基于CAD/CAM數控技術理論與實訓教學研究

尹建閣

（同濟大學浙江學院機械與汽車工程系，浙江 嘉興314051）

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發展綱要（2010-2020年）》，一定比例的本科高校根據應用型辦學定位，加強學生實踐能力培養，專業發展緊密結合地方特色，教學體系建設體現"應用"二字，更新教學內容、教學環節、教學方法和教學手段，強化原有的實踐環節，加大理論課程的實習實訓比重。本科高校數控技術是機械設計制造及其自動化專業的一門專業特色課程，區別于高職高專數控專業，其課程群相對不完善，數控機床、加工中心等設備投入不足，因此亟待通過調整，實現其理論性及實踐性較強的課程特色，使得學生掌握必備的基礎理論和專業知識的同時能夠從事數控機床產品加工、數控設備的調試等生產及管理實際[1]。本文針對數控系統代碼繁多且抽象的問題，以典型的循環指令為例，應用二維制圖分解毛坯切削具體過程使代碼參數圖形化顯示以強化基礎理論學習，并應用宇龍數控仿真軟件在數控車床（FANUC 0i系統）上全程仿真操作增強加工過程的理解，以及提高數控程序編寫與檢驗的能力?；贑AD/CAM的教學與實訓突出理論聯系實際，在現有實訓條件下確保實踐教學效果，增強了應用性人才的能力培養。

1 基于二維制圖的加工程序分解

1.1 零件加工程序

數控車床主要用于加工軸盤類等回轉體零件，通過加工程序的運行可以自動完成外圓柱面、圓錐面、成形面、螺紋和斷面等工序的切削加工[2]。圖1所示零件基本包含了車削零件的基本特征。根據零件圖，選擇直徑為52 mm的45鋼作為毛坯，按照外圓車刀循環粗車外圓、外圓車刀粗精車圓弧、切槽、螺紋刀循環切削螺紋及工件切斷的工藝路線，應用FANUC所編的粗精加工程序部分如下[2-4]:

O0008

N10 T0101

N20 G98 G0 G54 X200 Z500

N30 M03 S800

N40 M08

N50 X52Z2

N60 G01Z0F200

N70 X-1

N80 G00 X52Z2

N90 G71 U1 R2.5

N100 G71 P110 Q160 U0.5W0.1 F200

…

N180 G70 P110 Q160

N190 G00X200 Z500

N192 T0303

…

N290 T0202

…

N360 T0303

N370 M03S800

N380 G00X38 Z2

N390 G92 X35.3 Z-28 F2

…

N480 T0202

…

N540 M30

圖1 零件圖

1.2 外圓粗車循環分步分解

FANUC共有G00-G99共100種G代碼，該程序既包含常用準備功能代碼，又包含固定循環功能代碼，如G71外圓粗車循環指令、G70精加工循環指令、G92螺紋切削循環指令。循環指令一般涉及參數較多，循環次數與具體加工路線無法直觀展示。以程序中常用的的G71指令為例，從程序中僅僅可知每次循環的背吃刀量為1 mm，退刀量為1 mm，X、Z軸的精加工余量，以及進給速度為200 mm/min。實際上，根據G71加工路線規定進一步分析可知，對于本例52 mm的毛坯直徑，一共需要循環9次完成粗車加工，第一刀的吃刀量為0.75 mm，第九刀的吃刀量為0.1mm，其余各刀的吃刀量為1mm，然后精加工吃刀0.5mm后得到零件標注尺寸。而通過二維制圖可以進一步展示每一次循環的工進（實線線條）和退刀（虛線線條）軌跡以及加工后的加工面形狀，如圖2所示。

圖2 毛坯切削過程二維分解

同理可以展示端面粗車循環、螺紋切削循環等加工代碼單次加工的具體軌跡及加工后的零件外形，從而使學生在課堂上就能深入理解指令的含義，提高學習效率。此外，實踐證明課后讓學生自行對循環指令進行加工過程的二維制圖分解可以明顯加強學生對加工代碼的熟練程度。

2 零件加工仿真

2.1 仿真軟件

將仿真技術引入數控實訓中，可以模擬真實的實訓過程，生動展現實訓設備的構造、工作原理和操作規程。數控加工仿真軟件的這一優勢，一方面可以在學時緊張的情況下彌補本科教學缺乏實際加工認知不足的缺陷，在一定程度上增強學生動手能力；另一方面在機床、工具及耗材上可以節約大量成本。對于非數控專業的教學而言，后者是學校及專業發展考慮的重要因素[5]。目前國內高職高專將仿真技術運用于數控實訓教學之中，非常值得本科教學借鑒。通過一年多的實踐發現學生通過使用仿真軟件，不僅對各類加工工藝、刀具用途及零件成形原理認識加深，而且極大提高了對數控編程的重視程度。

2.2 仿真加工

目前國內數控仿真教學系統較多，如南京宇航、北京斐克、上海宇龍、廣州超軟、武漢金華等。通過對比選擇上海宇龍軟件作為輔助實訓教學軟件，加工圖1零件步驟如下：選擇機床→激活機床→設置并安裝零件→導入加工程序→對刀→檢查加工軌跡→自動加工。仿真加工過程中，要求學生熟悉系統的工作界面以及各功能健用途，掌握對刀方法并使用手輪精確對刀。為了進一步了解各程序段代碼功能，可以使用“單節”功能健，以便運行程序時每次執行一條數控指令。

圖3為粗車毛坯時所選取的加工工步，（a）左圖為第一次粗車后從測量對話框中讀取被加工面的直徑為50.5 mm，（a）右圖為第二次粗車后從測量對話框中讀取被加工面的直徑為48.468 mm，（b）左圖為第九次粗車（即粗車循環最后一刀）后，從測量對話框中讀取被加工面的直徑為36.268 mm，（b）右圖為精車后，從測量對話框中讀取被加工面的直徑為35.768 mm.與1.2節外圓粗車循環分步分解所分析的尺寸誤差在0.05 mm內，主要由于人工對刀引起。零件加工最終走刀軌跡和加工結果如圖4和圖5所示。

圖3 仿真加工及加工面尺寸測量

圖4 加工軌跡

圖5 零件加工結果

對外圓粗車循環指令分析并繪制二維圖展示毛坯切削具體過程，然后對比仿真加工中分步加工尺寸測量，可以很好驗證編程代碼，對于初學數控編程的學生印象極其深刻。

此外通過實踐發現，進行仿真加工的一組學生比較注重最終加工零件的形狀，而進行二維制圖的一組學生則更注重代碼中參數對走刀的影響。當掌握一定數量零件的加工仿真后，學生對不同數控系統加工程序的編制的興趣及自學能力得到強化。

3 總結

本文以外圓粗車循環指令為例，實踐證明學生通過熟悉的二維制圖可以快速理解復雜代碼參數的具體含義，并通過數控加工仿真軟件在熟練機床操作的同時提高了數控程序編寫與檢驗的能力。對于限于學時及硬件條件的本科高校數控技術課程，在課堂及實訓中引入CADCAM輔助教學，既滿足學生掌握必備的基礎理論和專業知識的要求，也加強了應用型本科高校學生實踐能力的培養。

[1]姚瑞敏.數控仿真軟件在數控實訓中的應用實例[J].機械工程與自動化.2014（2）:194-196.

[2]趙玉岐.FANUC系統中G71指令應用的注意事項，

[3]何永華.FANUC系統中車削循環指令比較與應用研究[J].機械制造與研究.2009（2）:36-3.

[4]景海平.數控加工仿真與實訓[M].北京:人民郵電出版社，2015.

[5]胡紹忠等.數控實訓中應用仿真技術應該注意的幾個問題[J].廣西輕工業.2009（2）:117-120.