面向卓越工程師培養的數控綜合實驗改革

何 俊， 鄧成軍

(四川大學 制造科學與工程學院, 成都 610065)

面向卓越工程師培養的數控綜合實驗改革

何 俊， 鄧成軍

(四川大學 制造科學與工程學院, 成都 610065)

針對卓越工程師培養和企業人才需求，在分析數控實驗教學基礎上，建立以數控系統故障診斷與維修，復雜零件多軸編程，在線檢測三大模塊為依托的數控綜合實驗體系。該體系以主流FANUC和西門子數控系統為對象，開展數控機床控制系統、機械系統故障診斷和機床精度調試實驗，運用UG軟件和數控機床進行整體葉輪四軸計算機編程和加工實驗，并用Powerinspect軟件編制自動在線檢測程序，由測頭檢驗葉輪加工質量。通過該實驗體系，學生圍繞數控機床故障診斷維護、計算機多軸數控編程、在線檢測進行實驗，全面提升數控技術運用能力，取得良好的實驗教學效果。

數控技術； 故障診斷與維修； 數控編程； 在線檢測； 實驗改革

0 引 言

數控技術是機械制造業實現自動化、柔性化和集成化的必要手段，數控技術的發展決定著生產加工的效率、成本和質量，進而影響著企業及其產品在市場中的競爭能力[1]，有人說，21世紀機械制造業的競爭，實質上就是數控技術和數控技術人才的競爭[2]。目前伴隨我國機械制造行業的發展，數控機床已經取代傳統設備成為生產主力，隨之而來的是應用型人才尤其是掌握數控應用技術的高級技能人才的缺失[3]。教育部于2010年6月正式提出“卓越計劃”，旨在培養一大批創新能力強，適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才[4]。傳統的數控教學實驗主要圍繞簡單數控手工編程和三軸數控電腦編程，而且通常采用軟件模擬的方法來驗證程序，這與卓越工程師培養要求相去甚遠， 導致實驗教學與卓越工程師培養脫節，本文在傳統數控實驗教學基礎上面向卓越工程師培養，對數控綜合實驗進行改革，圍繞數控系統故障診斷與維護、多軸數控加工編程、在線檢測開展實驗教學。

1 數控實踐教學現狀

在當前我國高校數控教學不同程度的開展實踐教學，形式多樣，按內容主要分為3個方面：① 數控機床的結構和原理，主要了解數控機床的結構特點和工作原理，方便機床操作；② 數控機床的操作，在老師指導下進行機床操作和數控加工準備工作；③ 數控機床的編程，通過手動方式或電腦編程獲得數控程序，通過軟件模擬或真實機床加工驗證程序的正確性。

以上傳統數控實踐教學，可以讓學生了解數控機床和進行簡單的數控編程，了解數控代碼的含義，加深課本知識的理解。但是卓越工程師計劃需要培養能夠適應社會發展的工程技術人才，顯然傳統的數控實驗教學無法適應卓越工程師計劃，為此針對當今企業的真實需求，開展數控綜合實驗教學改革。

2 數控綜合實驗方案設計

數控技術集機械、電子、電氣控制、計算機技術于一體，有很強的綜合性，對實驗教學要求較高[5-6]。傳統的數控實驗教學模式只是對數控機床的結構進行了解，對簡單零件進行手工編程了解各代碼的內涵，零件精度檢測也停留在簡單的量具測量上，這就導致本科生數控課程培養停留在基礎認知上，缺乏有效的實驗體系，培養企業所亟需的工程師。

伴隨目前數控技術的發展，也暴露出機械行業在數控技術專業技能人才的缺失和高校培養模式不能滿足企業需求的矛盾，企業面臨著數控機床故障無法自己維護，復雜零件多軸加工編程力量不足，零件加工檢測能力低下等一系列問題，針對這些問題，從培養卓越工程師出發，對數控技術實驗教學做出以下改進：

(1) 增設數控機床故障診斷維護與優化綜合實驗，該實驗主要培養學生對數控機床電氣、機械故障識別、維護的能力，同時優化機床參數，提高設備性能。數控機床和普通機床區別較大，其控制系統功能強大結構復雜，一旦發生故障，企業無法依托自身實力排除故障，造成長時間停機等待，這就要求企業設備維護隊伍具有數控設備故障排除能力，為此針對性開展有關實驗。

(2) 復雜零件多軸數控加工工藝和編程實驗：該實驗主要培養學生復雜零件的數控加工工藝分析和多軸加工數控程序編制技能。復雜零件需要多軸加工設備才能保證其要求，但一方面多軸設備在高校十分罕見，同時由于設備貴重，往往不針對本科生開展實驗，只進行簡單的三軸加工實驗，甚至是手工編程加工，實驗教學落后，為解決這一問題開展數控多軸加工實驗。

(3) 零件在線檢測實驗：該實驗主要培養學生機械加工零件在線檢測方法和測量程序編制能力。傳統的零件檢測方法，需要熟練掌握各種量具的使用，費時費力，而且零件超差無法修復只能報廢，批量零件只能抽查，無法嚴格保證加工質量。在線檢測技術是一項新興技術，通過該技術可以提高零件加工精度和縮短測量時間，還可以作為數控程序一部分實現自動測量，大大提高效率，為此開設在線檢測實驗。

綜上，數控綜合實驗涵蓋設備維護，多軸加工編程和在線檢測，對學生進行針對性培養。

3 實驗體系總體設計

3.1 數控機床故障診斷維護與優化

此模塊主要圍繞當前主流的西門子和FANUC系統展開，包含了控制系統、機械系統和檢測系統3個方面設計實驗子項目，完成控制系統故障檢修、機械系統檢修和機床精度調試等實驗項目。該部分實驗項目的開展依托南京翼馬數控有限公司生產的拆裝機床、伺服原理實驗系統、數控機床機電綜合實訓系統，以及VL1060A立式加工中心，所開展的實驗項目如圖1所示。

圖1 數控機床故障診斷維護與優化實驗體系

本實驗體系控制系統模塊通過伺服參數調試實驗來明確各伺服參數對伺服電機的影響，從伺服電機開環、閉環、前饋、反饋控制入手，明確伺服電機參數優化。在以當前主流數控系統為基礎，利用數控機床機電綜合實訓系統，掌握主流數控系統的參數設置、電路連接方式方法，同時依托操作臺上的開關按鈕，屏蔽PLC信號，造成系統故障模擬數控系統故障以實現故障診斷目的。通過該模塊的實驗教學，學生掌握伺服電機參數優化，主流數控系統參數設置和故障診斷與維護，解決控制系統問題。

機械系統模塊，通過專用軟件模擬現代數控機床結構和拆裝過程，同時依托拆裝用數控車床、銑床開展拆裝實驗，了解現代數控機床的機械結構特點和絲杠螺母副、導軌副的安裝和精度修配、測量方法，掌握絲杠預緊和機械結構幾何精度調整方法，通過該模塊的實驗主要掌握數控機床機械結構的調整方法。

檢測系統模塊通過雷尼紹球桿儀檢測機床精度，同學們通過實驗掌握球桿儀的使用和利用球桿儀檢測機床各坐標軸的幾何精度、定位精度和兩軸連動精度，通過測試數據進行分析，從而對數控系統參數和機械結構進行調整，達到機床精度優化的目的。

3.2 復雜零件多軸數控加工工藝和編程

數控加工技術正朝著高速化、高精度化、復合加工和智能化等方向發展[7]，多軸加工相對于傳統的三軸加工，刀具軸相對于工件的姿態角可以隨時調整，避免干涉，過切，欠切，可大大提高加工效率，成為關鍵復雜型面精加工的主要解決方法。經過十多年的發展，多軸加工設備逐步進入本科實驗教學，但多軸加工難度大，教學案例缺乏，實驗效果不理想。針對數控多軸加工研究和教學需要，選擇合適的模型，開展數控多軸編程加工實驗。

整體式葉輪數控加工一直是制造業的一個重要課題[8]，其形狀復雜，相鄰葉片空間狹小，容易造成刀具和加工表面干涉，針對葉輪加工的研究較多。為此選用整體式葉輪作為實驗模型。

UG NX集CAD/CAM/CAE于一體的大型工程軟件，在國內運用范圍廣泛，為此選用通用的解決數控銑、加工中心編程的UG軟件[9-10]進行編程，并可通過UG的加工仿真功能交互式的模擬演示材料按數控刀軌去除過程[11-12]，刀路流暢并且模擬驗證無碰撞無過切后，在TH6350M臥式加工中心和VL1060A立式加工中心(添置數控橋式分度頭)上進行四軸加工，以檢驗編程效果。四軸加工機床成本低于五軸設備且介于定軸加工和五軸加工之間，它相比傳統三軸加工而言屬于變軸加工，但是相比五軸加工其功能受限，在進行葉輪加工時，刀路規劃難度較大，通過實驗可以讓學生盡快掌握多軸編程技巧。

葉輪四軸加工加工工藝和編程流程如圖2所示，具體步驟如下：

加工工藝規程制定：葉輪毛坯通過車加工獲得，葉輪主要加工部位為流道、葉片、根部圓角。為此葉輪加工遵循先粗后精，先主后次的原則，安排先整體粗加工，流道、葉片半精加工，流道、葉片精加工和清根工藝過程。

圖2 葉輪四軸加工工藝

自動編程通用設置：葉輪加工通用設置主要包括建立坐標系、葉輪模型、葉輪毛坯模型，安全平面設定，刀具創建等設置。這一部分的設置是所有UG自動編程通用設置過程，其中刀具設定手四軸加工限制，其刀具切削刃長度較長，為此刀具選用受一定限制，選用立銑刀開粗，球頭刀進行后續加工。

葉輪整體粗加工編程：整體葉輪粗加工編程考慮到其效率，采用三軸半加工的方法，流道加工采用定軸輪廓銑實現，加工一個流道之后A軸旋轉固定角度繼續加工下一個流道，為盡量去除余量可進行二次開粗。由于流道、葉片為陣列構成，為此可用刀軌陣列實現所有流道編程。

葉輪流道、葉片半精加工：三軸半開粗的方式。

勢必導致流道和葉片局部余量過大，為此對流道和葉片進行半精加工處理。四軸加工屬于變軸加工，和定軸加工一樣，自動編程需要選擇驅動方式和投影矢量，而且還需控制刀軸矢量。UG提供了多種的驅動方式、投影矢量和刀軸矢量，針對葉輪加工采用可變軸輪廓銑方式進行半精加工，采用曲面驅動，朝向驅動體作為投影矢量，插補矢量控制刀軸。插補矢量可以自己設定不同位置刀軸矢量，在此四軸加工實驗中必須將所有的插補矢量繞Y軸的轉動設為零，同時經過多次矢量調整和進刀、出刀方式調整，方可得到理想的刀路。

流道、葉片精加工和清根處理：精加工是為了保證零件最終尺寸和提高表面質量，其編程方法與半精加工類似，只是刀路更密集。

切削過程仿真：UG自帶模擬機床，適當修改參數和進行設定，模擬機床和實驗所用機床一致，切削過程仿真模擬完全可以檢驗加工過程干涉等情況，程序無誤后便可進行生成數控程序進行加工。

上機加工：得到數控程序后，便可將程序導入機床，建立與編程一致的坐標系后，便可進行實際加工驗證實驗結果。

圖3所示展示了實驗過程中葉輪自動編程刀路及加工實體零件。

(a)葉輪模型(b)開粗及二次開粗刀路

(c)流道半精精加工刀路(d)葉片半精加工刀路

(e) 流道精加工刀路

(f) 葉片精加工刀路

(g) 清根精加工刀路

(h)仿真結果(i)數控代碼(j)葉輪加工結果

圖3 葉輪四軸自動編程實驗過程展示

通過開展四軸數控編程實驗，學生們掌握基礎數控加工工藝規劃和使用軟件進行自動編程的流程，同時通過復雜葉輪編程掌握多軸編程方法。由于葉輪四軸編程刀路規劃比五軸復雜，在實驗過程中需要不斷去調試刀軸矢量，難度較大，對以后多軸加工編程學習大有裨益。

3.3 加工過程在線檢測實驗

檢測是機械加工過程中必不可少的環節，雖然數控機床本身具有較高精度，而且通過程序來控制機床的運動減少人工因素，大大提高了加工的精度。但是加工過程中存在讓刀、加工變形等因素影響實際加工精度，所以在加工過程中我們需要不斷進行檢驗以修正程序，提高加工質量。傳統的檢測方法依靠人工使用各種量具量規去測量，存在較大的測量誤差，并且許多尺寸無法用量具去測量，許多尺寸、形位精度的測量還必須將零件卸下方能進行。這都導致零件的加工檢測費時費力，而且通常誤差修正起來非常困難，無法進一步提高加工質量。

在線檢測技術不僅可以彌補手工檢測和離線檢測所存在的不足，而且還可以提高加工精度[13-14]。數控機床機械結構運動與三坐標測量機類似，機床自身具有較高的精度等級，只要給數控機床配備專用測頭、無線通信模塊、測量軟件或宏程序，數控機床就可以變成簡易的三坐標測量機，而且能夠實現在線檢測。為了適應當代數控加工的需要，同時也為提高同學們對機械加工精度及形位公差測量的認識，開展在線測量實驗。

在線測量實驗以數控編程加工好的葉輪為測量對象，運用雷尼紹MP60測頭組件作為測量硬件，運用Delcam Powerinspect軟件[15-16]編制測量路徑和生成數控程序，進行在線測量并反饋測量值來判斷零件是否合格。在線測量數控程序生成過程如圖4所示。

加工過程在線檢測實驗，首先需要將葉輪模型導入Powerinspect軟件，選擇與真實測量一致的測頭和機床模型，機床模型可以自己制作，以保證測量時不發生干涉，之后建立測量坐標系和將測量工件與機床對齊定位，這是進行在線測量編程的通用步驟。接下來設定檢測組，Powerinspect軟件有多軸聯動檢測功能，可以實現曲面檢測，檢測點可以自動生成也可以手動定義，實驗采用選擇曲面設定間距的方法自動生成測量點，并通過手動方式修正干涉點。由于測量多個曲面，測量完一個曲面測量下一個曲面時，設定中間路徑，避免干涉。測量點設定好后就可以進行模擬，無干涉后通過后置處理即可得到數控程序，進行在線測量。數控系統通過G31[17]指令將測量數據反饋給測量軟件，測量軟件可以讀取測量數據并以報表形式展現測量結果。圖5所示為葉輪曲面測量路徑以及生成的數控程序。

圖4 葉輪在線檢測程序操作流程

(a)葉輪葉片背面測量路徑(b)葉輪流道測量路徑

(c)葉輪葉片正面測量路徑(d)葉輪測量數控程序

圖5 在線測量路徑、程序

通過在線測量實驗的開展，同學們對零件的尺寸和形位公差定義和測量方法了解更深刻，掌握零件在線檢測與檢測路徑規劃方法，為提高零件加工精度和速度提供保障。

4 結 語

自2014年起，以該實驗體系為基礎專門為本科生開設《數控綜合實驗》課程，經過兩屆學生的檢驗，該實驗體系運行效果顯著。該實驗體系的建立以《數控技術》《現代數控機床結構》《公差與測量技術》《機械制造工程學》《故障診斷與信號處理》等相關課程為背景，以企業需求為導向，以卓越工程師培養為目標，形成了完整的數控綜合實驗體系，以數控機床故障診斷維護、多軸加工自動編程、在線測量三大模塊為依托，實現面向企業、面向社會的卓越工程師培養。經過兩屆600多名學生的實踐和與企業交流，該數控綜合實驗體系覆蓋制造業數控技術的各方面，該實驗體系行之有效，效果顯著。

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The Comprehensive Experimental Reform on Numerical Control for Excellent Engineer Training

HEJun，DENGChengjun

(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

The numerical control integrated experimental system was established for excellent engineer training and enterprise talents demands. The experiment system contained CNC system fault diagnosis and maintenance, complex parts multi axis programming and online detection based on analysis of numerical control experimental teaching. The mainstream FANUC and SIEMENS CNC system was used as the object in this system, the fault diagnosis of control system and mechanical system for CNC system, the accuracy of the machine debugging experiment were developed. The UG software and CNC machine were used for integral impeller four axis computer programming and machining experiment. The Powerinspect software was used for online automatic detection procedures, the machining quality inspection could be tested through impeller head. Through the experimental system, the fault diagnosis of CNC machine tool maintenance, computer multi axis NC programming, on-line detection were developed for students experiment. Students' ability of using the numerical control technology increased, and the good effect in experimental teaching in view of the current excellent engineer training and enterprise talent demand was achieved.

numerical control technology; fault diagnosis and maintenance; CNC programming; on-line inspection

2016-04-18

何 俊(1984-)，男，四川西昌人，碩士，工程師，現主要從事數控技術的實驗教學及研究工作。

Tel：13808049945； E-mail：hejun0201102@126.com

鄧成軍(1983-)，男，四川南充人，工程師，實驗員，主要從事數控技術的實驗教學及研究工作。

Tel：13683450821; E-mail：pzhxydcj@126.com

TH 164

A

1006-7167(2017)03-0221-05