融合現代工具的五軸數控加工虛擬實驗教學設計

丁爽　吳偉偉　戴敏　魏新龍

摘 ?要 為了提高大學生工程實踐水平和創新能力，必須加快新工科建設。融合現代數學工具MATLAB、工程CAD/CAM軟件UG以及仿真軟件VERICUT設計并實踐基于實際制造過程的五軸數控機床虛擬加工實驗。虛擬實驗能夠增強感性認知、促進自由探索并開拓創新思維。教學設計及實踐過程中包含數學、信息、工程等專業知識點，貫通學生所學課本知識，構建學習生態鏈，讓學生深刻理解知識的有益作用及地位，激發學生各科課程學習動力，提高數控技術課程教學質量。虛擬實驗能夠降低成本、保障安全，有效解決高校五軸數控裝備短缺的現實問題。

關鍵詞 數控技術;五軸數控機床;虛擬實驗;現代工具;MATLAB;UG;VERICUT

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）06-0045-04

Design of Virtual Experiment Teaching on Five-axis CNC Machi-

ning by Combining Modern Tools//DING Shuang， WU Weiwei， DAI Min， WEI Xinlong

Abstract In order to improve the engineering level and innovation ability of college students， construction of new engineering must be accelerated. The virtual machining experiment of five-axis CNC

machine tool based on the actual manufacturing process was designed

and practiced by combining modern mathematics tools MATLAB， engineering CAD/CAM software UG and simulation software VERI-

CUT. Virtual experiment can enhance perceptual cognition， promote free exploration and develop innovative thinking. Mathematics， information， engineering and other professional knowledge is inclu-ded in the teaching design and practice. Learning motivation of stu-

dents in various subjects is stimulated and teaching effect of CNC

technical course is improved by threading the knowledge of text-books together and constructing the learning ecological chain. The students can deeply understand the beneficial role and status of the studied knowledge. Virtual experiments can reduce costs， ensure safety， and effectively solve the practical problems of shortage of five-axis CNC equipment in universities.

Key words numerical control technology; five-axis CNC machine; virtual experiment; modern tools; MATLAB; UG; VERICUT

1 引言

數控技術是一門包含機械設計及制造技術、機床技術、計算機技術、信息技術的機械專業基礎課程，對實踐教學環節要求很高。為確保實驗教學質量，必須改革實驗教學技術與手段，利用好多種現代信息工具，推進虛擬實驗教學應用[1-3]。針對數控技術課程虛擬實驗教學，劉旭波等人[4]

基于UG和浙大辰光數控虛擬加工軟件設計了三軸銑削加工虛擬教學實驗;李建廣等人[5]研究了基于虛擬仿真的數控加工技術實踐考評方法;蔡衛國[6]介紹了大連海洋大學機械工程虛擬實驗教學中的典型案例，利用CAXA軟件進行鼠標三軸數控加工的虛擬仿真教學。

隨著全球經濟的迅速發展，五軸數控機床廣泛應用于航空、航天、國防等領域。五軸數控機床是在三軸機床的基礎上，增加兩個旋轉軸構造而成的。旋轉軸的引入，使得刀具相對于工件的自由度變換更靈活，可以加工出高質量的復雜自由曲面，但同樣會帶來易干涉、五軸編程復雜等難題[7]。在高校教學中，傳統三軸數控教學已無法滿足社會對高端制造人才的迫切需求。

然而，高校中存在五軸數控機床欠缺、高端設備無法讓學生操作的實際問題，虛擬實驗可以很好地解決此問題[8-10]。

因此，設計并實踐五軸數控機床虛擬加工實驗，可以使得每個學生都能親自感受五軸工藝過程，感悟理論知識價值，豐富課堂教學模式，增強教學效果。從學生角度來看，無法認識所學知識的有益作用，無法直觀感受所學知識的實施方式，這些往往是限制學生學習興趣和動力的根本原因。

為了提高實踐教學質量，增強學生的代入感、知識空間感，本文探索并實踐融合多種現代工具的虛擬實驗在數控教學中的應用和實施方法，取得較好的實踐教學效果。采用構建跨學科學習生態鏈的思路，不僅能夠讓學生加深對五軸數控加工的直觀理解，提高數控課程教學效率，而且能夠讓學生明白各門課程的重要性，高校學習的各個環節都在整個生態鏈中占有重要地位。

2 五軸數控加工虛擬實驗設計

本文虛擬實驗過程中采用的軟件有MATLAB、UG和VERI-

CUT。MATLAB語言的基本數據單位是矩陣，指令表達式與數學、工程中的形式相似，方便學生建立線性代數中矩陣運算與機床運動軸物理運動值之間的直觀聯系。UG軟件是一個交互式的CAD/CAM系統。VERICUT軟件可以實現用戶自己創建機床、設計工裝夾具、完成程序導入、設置多工位及切削工藝等，能全方位地模擬加工中的實際情況[4，11]。

五軸數控加工虛擬實驗內容安排綜合考慮了虛擬實驗軟件以及理論授課與實踐教學，如圖1所示。結合三種現代工具，針對理論授課中數控代碼自動編程，設計UG刀具軌跡生成及基于MATLAB的后處理算法實驗教學;針對五軸機床機械結構理論授課，設計UG虛擬裝配與結構剖析實驗教學;針對五軸數控加工動作原理、程序糾錯、故障診斷和切削優化理論授課，設計VERICUT數控系統虛擬操作、仿真切削及程序優化實驗教學。

為加深學生對五軸數控加工編程及制造過程的理解，本虛擬實驗教學包括運動變換矩陣與機床運動軸運動之間的關系;以典型五軸復雜曲面零件葉輪為例，采用UG軟件葉輪加工模塊，分析葉輪制造工序及生成刀具軌跡;基于MATLAB軟件，自主編制五軸機床后處理算法，實現刀位數據與數控代碼的批量轉換;通過UG軟件的虛擬設計及裝配，進行五軸數控機床的結構認知和模型裝配;構建VERICUT虛擬仿真切削環境，進行葉輪零件的仿真切削和程序優化，創建更高效安全的數控程序，傳遞給學生優化切削思想。

3 五軸數控加工虛擬實驗實踐過程

分析矩陣運算與機床運動的關聯 ?本虛擬實驗教學授課中用數學中的矩陣來表達運動軸的運動[12]，讓學生自主直觀描述矩陣的物理含義，搭建關系橋梁，如圖2所示。既能夠讓學生回顧所學基礎知識，調動基礎課程學習熱情，又能加深學生對機床運動的內在理解，掌握刀位數據后處理為數控代碼的基礎理論，增強課程教學說服力。

基于UG軟件的刀具軌跡編程 ?采用UG軟件中的加工模塊自主編程生成刀具軌跡，編程過程中關鍵在于切削參數的選擇，指引學生探索不同切削參數設置對刀具軌跡生成的影響，讓學生自由發掘并規劃相應刀具軌跡，如圖3所示。

各個學生規劃的刀具軌跡優劣可由仿真切削結果進行評判，以切削效率和切削精度為主要判別指標，最后通過仿真切削的方式進行切削參數優化。教學過程中講解兩種開粗方案：三軸開粗;五軸開粗。分析比較兩種方案的優缺點，鼓勵學生從多途徑、多角度思考并解決同一問題，發散學生思維，鍛煉學生分析比較能力，為解決實際復雜工程問題奠定基礎。

五軸機床虛擬裝配及結構剖析 ?實體五軸數控機床往往是完整的裝配體，很難對機床內部結構進行觀察和認知，關鍵零部件的裝配面、連接方式和傳動原理難以有效辨識。而虛擬樣機則可以解決上述問題，可以根據需要任意隱藏和展現相關零部件，通過放大、縮小以及旋轉功能360度查看零部件細節，也可以通過精確的測量工具對零部件尺寸、配合形式等進行分析。可以在UG軟件中對五軸數控機床進行虛擬裝配和創建結構爆炸圖，如圖4所示。結合數控原理和數控指令，通過虛擬樣機向學生講解指令傳輸和執行原理，讓學生對五軸數控機床結構種類、運動部件傳動原理以及機床結構參數標定等有深刻直觀的理解。

刀位數據與數控代碼的批量轉換 ?傳統五軸加工后處理方法是應用UG軟件構造對應五軸機床結構的后處理器，通過后處理器實現刀位數據與數控代碼的批量轉換，是借助現有商用軟件的方法[13]。與傳統方法不同，本虛擬實驗教學中采用基礎的運動變換矩陣以及MATLAB編程語言，讓學生自主實現刀位數據與數控代碼的批量轉換以及數控代碼的輸出。

本文探索的虛擬實驗教學方法，能夠讓學生理清現有商用軟件與數學理論的關系;能夠讓學生自己體驗應用數學知識自動生成數控代碼的樂趣，加深對數學知識的價值和地位認可;能夠開拓學生思維，激發學生興趣，對UG軟件刀具軌跡自動生成原理產生好奇心，進而對微分幾何等產生興趣，各科知識交叉互融，構建豐富友好的知識空間體系。

五軸數控機床虛擬仿真及程序優化 ?基于VERICUT的五軸數控機床虛擬仿真切削包含組件樹創建、實體模型創建及其與組件樹的關聯、機床運行參數設置、刀庫創建等內容，均可以鍛煉學生的實踐動手能力并加深串聯式五軸數控機床運動拓撲關系的理解。仿真軟件擁有與實際機床一致的操作體驗，行程范圍檢測、碰撞過切干涉等不正常程序指令均會產生相應操作報警，通過不斷犯錯和糾錯的方式可以加深學生印象、獲得不同內涵理解，從而提高學習質量。

學生將自主生成的刀具軌跡、自主后處理得到的數控程序導入VERICUT軟件，調用刀庫中相應刀具，設定加工坐標系，執行五軸數控加工程序，完成與實際機床動作一致的加工過程，驗證數控程序的正確性與合理性。切削完成后，學生可以自己在軟件中對切削零件進行測量，可以運用自動比較模塊分析零件切削效果，也可以通過程序優化模塊根據切削過程模型對現有數控程序進行自適應調整和優化。機床三維模型、切削過程模型以及分析模型均可在可視化界面中展示，如圖5所示。

本文設計的虛擬實驗教學內容豐富，涵蓋復雜曲面零件數控加工過程中各種問題的分析與處理，以培養學生運用現代工具綜合分析和解決復雜工程問題的能力，提高學生創新思維，增強學生學習興趣、自信和成就感。

4 虛擬實驗實踐教學思考

為提高工程教育質量，促進工程教育國際化，持續改進教學方法和內容以增強畢業生解決復雜工程問題的能力，是實現工程教育國際互認的保障措施。本虛擬實驗教學圍繞培養學生畢業能力展開，以五軸數控加工復雜自由曲面為切入點，結合三種現代可視化工具設計貫通數學、信息以及工程學的虛擬教學內容，利用虛擬實驗可視化、感知性、交互性和拓展性等特點，充分發揮學生的主觀能動性，調動學生創新思維，引導學生掌握分析實際工程問題、比較多種方案優劣的探索能力，培養學生的工程優化意識。

通過五軸數控加工虛擬實驗設計及教學之后，學生普遍反映五軸數控加工不像以前那么神秘和高深了，普遍能夠掌握并接受五軸數控制造過程中涉及的數學知識、工程知識以及現代工具的基本使用方法，能夠舉一反三，運用現代工具完成實際復雜自由曲面的加工。通過在虛擬實驗教學中融會貫通各個學科知識點，學生更容易直觀地掌握相關知識，能夠認識到其在解決實際工程問題時的作用和地位，構建知識空間體系，激發學習動力，增強學習興趣。

從虛擬實驗實踐教學反饋來看，在教育教學中要充分認識到問題導向、貫通教學、價值學習、感官認知以及自由探索的重要性，應最大限度地增加學生的成就感和獲得感，將涉及的理論知識以通俗易懂、虛實結合的可視化方式展示給學生，讓學生自主挖掘學習樂趣，以激發學習動力，提高教育教學質量。

5 結語

五軸數控加工虛擬實驗提高了數控技術課程教學質量，培養了學生運用現代工具解決實際工程問題的能力，增強了學生的工程優化意識，拓展了學生的創新思維。通過建立矩陣與機床運動的關系橋梁、自主編寫數控代碼批量后處理程序、認知五軸數控機床三維結構和運動原理、建立五軸數控機床虛擬仿真環境、進行五軸數控加工仿真切削、分析及程序優化，能夠增加學生學習熱情，活躍課堂學習氣氛，激發學生學習興趣，促進學生分析比較并解決實際工程問題，讓學生體驗學習樂趣、獲得感和成就感，進入生態鏈學習良性循環。虛擬實驗教學解決了高校五軸數控機床欠缺以及機床無法讓學生親自操作的現實問題，使得學生能夠反復訓練和操作與實際機床功能一樣的虛擬樣機，增添直觀學習感受，提高綜合水平。

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