虛實結合培養數控加工高級應用人才

張衛青 譚儒龍

（重慶理工大學 重慶 400054）

1 制造業發展對高級應用人才的迫切需求

隨著高新技術產業的發展，復雜零件的應用也越來越廣泛，而復雜零件的制造一直是機械工業中的難點，通常需要采用柔性更高的多軸聯動數控機床實現。數控機床尤其是高柔性的五軸聯動加工中心的發展與廣泛應用，可以很好適應大批量定制生產方式向個性化定制生產方式的轉變，從而促進傳統制造業向智能制造方向發展。復雜零件的制造需要促進了多軸數控加工機床的廣泛工業化應用，工業界也對復雜零件多軸數控加工技術的應用型人才有更多需求。

復雜零件由于結構或者型面復雜（自由曲面）通常無法采用傳統的手工方式編程加工，同時加工過程中為了調整刀軸矢量以提高加工效率及避免干涉，還需要在四軸或五軸聯動的加工中心上進行。熟練掌握這一技術需要技術人員有較好的理論基礎，掌握微分幾何、計算機輔助設計與制造、機械制造工藝學、數控技術、運動學等多方面的知識體系，同時還需要通過長時間的實踐積累豐富經驗。本科畢業生通過四年的專業學習基本具備所需的知識體系，但是由于缺乏有效的加工實踐鍛煉，畢業后仍需在工廠進行長期的培訓才能勝任這樣的工作。因此迫切需要創新機械制造專業本科生培養階段的數控加工實踐教學環節，以適應制造企業對此類數控技術高級應用型人才的需求。

2 開發數控加工虛擬實驗的必要性

大多數高校機械制造專業本科設置了數控加工實踐，以鍛煉學生的實踐能力以及綜合理論知識的應用能力，但是實踐科目多通過手工編程完成簡單機械零件的數控加工，很少開展復雜零件多軸數控加工實驗課程。其主要原因是多軸數控加工實驗所需的五軸加工中心價格昂貴，實驗室無足夠的設備滿足開設實驗課所需的臺套數。鑒于這一情況，考慮目前日益成熟的數控加工仿真技術，有必要開發虛實結合的多軸數控加工實驗解決實驗條件的限制。以復雜零件的虛擬多軸加工為主線，將其涉及的關鍵技術融入實踐環節，讓學生較好掌握的復雜零件多軸數控加工的關鍵理論及操作流程。以軟件操作及虛擬加工為主，同時輔之少量的實機加工操作，使學生的實踐能力得到全面鍛煉，真正掌握一門可以直接應用于生產實踐的實用技能。同時通過真實的工程應用形式將相關理論基礎展現給學生，更易于理解也能更好的激發學生的學習熱情。

3 復雜零件多軸數控虛實加工實驗設計

針對復雜零件的多軸數控加工技術在理論基礎及操作流程方面的難度以及在實驗條件方面的限制，研究通過虛實結合的方式開發多軸數控加工實驗。在實驗環節借助成熟的計算機軟件引導學生熟練完成復雜零件多軸加工各關鍵技術環節，鍛煉其實踐能力，同時減少實驗過程對硬件條件的過度依賴。實驗方案的規劃如圖1 所示。

通過分析復雜零件多軸數控加工技術涉及的有關微分幾何、計算機輔助設計與制造、機械制造工藝學、數控技術、運動學等課程的核心知識，構建復雜零件多軸數控加工技術知識體系，提煉其理論基礎，并編制其實驗理論教程。考慮全面鍛煉學生工程實踐能力的需要，根據復雜零件多軸數控加工技術中幾何建模、加工工藝規劃、多軸數控加工程序編制以及試切等各關鍵技術環節的相互聯系制訂具體的實驗項目，總體包含虛擬實驗環節和實機實驗環節。

圖1 實驗方案總體流程

3.1 虛擬實驗設計

虛擬實驗環節主要借助各種專業軟件，讓學生在模擬環境中完成模型構建、工藝規劃、加工等整個數控加工實驗流程。虛擬實驗包含：（1）三維建模實驗：主要借助UG/Solid work 等CAD軟件完成，鍛煉學生對工程圖紙的理解，并讓學生熟練掌握三維建模軟件的操作，能夠構建典型機械零件三維特征。同時掌握貝塞爾、樣條等自由曲線曲面基本原理，能完成部分復雜曲面類零件特征的構建，獲得復雜零件加工刀路規劃所需的零件實體模型。（2）多軸加工刀路規劃實驗：主要借助UG/Master CAM/ Hypermill 等CAM 軟件完成。讓學生運用機械加工工藝學，數控加工工藝與編程等專業課程所學的理論，根據零件的幾何特征、尺寸及形位公差要求合理制訂機械加工工藝路線，并完成單個工步的刀具選擇以及切削工藝參數計算，并能夠利用典型計算機輔助加工軟件對各零件特征進行合理的刀具加工路徑規劃。（3）平臺構建與加工仿真實驗：主要借助宇龍、Vericut 等數控仿真軟件，讓學生應用機械制造裝備設計課程所學的典型機械制造裝備工作原理，進一步理解數控機床的組成及結構特點；應用數控技術、數控加工工藝與編程課程所學進一步理解數控系統工作原理以及程序編制原理；在此基礎上完成三軸、五軸數控加工仿真平臺的構建，同時完成機床坐標系統定義，刀具以及工件的構建和設定。然后根據所構建的仿真平臺機械結構參數以及控制系統型號，將數控加工刀路后置處理為仿真平臺能夠識別的數控加工程序進行虛擬加工仿真。最后根據加工仿真效果（材料的過切與欠切）對加工工藝流程及參數進行優化。以上虛擬實驗將相關專業基礎理論融合在具體的實踐操作中，在避免實機操作風險的基礎上，能夠讓學生完整體驗數控加工的整個流程，可全面鍛煉學生綜合應用理論知識以及自主解決數控加工相關工程問題的能力，并可通過反復的訓練提升其關鍵技能。

3.2 實機實驗設計

開展實機實驗的目的主要是讓學生感受虛擬加工與實機加工的區別，增強學生對真實加工的體驗感，進一步強化學生對關鍵操作環節相關理論及技能的掌握。實機實驗包括實機加工實驗和坐標測量實驗。在實機加工實驗中讓學生詳細了解機床的結構，感受真實的刀具測量安裝與對刀，工件的裝夾與定位，工件坐標系的建立與標定，數控程序的導入與執行等，通過實機操作讓學生掌握數控加工中心的使用，同時感受真實加工中的力、熱、振動等物理作用。零件加工完畢后進行坐標測量實驗，讓學生掌握坐標測量機的測頭標定、測頭測量路徑規劃、測量坐標系建立以及典型幾何特征的誤差評價等基本技能。通過測量獲得零件關鍵幾何尺寸及形狀特征的偏差，進一步感受實機加工與仿真加工的區別，建立加工存在誤差的概念，并在加工各環節考慮如何控制誤差保證加工質量。

4 效果驗證

通過在機械設計制造及其自動化專業本科生的數控加工工藝與編程以及數控加工實踐教學中貫穿以上系列數控虛實加工實驗，學生在完成設定的實驗任務時除了需要運用理論知識，還需采用計算、分析、仿真等多種技術手段，促使學生通過自學掌握各種計算、分析以及仿真的多種軟件及硬件工具。通過多個實驗的漸進積累，多數學生可以完成整個實驗流程。學習積極性較好的學生收獲更多，在實機實驗時已經可以獨立完成葉片、齒輪等典型復雜曲面零件的銑削實驗，進入企業進行少量培訓便可獨立開展工作。綜述表明，通過虛實結合的加工實驗方案可使學生有效掌握市場廣泛需求的多軸數控加工先進技術，從而在就業時有更強的市場競爭力。