）打開零件，安裝夾具，選擇相應夾具。（3）打開零件，放置零件，選擇零件后安裝在機床上，隨后打開位置調整選項，對零件位置進行調整。需注意的是，刀具庫中的加工程序、刀號要相互對應。
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，設置G代碼，分別配置工序偏置。最后，在系統主界面重置模型，點擊仿真按鈕，即可進行仿真加工。將相應的程序文件導入計算機，經由DNC軟件和接口傳輸到實際機床上，調出程序試切，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）五軸加工實訓教學實例
以葉輪加工為例，首先，結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、葉片和輪轂兩個環節。其次，結合零件、工藝要求，科學、合理地選擇切削參數、工具規格和余量。然后，根據設置好的參數，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，檢驗加工質量。一旦出現碰撞現象，立即停止修改程序。最后，現場加工機床。將上述流程所生成的程序，上傳至控制系統中，安裝夾好毛坯并對刀，進行葉輪的切削加工。
三、五軸加工仿真技術在實訓教學中的應用效果和注意事項
（一）應用效果
1.豐富教學內容
在實訓教學中應用五軸加工仿真技術，可幫助學生了解機床結構和類型，掌握數控系統的編程和操作技能，從而更好地理解程序的特殊性、通用性。學生通過加工仿真，不但能獨立操作控制面板，還能自行設置參數、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.節約實習成本
五軸加工仿真技術的應用，幾乎不會出現安全問題，而且在進行數控程序的驗證、機床加工時，也會將安全事故、差錯發生率降至最低，保護學生的人身安全，降低機床折舊率，節約實習成本。
3.優化教學管理
實訓教學中虛擬數控機床的使用，可有效解決人多機少的問題，提高教學效率。同時，還方便分層教學，針對不同的實訓要求選擇合適的仿真模塊教學，完善編程的評價、考核機制。這種情況下，即便學生未完成零部件的加工，教師也能根據結果評定。 4.培養創新能力
五軸加工仿真技術在實訓教學中的應用，可激發學生的學習興趣，調動編程和操作的主動性。多數學生完成相應動作后，獨自、大膽地創新，特別是在創意實施過程中，涌現出了大量創意新穎的零件，增強了學生的創新能力和實踐能力。另外，虛擬數控機床的應用，還能減輕教師頻繁檢查學生加工程序的負擔，使其投入更多時間和精力指導學生自行學習和操作，實現教學相長的目標。
（二）注意事項
1.操作教學問題
所謂虛擬數控機床，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，影響零部件的生產效率和加工質量。學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，了解相應的控制過程和原理。因此，實訓教學中必須充分發揮數控機床的潛能，讓學生放心、大膽地操作機床。
2.安全實習問題
仿真加工中出現的問題不是問題，但是機床加工中出現的問題，則是引發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束后因掉以輕心造成的工件、人身問題。比如，導入數控機床的程序，并不是仿真結果所得的程序，而是未經過仿真檢驗的程序，由于機床和虛擬數控機床在刀寬、刀長等參數上存在一定差異，若將未檢驗的程序直接導入，就會引發各種意想不到的情況，危害機床和人身安全，影響教學效果。因此，必須高度重視實訓教學中的安全問題，盡量在教學活動開展前就排除和處理完不安全因素。
綜上所述，在五軸加工實訓教學中，普遍存在教學難度大、安全事故頻發、機床設備少的現象，不利于教學活動的開展。而仿真技術的引用，可有效提高加工的安全性，減少教學成本，降低操作難度，提高設備利用率。同時，還能培養學生的創新能力，激發學習熱情，提高教學效率。當然，仿真技術也存在一些問題，要求實訓教學中重視程序的準確性和安全問題，從而預防安全事故的發生，保障人身和設備安全。
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編輯 李 靜
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