數控車虛擬仿真實驗實踐教學研究

鄭 祥，王玉勤，陳 宇

(巢湖學院 機械工程學院，安徽 巢湖 238000)

1 簡介

1.1 理論課程

數控技術是是綜合了CAD/CAE/CAM等技術而形成的的一門綜合學科[1]，是自動化機械系統、機器人、柔性制造系統、計算機集成制造系統等高新技術的基礎，也是機械制造業面向新世紀實現技術改造和技術更新，向機電一體化方向發展的必由之路。

課程以機床為載體，工藝為主線將數控加工工藝、數控加工編程、數控機床裝備三大部分有機融為一體，面向機械類本科學生，以培養應用型人才為目標，貫徹“少而精”原則，密切銜接其他專業課程。強調課程基本理論與方法；培養和鍛煉學生基本技能與專業素質；提高學生綜合應用能力。

1.2 虛擬仿真實驗教學中心

數控技術實驗是機械專業本科學生《數控技術》課程的實驗教學環節[2]。通過實驗，學生可以更好的熟悉數控機床的基本原理，掌握簡單刀具軌跡的程序編制，了解一般機械零件的數控加工工藝流程。

為提高學生的參與度，豐富教學內容，同時提供安全和可靠的實驗項目，解決機械類專業學生在實驗實訓課程以及綜合能力培養的過程中面臨的如：機械設備內部結構不易觀察、復雜模具裝配等、實踐訓練學生參與程度低以及訓練成本高、消耗大、存在安全隱患等問題。我校與相關公司聯合建立數控加工虛擬仿真實驗教學中心，如圖1所示。面向機械設計制造及其自動化、機械電子工程、材料成型及控制工程3個專業開展虛擬仿真實驗教學活動，學生通過軟件建模，程序編制以及虛擬加工的方式完成虛擬仿真實驗教學任務。

圖1 虛擬仿真實驗中心

其中數控虛擬仿真加工系統構建了高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，高度還原數控機床，保證每位同學可以參與到數控加工的過程中。學生在老師的指導下，對數控機床組成、基本操作過程，仿真數控加工有了更為直觀和全面的認識，避免加工過程中可能出現的安全性問題。實驗教學主要通過三維設計、程序編制以及虛擬仿真加工完成機械零件的加工，完成相關課程的虛擬仿真實驗，目的在于鍛煉學生獨立思考和動手操作能力，強化數控技術知識結構體系，達到教學大綱所要求的教學效果。

1.3 實驗項目開設

結合理論課程內容共安排6個實驗項目，具體內容及學時安排如表1所示。了解和認識常用的數控機床的組成原理，熟練掌握開機、復位、回零、手動、增量、關機等數控機床基本操作；了解數控車床常用刀具和夾具規格，并熟練掌握數控車床基準刀的對刀方法和數控車床G00， G01，M、S、T等基本指令的使用方法。熟練掌握數控車床單一固定循環指令的使用方法；能運用單一固定循環指令簡化編程，完成階梯軸零件的車削加工，并保證零件的精度。

表1 “數控技術”實驗教學項目及學時安排

2 操作環境

2.1 數控仿真系統組成

數控仿真系統主要是各種仿真軟件組成的，以計算機為載體。具體由操作面板模塊、NC編譯模塊、運動控制模塊、切削計算模塊等部分組成[3]。其中，三維仿真界面更好的展現了刀具切削加工的動態過程，逼真的反映工藝過程中機床、刀具、工件、夾具之間的變化規律，包括實時在線檢測各種幾何誤差。

圖2 虛擬數控車操作面板

2.2 基本原理及操作流程

計算機數控仿真是一種虛實結合的應用技術，需要有一定的數控編程的理論基礎及工藝分析的能力。數控仿真加工通常按以下步驟進行，如圖3所示。整個流程和線下數控實訓的流程基本一致，但規避了實物操作的安全風險，學生可以通過調整不同的切削用量來得到不同的工藝質量，這是線下實訓難以實現的目標。

圖3 虛擬數控車操作流程

3 操作實例

階梯軸是典型的回轉類零件，應用廣泛。工藝特征明顯，非常適合車削加工。工藝結構如環形槽、端面、中心孔、錐面、內外螺紋等，制造過程可以充分體現學生對數控編程的掌握程度。為了充分發揮計算機平臺的優勢，培養學生CAD/CAM的意識及能力。加強計算機輔助軟件的使用，采用UG建模并自動生成初步的NC程序，再修加以修改并導入虛擬仿真軟件平臺中運行。

3.1 三維造型并分析零件工藝性

圖4 虛擬數控車階梯軸三維零件圖

如圖4所示，仔細分析階梯軸的零件工藝性，建立三維實體模型。確定工序順序，車削端面、粗車外圓面/錐面、精車外圓面/錐面、切槽。所用刀具為外圓車刀、切槽刀等。并根據金屬切削手冊查取相應的切削用量。

3.2 開機回參考點并設定坐標系

點按“回零”按鈕，再按 (+Z)和 (+X)按鍵，各軸原點指示燈變亮，即回機床的參考點[4]。通過G90、G91設置相應的絕對坐標系或相對坐標系，如圖5所示。

圖5 設定坐標系

3.3 導入程序自動加工

直接調入UG、PRO-E、Mastercam等CAD/CAM后置處理文件模擬加工。機床操作界面中將方式選擇旋鈕旋到“程序編輯”方式，按下系統面板上的“PROG”鍵，切換到“程序”界面，輸入需自動加工的程序名，按下“INSERT”鍵。將方式選擇旋鈕旋到“自動循環”方式，在控制面板中按下“自動”或“單段”按鍵，按下綠色“循環啟動”按鈕開始自動加工[5]，如圖6所示。

圖6 程序運行狀態

4 總結

虛擬仿真平臺的核心是仿真軟件具有編程和加工功能，學生通過在PC機上編程加工，掌握了典型工藝結構車削的程序編制。可以修改不同的工藝參數，直觀的觀察切削過程的變化，有利于掌握數控技術的基本原理。虛實結合的教學手段大大提高了教學資源的利用效率，打破了傳統課堂時間、空間的固有局限性，尤其對于數控編程實踐能力的鍛煉與提升起重要作用，實現了“反轉課堂”。