基于數(shù)控加工虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)課程研究
——以南京郵電大學(xué)加工中心模塊教學(xué)為例

于譚繼

（南京郵電大學(xué)，江蘇南京 210023）

南京郵電大學(xué)（簡(jiǎn)稱“南郵”）作為一所多學(xué)科、多層次、以工學(xué)為主體的高校，大力培養(yǎng)科技創(chuàng)新水平高和社會(huì)服務(wù)能力強(qiáng)的人才。南郵工程訓(xùn)練中心在新工科背景下著重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、工程創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，開(kāi)展了多學(xué)科交叉融合的實(shí)踐教育[1-3]。

加工中心教學(xué)模塊使用的設(shè)備為4 臺(tái)大連機(jī)床廠制造的FANUC 數(shù)控系統(tǒng)立式加工中心，理論與實(shí)操實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)共計(jì)7 學(xué)時(shí)。由于設(shè)備數(shù)量少、操作復(fù)雜、實(shí)習(xí)學(xué)生人數(shù)較多和空間不足、學(xué)生操作不當(dāng)?shù)仍蚩赡軐?dǎo)致加工中心損壞或造成危險(xiǎn)[4]。以往的課程教學(xué)主要由教師向?qū)W生講授加工中心加工原理、機(jī)床實(shí)際操作技能，以教師演示實(shí)操方式為主，無(wú)法讓每名學(xué)生都親自動(dòng)手操作，模式單一，教學(xué)效果不理想[5]。

目前，數(shù)控編程軟件CATIA、NX、PRO/E、UG、MASTERCAM、HYPERMILL 和POWERMILL 等基本都為國(guó)外軟件。CAXA 制造工程師軟件作為國(guó)產(chǎn)數(shù)控編程軟件雖然起步晚，但經(jīng)過(guò)數(shù)年的完善，使用思維上更符合中國(guó)人的加工習(xí)慣，具有界面操作簡(jiǎn)單、便于上手、功能齊全的特點(diǎn)[6]。筆者提出學(xué)生使用CAXA軟件進(jìn)行作品模型構(gòu)建，在實(shí)際加工之前，利用軟件提供的虛擬加工環(huán)境，對(duì)刀具路徑和材料切除過(guò)程等產(chǎn)品加工過(guò)程進(jìn)行模擬，結(jié)合仿真過(guò)程，將可能遇到的問(wèn)題直觀地顯示出來(lái)，并在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行修改或變更，從而減少真實(shí)加工過(guò)程中的不良狀況，確保加工方法和加工工藝的合理性[7-9]。該模塊教學(xué)將建模、虛擬仿真與實(shí)踐操作教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生從無(wú)到有獲得創(chuàng)意作品，可以使學(xué)生加深對(duì)數(shù)控加工的理解，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，為實(shí)際操作提供安全保障。

1 加工中心教學(xué)模塊虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)方法是理論課在機(jī)房采用多媒體講解，實(shí)踐訓(xùn)練在先進(jìn)制造實(shí)訓(xùn)區(qū)使用加工中心實(shí)踐操作演示。實(shí)踐性強(qiáng)的課程會(huì)受到很多限制，比如教師無(wú)法動(dòng)態(tài)展示加工中心的結(jié)構(gòu)及操作過(guò)程，學(xué)生無(wú)法體會(huì)到真實(shí)實(shí)操的感性認(rèn)知，導(dǎo)致對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)理解困難。實(shí)操課設(shè)備的操作過(guò)程分配到每個(gè)學(xué)生的時(shí)間非常少[10]，每個(gè)班級(jí)約8～10 人一組，共用一臺(tái)加工中心，有的學(xué)生可能沒(méi)有機(jī)會(huì)操作設(shè)備。

1.2 教學(xué)改革方案

工程訓(xùn)練中心考慮到本校學(xué)生均是非機(jī)械專業(yè)的，之前沒(méi)有接觸過(guò)機(jī)械的專業(yè)知識(shí)。為了保證這7 課時(shí)的教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生應(yīng)充分利用課前碎片時(shí)間進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。教師建立QQ 學(xué)習(xí)群，上傳學(xué)習(xí)和軟件資料，線上讓學(xué)生學(xué)習(xí)慕課，線下對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑指導(dǎo)與交流，為學(xué)生學(xué)習(xí)課程奠定良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，教師對(duì)多個(gè)仿真軟件進(jìn)行調(diào)研和學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)比，最終選用了符合本校學(xué)生特點(diǎn)的更友好、更易上手的CAXA 制造工程師軟件輔助教學(xué)。

學(xué)生學(xué)習(xí)軟件后首先進(jìn)行自主創(chuàng)意設(shè)計(jì)，其次在計(jì)算機(jī)上仿真模擬加工過(guò)程中機(jī)床、刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和工件材料的去除動(dòng)態(tài)過(guò)程，并進(jìn)行過(guò)切或者欠切、機(jī)床與夾具、刀具的相干涉過(guò)程檢驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的快速模擬加工[7-9]。待確認(rèn)無(wú)誤后利用后置處理技術(shù)將自動(dòng)編程得到的刀位軌跡轉(zhuǎn)變成加工中心能夠讀取的NC 加工代碼，并存入U(xiǎn) 盤(pán)，將數(shù)控程序?qū)爰庸ぶ行臄?shù)控系統(tǒng)進(jìn)行加工，得到創(chuàng)作成品。最后讓學(xué)生展示自己的作品并分享設(shè)計(jì)思路和加工經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)安排如圖1 所示。

圖1 教學(xué)安排

2 加工中心教學(xué)模塊虛擬仿真教學(xué)示例

2.1 材料和刀具選型

傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)是選取100 mm×100 mm×50 mm的鋁塊，以直徑為Φ6 mm 的立銑刀，對(duì)鋁塊進(jìn)行切削，加工耗時(shí)長(zhǎng)，產(chǎn)生的鋁屑非常鋒利，易劃傷學(xué)生。改革后教學(xué)使用的是45 mm×45 mm×10 mm 的尼龍塊、直徑為Φ0.2 mm 的涂層立銑刀，材料尺寸小、加工效率高、時(shí)間短，產(chǎn)生的尼龍碎屑不傷人。以每班32 人為例，8 人共用一臺(tái)加工中心。根據(jù)學(xué)生創(chuàng)意的不同復(fù)雜程度預(yù)估，平均每人加工時(shí)間約在15 min以內(nèi)，4 臺(tái)加工中心同時(shí)加工共耗時(shí)約120 min。學(xué)生可以在3 個(gè)課時(shí)內(nèi)獨(dú)立操作設(shè)備完成各自的作品。

2.2 創(chuàng)意圖形建模

以CAXA 制造工程師2013 測(cè)試版軟件為例，首先，打開(kāi)軟件，選中左側(cè)特征樹(shù)中的XY 平面，右鍵創(chuàng)建草圖0。選中右側(cè)繪圖工具條矩形按鈕，在對(duì)話框中填寫(xiě)長(zhǎng)度45 mm、寬度45 mm，創(chuàng)建邊長(zhǎng)為45 mm的正方形。再退出草圖，單擊快捷工具欄中特征生成欄里的拉伸增料按鈕，填寫(xiě)固定深度10 mm，點(diǎn)擊確定，創(chuàng)建出尺寸為45 mm×45 mm×10 mm 的毛坯工件[11]。選中毛坯工件上表面單擊右鍵創(chuàng)建草圖1，選中右側(cè)繪圖工具條中文字按鈕，點(diǎn)擊坐標(biāo)系原點(diǎn)，彈出對(duì)話框填寫(xiě)文字“南郵”，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，調(diào)整中文字體為隸書(shū)，字高為20 mm，點(diǎn)擊確定，創(chuàng)建文字“南郵”。選中左下方工具條平移按鈕，點(diǎn)擊兩點(diǎn)、移動(dòng)、非正交指令，框選文字“南郵”，點(diǎn)擊基點(diǎn)，把文字“南郵”移動(dòng)到合適位置。接著選中繪圖工具條整圓按鈕，在文字下方的合適位置畫(huà)一個(gè)半徑為7 mm的圓，選中正多邊形按鈕，在圓內(nèi)畫(huà)一個(gè)內(nèi)接菱形，把圓刪掉，以菱形的上面兩條邊分別為直徑畫(huà)圓，刪掉菱形上面兩條邊長(zhǎng)，選擇造型菜單中曲線編輯里的曲線裁剪功能，把兩圓內(nèi)相交的多余線條刪掉，得到愛(ài)心形狀，其建模圖形如圖2 所示。

圖2 建模

2.3 設(shè)置毛坯

在左側(cè)軌跡管理欄中選中毛坯右鍵，選擇“定義毛坯”，然后按“確定”，如圖3 所示。

圖3 定義毛坯

2.4 編制刀路軌跡

首先對(duì)工件的具體建模設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝分析并確定總工藝路線，其次安排加工的具體工藝工序，根據(jù)工序要求設(shè)定加工參數(shù)、下刀方式、坐標(biāo)系、刀具參數(shù)、幾何參數(shù)等其他加工參數(shù)，最后生成加工刀路軌跡[12]。本教學(xué)示例選擇的是常用加工中的平面輪廓精加工工藝，工藝參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

圖4 工藝參數(shù)設(shè)置

2.5 實(shí)體仿真加工

設(shè)置加工方法后，利用CAXA 軟件在計(jì)算機(jī)上虛擬仿真加工零件并檢驗(yàn)刀路軌跡。在左側(cè)軌跡管理欄中選中屏幕輪廓精加工，右鍵選擇實(shí)體仿真確定，實(shí)體仿真如圖5 所示。

圖5 實(shí)體仿真

2.6 NC 程序生成

實(shí)體仿真確定無(wú)誤后對(duì)工件進(jìn)行后置處理，生成NC 程序，選擇Fanuc 系統(tǒng)，把生成的G 代碼文件保存為txt 格式。后置處理如圖6 所示。

圖6 后置處理

2.7 實(shí)踐操作加工

程序通過(guò)U 盤(pán)傳輸至數(shù)控加工中心設(shè)備對(duì)刀后進(jìn)行加工。示例作品如圖7 所示，學(xué)生的創(chuàng)意作品如圖8 所示。

圖7 示例作品

圖8 學(xué)生創(chuàng)意作品

3 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了虛擬仿真技術(shù)與數(shù)控加工相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)研究，以制作創(chuàng)意雕刻工藝品為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)數(shù)控加工實(shí)踐學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。利用CAXA 制造工程師軟件建模與CAM 數(shù)控加工技術(shù)無(wú)縫集成、能批量化修改刀具軌跡的參數(shù)、后置處理功能可向任何數(shù)控系統(tǒng)輸出通用的NC 程序等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上快速實(shí)現(xiàn)零件的建模和仿真模擬加工，最終完成零件的成品加工[11]。該教學(xué)研究遵循學(xué)生的認(rèn)知、創(chuàng)新思維進(jìn)階發(fā)展的規(guī)律[13]，豐富了虛擬操作的交互體驗(yàn)，提高了數(shù)控加工實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，有效解決了高校實(shí)訓(xùn)數(shù)控裝備短缺等問(wèn)題，降低了加工中心實(shí)操教學(xué)的成本、增強(qiáng)了安全保障，有效提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、建模能力和實(shí)踐操作能力[14]。