虛擬仿真技術在數控五軸加工教學中的應用探究

劉永鋒

[摘? ? ? ? ? ?要]? 五軸聯動數控機床的結構復雜，編程、操作技術較難掌握，加工時容易發生碰撞、超程、干涉等現象，學生在實操過程中容易發生安全問題，五軸機床價格昂貴，多數學校投資設備少，不易開展大范圍實操訓練。以中職學校數控技術應用專業為例，探究虛擬仿真技術在數控五軸加工教學中的優勢，通過虛擬仿真技術的應用，降低教學成本，減少操作的安全隱患，拓寬學生實操覆蓋面。

[關? ? 鍵? ?詞]? 數控仿真;五軸聯動;VERICUT軟件;實操教學

[中圖分類號]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2020）15-0170-02

數控機床是實現先進制造技術和裝備現代化的基礎，是高技術產業的發展和國防軍工現代化的戰略裝備。隨著高精制造業的不斷發展，五軸聯動數控機床在航空航天、精密儀器、船舶、發電等行業得到了極其廣泛的應用。近年來，為了培養能更好地適應工業現代化需求的數控專業人才，各類職業院校開設數控多軸加工課程，采購先進五軸設備，開展教育教學。但由于五軸數控設備價格昂貴，學校不能大批量裝備，再加上五軸聯動數控機床的實操教學難度大，編程加工時容易出現碰撞、超程、干涉等現象，易發生安全事故，實操教學不能大面積開展，同時為了能讓大多數學生都參與實訓就需要借助虛擬仿真技術，利用數控仿真軟件進行仿真加工來輔助教學。

一、虛擬仿真技術與五軸聯動技術

（一）虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是指在構建模型的基礎上，使用部分仿真軟件模擬真實實驗模型以及在實驗模型數據作用下實現一系列的具體化實踐操作。隨著虛擬仿真技術的日漸成熟，其在數控技術教學領域應用持續增多，將數控仿真軟件應用于實踐教學中，VERICUT軟件就是比較典型的數控仿真軟件。

（二）五軸聯動技術現狀

裝備制造業是一國工業的基石，它為新技術、新產品的開發以及現代工業生產提供重要的手段，是重要的戰略性產業。即使是發達工業化國家，也高度重視。近年來，隨著我國國民經濟迅速發展與國防建設的需要，對高檔五軸聯動數控機床提出了急迫且大量需求。五軸聯動數控技術是數控技術中知識結構最廣、難度最大且應用范圍最為廣泛的技術，它是集計算機編程控制、高性能伺服驅動和高精密加工技術于一體的精密機床，主要應用于復雜曲面的高效能、高精密、高自動化的加工。在國際上，通常把五軸聯動數控技術作為衡量一個國家生產設備自動化技術水平的重要標準。因此，培養五軸聯動數控技術專業人才刻不容緩。

二、數控五軸加工實訓教學中存在的主要問題

1.五軸聯動數控機床的結構比較復雜，編程、操作難度大，并且容易發生碰撞、擦撞、超程、干涉等現象。

2.數控五軸聯動加工實訓教學難度大，教學涉及知識面比較廣，加工、編程技術較難掌握，學生在實訓操作過程中容易發生安全事故，給實訓操作帶來了安全隱患。

3.五軸聯動數控機床價格昂貴，多數學校投資設備較少，再加上實訓學時有限，不易實現較大范圍學生的實訓操作訓練，因此也很難讓大部分學生都能達到熟練操作機床的教學目的。

4.五軸聯動數控機床按鈕多、操作難度大，再加上編程要求高，而且學生剛開始操作不太熟練，容易產生誤操作，會造成機床非正常的損耗很大，同時還存在一些安全隱患，給老師和學生都會造成很大的心理壓力。

三、基于VERICUT軟件的數控五軸加工仿真過程

VERICUT是一款專用的數控加工仿真軟件。它用三維模型直觀顯示各種機床、加工刀具、加工零件及各輔助設備的運動及位置情況，能直觀、有效、安全地模擬、驗證、分析整個切削過程，在虛擬的環境中完成對NC程序的校驗及優化。

（一）虛擬五軸數控機床仿真模型及仿真系統的建立

VERICUT軟件建立機床模型的方式有兩種。一種是通過VERICUT軟件建模工具建立模型，另一種是通過實體軟件建立模型之后導入VERICUT軟件。

（二）虛擬機床基本參數設置

仿真的實體模型建立以后，必須根據機床實際情況，來對機床進行初始化的設置。包括行程位置、運動軸限位、換刀等各項參數，以確保仿真機床的動作與實際機床運動相一致。當機床在虛擬仿真過程中出現碰撞、干涉及超程時，就會出現報警提示，以方便發現機床在切削加工過程中出現狀況。

（三）建立刀具庫

VERICUT軟件提供了刀具管理庫，可以有效管理孔加工刀具、銑刀、車刀等，健全了刀具信息，優化了對刀點、刀柄、刀刃和刀片等參數，可以非常精確地確定刀具的位置和形狀參數。用戶也可以根據生產經驗和生產實際對這些參數進行調整，通過仿真結果，找出最優的一組參數保存，從而建立起適合自身機床或適合刀具實際狀況的數據庫。

（四）機床加工過程仿真

首先，添加工裝夾具、安裝毛坯;其次，建立工件坐標系，設置G代碼偏置;最后，導入程序，在主界面重置模型，進行仿真加工。

（五）仿真分析及加工程序優化

仿真分析分為兩項：第一項是對機床干涉的分析，此項主要內容是檢測刀具的非切削軌跡與工件之間的干涉、機床的部件與工件間的干涉等，若存在干涉，軟件會出現提示，且會在命令行中顯示干涉所在行，方便分析與處理。第二項是對機床加工精度的分析，零件虛擬仿真加工的結果，可以和加工零件的三維模型進行比對、分析，檢測欠切和過切等情況，并顯示結果。

四、虛擬仿真技術在數控五軸加工實訓教學中的優勢

（一）優化教學情境，增強學習興趣

在中職學校專業課教學中，多數學校還是以講授、討論、參觀、演示等方式介紹數控機床的基本操作方法，這些教學方法比較傳統、枯燥，由于動手操作的內容有些操作關聯性較強，不可能通過操作一次性就可以掌握，而通過演示、講授很多遍，學生也不會理解，所以就更難以激發學生的操作興趣和學習興趣。尤其是數控五軸的教學，教學難度大，涉及知識面比較廣，技術較難掌握，編程難度大，在教學中使用數控仿真軟件，不僅可以做到理論與實踐相結合，而且授課老師可以使用數控仿真軟件進行技能操作演示和相關的理論知識的分析，以強化學生對各項操作指令和操作步驟的學習，學生可以通過電腦觀看實訓老師的操作演示，逐步進行相關操作。難度大的操作，老師可以進行保存工程或者錄屏，學生可以反復觀看直到完全掌握。運用數控仿真軟件可以使實訓教學做到理論與實操結合，增強學生的學習熱情和興趣，提升實操效果，為學生操作機床打下堅實的基礎。

（二）化難為易，排查故障，優化加工程序

數控機床具有操作簡單、安全性高、容易上手操作等優勢。但是數控五軸聯動加工具有機床的結構比較復雜、加工時編程難度大，并且容易發生碰撞、擦撞、超程、干涉等特點。需要五軸聯動加工的零件一般具有結構、輪廓復雜的特點，用來加工具有自由曲面的機械零部件、汽輪機轉子、渦輪機零部件、船用螺旋槳和葉輪、葉片等。而這些零件往往建模、編程難度大，由于零件結構復雜的緣故，在加工時經常會出現碰撞、干涉等故障情況，而五軸聯動機床的價格昂貴，維護成本高，在學校教學中使用，基本上不敢放手讓一個剛學習五軸編程與加工的學生來直接操作，如果操作出現失誤或編程有問題，后果不堪設想。通過VERICUT軟件的使用，可以先在仿真軟件上熟悉機床界面，達到對機床面板的熟練操作，然后再進行程序仿真，檢查程序的正確性。同時，VERICUT軟件還具有程序速度優化的優點，通過VERICUT優化，可以大大提高加工效率，通常能達到30%左右。可以減少機床和刀具磨損，延長機床和刀具的使用壽命。優化后的程序不需要再通過人工調整，能夠實現無人工干預，從而真正減輕了工人的勞動強度。

（三）安全便捷，增強信心，提高學習效率

數控五軸聯動加工教學難度大，涉及知識面比較廣，技術較難掌握，學生在實訓操作過程中容易發生安全事故，給實訓操作帶來了安全隱患。由于五軸聯動機床是高端機床，價格昂貴，所以目前我們不能達到一人一機床的實訓教學條件。為了有效克服此困難，可以在教學中使用數控仿真軟件，數控仿真軟件不僅可以模擬機床操作的全過程，也可以對機床的誤操作進行及時報警，這樣可以幫助學生找到實操過程中出現故障或者誤操作的應對方法。此外，中職學生初次接觸五軸數控機床，剛開始操作時，雖然會有專業老師指導，不免會出現機床故障、技術性失誤或安全事故等問題。使用數控仿真軟件進行實踐操作基礎訓練，安全性較高，減少了教學安全事故發生。有些學生初次接觸五軸編程及加工時，會產生畏難情緒，不敢大膽地去操作。對廣大中職學校的師生來說，在實踐教學過程中使用數控仿真軟件，可以大幅降低教學的難度，減少安全隱患，增強學生的學習興趣，增強學生操作學習的自信心，實現教育教學的多元化，幫助學生掌握機床操作方法，提高學習效率。

（四）降低成本，減少誤操作，提升教學質量

五軸數控機床價格昂貴，多數學校資金投入比較少，加之實訓學時有限，不能開展大范圍的實操訓練，因此，就很難讓大部分學生達到熟練操作五軸數控機床的教學目的。同時在長期數控專業實訓教學中，我們發現學生在剛開始接觸五軸聯動數控機床時，會比較害怕，主要是因為五軸機床面板比較復雜，按鈕多，操作難度大，再加上剛開始操作不太熟練，比較容易產生誤操作，會造成機床非正常的損耗很大，而且還存在一些安全隱患，給老師和學生都會造成很大的心理壓力。在機床面板操作的學習中，老師的演示操作只是周圍幾個同學能夠看清楚，而且學生不一定都能將聽過的步驟完成，還需要老師反復講解，學生對一些誤操和程序的錯誤作剛開始都無法自己解決，需要老師不斷指導，也使老師的工作量加大。數控仿真軟件則可以克服以上困難，誤操作電腦會報警，老師會指導解決問題，不會產生撞刀等安全事故。在操作教學上，老師可以在電腦上一對多地給所有的學生同時演示機床面板操作，每一個操作步驟可以一邊教一邊練，學生鞏固掌握起來也就會很快。對中職學校數控專業的師生來說，數控仿真軟件的使用，既降低了教學成本，也減少了誤操作，提高了教育教學質量。

五、結語

將數控仿真技術應用于數控五軸加工實踐教學，可減少實訓教學成本，減少安全隱患，也可大幅降低教學的難度，增強學生機床操作學習的自信心，增強學生的學習興趣，培養學生的創新能力，實現教育教學的多元化，提高學習效率和教學效果。

參考文獻：

[1]吳奧嵩.五軸加工仿真技術在實訓教學中的應用研究[J].科技經濟導刊，2017（17）：41.

[2]丘立慶.基于MasterCAMVERICUT的數控加工仿真及優化[J].裝備制造技術，2012（9）.

[3]黎毅聰.中職學校數控教學中數控仿真系統的應用[J].科技視界，2017（5）.

[4]王曉勇，王曉強.VERICUT軟件構建五軸機床仿真模型的方法及應用[J].科技創新與應用，2016（1）.

編輯 鄭曉燕