技工院校多軸加工課程教學模式的探究

劉紹偉

摘 要：隨著“中國制造2025”的提出，國家在戰略層面上將制造業列為優先發展的方向。制造業是國家經濟的支柱，是立國之本、興國之器。隨著先進制造技術的提高，多軸加工人才市場需求越來越大。對多軸加工人才的培養是擺在技工院校面前的一個重要的使命。本文闡述了關于多軸加工教學的模式和多軸加工編程觀念，以及CAM軟件在教學中的地位及作用。

關鍵詞：教學模式 機床系統功能 CAM軟件

先進制造技術（多軸加工）的發展已經提高到國家戰略層面。根據教育部等三部委聯合印發的《制造業人才發展規劃指南》，到2025年我國對高檔數控機床的人才需要900萬人，缺口預計到450萬人。目前國內很多技工院校先后引進了多軸數控機床，但是目前多軸課程的開發以及如何授課，是擺在很多學校面前的急需解決的問題之一。

一、國內外多軸教學模式

1.國內多軸教學現狀

技工院校學生在學習多軸加工課程前，已經學習過普通機加工以及數控車、銑床加工以及金屬切削工藝等相關知識，對學習多軸加工已經有了很好的基礎。很多院校在配置完多軸機床后就購置了能用來編制加工程序的CAM軟件。雖然CAM軟件極大提高了多軸機床的利用率，但是學生直接學習CAM軟件加工并不能真正了解多軸機床加工的運動動作狀態。CAM軟件設置了合理的加工方式后輸出的代碼可以使機床進行正確的機床運動。學生雖然可以在教師幫助下完成工件的加工，但是學生對機床運動的空間運動及設備的特點并不是很了解。這樣讓學生對學習多軸加工會有一定的誤解，認為多軸加工程序編制只要學好CAM軟件編程就可以了。

2.國外多軸課程教學模式

筆者在國外參加了多軸加工學習，并查閱了大量的資料，得知國外的多軸加工學習理念和我國有很大的不同。國外都是讓學生從手工編程學起，因為這樣才可以培養學生的“3+2軸”五軸基礎空間想象能力。學生只有更好地了解到了多軸機床的運動方式及設備的特點，才能夠對多軸加工有了更深刻的理解。我國目前的大多數學校培養方式是以計算機編程技術為基礎，這樣不能很好培養學生五軸的空間變換等理念。如果選用的CAM軟件在機床建模及模擬仿真不好，很容易造成撞機現象。國外多軸課程主要培養學生五軸機床空間想象能力，課程側重于常規加工與多軸加工零件的相互聯系。讓學生掌握兩者之間的區別，引導并啟發學生根據加工零件進行多軸零件工藝編制，熟練掌握手工程序編制并獨立完成機床操作。

3.數控仿真軟件輔助實訓教學

由于多軸設備比較昂貴，一般一所學校只采購1～2臺，往往會出現“學生多，設備少”的問題。如果采用多軸數控仿真軟件，就能夠解決實訓學生人數較多的問題，如德國Keller仿真軟件、上海宇龍仿真軟件等，可以做到人手一臺。目前市面上好的仿真軟件可以做到與真實機器一樣的使用效果，如機床模型和控制面板的操作效果一樣，學生在仿真軟件上可以進行編程的學習并找到編程中出現的問題。

二、多軸設備重要系統功能

多軸數控加工是指在三個移動軸（X、Y、Z）聯動的基礎上，再增加繞這三個移動軸的一種加工方式。這些運動方式可以是全部聯動的，也可以是部分聯動的（定軸加工）。

1.RTCP功能（刀具中心點控制）

提到多軸數控系統，就不得不說五軸機床一個非常重要的觀念。在多軸加工行業里經常提到一個行業術語：“真五軸”與“假五軸”?！罢嫖遢S”與“假五軸”有何區別呢？了解這個觀念對教學是很有幫助的，接下來筆者以圖1為例闡述一下“真五軸”與“假五軸”的區別。

從圖1中可以看出有RTCP和無RTCP的功能的區別。無RTCP功能的機床如果轉動旋轉軸，機床的線性軸不會移動，加工坐標也沒有發生改變，但是旋轉軸后刀具中心點位置是不對的，這樣進行加工是不正確的。而具有RTCP功能的機床如果轉動旋轉軸，機床系統內部會進行位置偏差補償計算，始終保持刀尖點位置相對工件的加工位置是正確的。“真五軸”與“假五軸”的區別就是在于多軸機床是否具有RTCP功能，不具備RTCP的機床也是可以進行五軸聯動加工，但是在工件安裝和產生加工NC代碼方式上會有一定的區別，相比于具有RTCP功能的多軸機床要繁瑣很多。目前國內技工院校采購高檔多軸數控裝備時，數控系統往往選配為海德漢Heidenhain iTNC530和西門子SINUMERIK 840D系統。這兩個數控系統都有RTCP功能，海德漢系統采用M128指令，而西門子公司采用TRAORI指令。

2.框架FRAMES方式

還有一個很重要的觀念，就是多軸機床編程時使用框架FRAMES方式來進行編程，什么是框架FRAMES方式？以圖2為例進行分析。

工件坐標系確定在工件的左上角，第一步，平移加工坐標系到1點，第二步再旋轉工件坐標系的Z軸方向垂直于加工斜面。這樣就可以像三軸一樣可以手工編程去加工斜面上的孔系，加工坐標系平移加旋轉方式。這就是框架FRAMES方式。Heidenhain iTNC530和西門子SINUMERIK 840D系統，這兩個數控系統都有FRAMES方式功能，海德漢系統采用CYCL DEF 19、 PLANE SPATIAL指令，而西門子公司采用CYCLE800、ROT指令。以上指令的使用可以用來編制定軸加工的零件。

以上兩個重要的數控系統功能，多軸機床教學人員必須要熟練應用。操作不具備RTCP功能和框架FRAMES方式的多軸機床需要先進行一部分對刀操作，然后進行工件裝夾，安裝好后，按對刀要求進行校正，輸出加工代碼后才可以進行加工。而具備RTCP功能和框架FRAMES方式的多軸機床的操作方式和普通三軸數控銑床一樣，先安裝工件，然后進行對刀，輸出代碼后就可以進行加工。

三、多軸加工CAM軟件

筆者通過走訪一些加工企業，與多軸加工相關從業人員交流，了解到企業首先考慮的是設備的安全以及生產加工的效率。因為高檔多軸設備都比較昂貴，維修的費用比較高昂，企業的零件結構比學校教學的零件結構更加復雜、多樣化，一般的手工編程難以適應企業生產需求，所以企業往往會選用一套安全高效的CAM加工軟件，以減少機床碰撞事故并提高設備使用效率及加工時間。安全、高效的加工軟件應具備以下幾個特點。endprint

1.軟件安全可靠

五軸機床設備都比較昂貴，由于參與的運動軸數增加，編程與加工的復雜性提高，所以軟件的碰撞與過切的檢查必須準確、可靠。

2.軟件容易上手

五軸加工刀路設置通常會比三軸加工刀路編程復雜一些，由于要考慮刀軸矢量和加工策略等因素以及刀路是否發生干涉等情況，因此在實際加工中，選用的CAM軟件需要易學易用，操作過程簡單。

3.機床仿真模擬功能

編制五軸加工程序時，用戶要考慮該程序在五軸機床上運行的可靠性和安全性，CAM軟件必須進行機床準確建模后仿真驗證，用戶從中發現問題后及時調整刀具路徑以避免運動到旋轉極限，從而避免碰撞的發生。

學校在進行實訓教學時首先學習的是手工編程，隨著課程的深入，學生也要進行CAM軟件的編程學習。CAM編程軟件的學習應該將建模部分學習關注點集中在加工模型的繪制及優化上，以及機床真實加工環境的建模上（夾具、毛坯、刀具、刀柄等），因為真實的建?？梢员ＷC機床在模擬時準確仿真出機床的碰撞與干涉，確保機床安全的運行。加工部分的學習應注意加工工藝的執行。按照“先執行工藝、然后生成刀路”的思路進行加工刀路的設計，一款安全、高效的軟件的CAM軟件可以使編程容易很多。

四、小結

綜上所述，技工院校要培養出優秀的先進制造技術人才，首先要結合自己學校的情況，充分了解自己的實訓設備，在教學過程中充分挖掘多軸數控機床的系統功能，開展與之對應有效的教學方式，才能將多軸設備的優勢發揮出來，在課程設置方面應該先側重于先進行手工編程的學習，培養學生空間想象能力，掌握多軸加工概念與設備的特點。然后進行三軸零件與多軸零件加工工藝的相互聯系學習，掌握多軸零件工藝編制。數控仿真軟件的使用可以有效提高實訓設備使用時間并有效減少碰撞事故，并有效緩解實訓設備不夠的難題。最后，結合一款安全、高效的CAM軟件能夠讓設備使用率提高，有效提高加工時間，并避免了設備碰撞帶來的高額維修費用。

參考文獻：

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（作者單位：溫州技師學院）endprint