五轴加工仿真技术在实训教学中的应用
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[摘 要] 随着制造技术的应用和发展，各职业院校开始加大对教学的研究工作，如仿真技术、加工技术等，以提高教学效果，培养技术型的优秀人才。从五轴加工实训课程的特点出发，首先分析了五轴仿真加工过程和教学实例，然后探讨了应用效果和注意事项。
[关 键 词] 五轴加工;仿真技术;实训教学
[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）11-0228-02
近年来，随着加工制造业的发展和国家对人才培养要求的提高，各职业院校都加大了实训教学力度。但是，由于学生多、设备少，一机多人现象比较常见，导致部分学生的操作技能无法得到保证，学习主动性降低。即便部分学生的程序检验合格，也会因机床操作出错，而出现飞刀、撞刀等现象，影响机床的正常运转。对此，将仿真技术引入实训教学中，通过各种模拟仿真操作，来巩固学生知识，锻炼操作技能。
一、五轴加工实训课程的特点
实训教学的主要目的是提高学生技能，满足学生就业和企业用人的需求。然而，由于五轴加工实训设备昂贵，课程难度大，涉及面广，入门困难，加之无法模拟实际的工作环境，影响着实训教学活动的开展。
一般情况下，数字制造类课程包括操作、编程两部分，由于五轴机床价格贵，设备配置少，所以可在课堂上完成和机床相关的编程训练，从而减少对机床设备的需求。分析得知，编程分为自动编程、手工编程两种，其中自动编程是主要的训练环节，而五轴加工分为联动加工、定轴加工，无论是哪种加工方式，都有可能出现机床碰撞的情况。这就要求在执行加工程序前脱机仿真，以验证程序的准确性。
二、五轴仿真加工过程和实训教学实例
（一）五轴仿真加工过程
1.建立虚拟五轴数控机床结构模型
使用建模工具建立模型或用实体软件建模后倒入工具内。以WG-125五轴联动机床为例，其组件树为：
Base>Y>X>Z>Spindle>Tool
Base>A>C>Fixture>Stock>Design
该组件树描述的是机床的结构关系，并添加了机床导轨、底座、工作台等模型。
2.建立虚拟五轴数据机床控制系统
打开仿真软件，自行选择控制系统。由于本组机床是上海铼钠克数控系统，规格符合国家标准，只是将摆动轴定为A、C轴，因此只需要修改字地址即可。
3.设置基本参数
虚拟机床的基本参数包括机床行程、初始化位置、碰撞等，可根据机床参数分别设置。当机床在仿真状态下出现碰撞、超程现象时，相关部件会报警，便于及时发现机床的运行状况。
4.建立加工刀具库
通常来讲，相应系统都会提供刀具管理器，可管理车刀、铣刀等，完善刀具的相关参数，以明确刀具位置和形状。具体操作：（1）打开零件，定义毛坯，设置名称、材料、形状等。（2）打开零件，安装夹具，选择相应夹具。（3）打开零件，放置零件，选择零件后安装在机床上，随后打开位置调整选项，对零件位置进行调整。需注意的是，刀具库中的加工程序、刀号要相互对应。
5.仿真过程和定型
首先，添加夹具和毛坯。其次，添加程序文件，设置G代码，分别配置工序偏置。最后，在系统主界面重置模型，点击仿真按钮，即可进行仿真加工。将相应的程序文件导入计算机，经由DNC软件和接口传输到实际机床上，调出程序试切，若加工出的零部件不符合要求，需要对程序进行修改并仿真检验，随后再进行机床试切，直到零部件符合要求。待零部件加工完成后，再定型加工程序。
（二）五轴加工实训教学实例
以叶轮加工为例，首先，结合要求制定加工工艺。叶轮的主要加工部位是分流叶片、叶片和轮毂。参照先粗后精的原则，将加工流程分为粗加工叶轮，精加工流叶片、叶片和轮毂两个环节。其次，结合零件、工艺要求，科学、合理地选擇切削参数、工具规格和余量。然后，根据设置好的参数，用CAM软件生成刀路后加工仿真。加工过程中，需要密切观察操作流程，检验加工质量。一旦出现碰撞现象，立即停止修改程序。最后，现场加工机床。将上述流程所生成的程序，上传至控制系统中，安装夹好毛坯并对刀，进行叶轮的切削加工。
三、五轴加工仿真技术在实训教学中的应用效果和注意事项
（一）应用效果
1.丰富教学内容
在实训教学中应用五轴加工仿真技术，可帮助学生了解机床结构和类型，掌握数控系统的编程和操作技能，从而更好地理解程序的特殊性、通用性。学生通过加工仿真，不但能独立操作控制面板，还能自行设置参数、管理和验证程序，并在实体仿真后进行加工，提高实践能力。
2.节约实习成本
五轴加工仿真技术的应用，几乎不会出现安全问题，而且在进行数控程序的验证、机床加工时，也会将安全事故、差错发生率降至最低，保护学生的人身安全，降低机床折旧率，节约实习成本。
3.优化教学管理
实训教学中虚拟数控机床的使用，可有效解决人多机少的问题，提高教学效率。同时，还方便分层教学，针对不同的实训要求选择合适的仿真模块教学，完善编程的评价、考核机制。这种情况下，即便学生未完成零部件的加工，教师也能根据结果评定。 4.培养创新能力
五轴加工仿真技术在实训教学中的应用，可激发学生的学习兴趣，调动编程和操作的主动性。多数学生完成相应动作后，独自、大胆地创新，特别是在创意实施过程中，涌现出了大量创意新颖的零件，增强了学生的创新能力和实践能力。另外，虚拟数控机床的应用，还能减轻教师频繁检查学生加工程序的负担，使其投入更多时间和精力指导学生自行学习和操作，实现教学相长的目标。
（二）注意事项
1.操作教学问题
所谓虚拟数控机床，只是对实际机床的模拟，虽然其编程、操作相似，但是程序在刀具选择、零部件装夹、切削用量等方面，仍和实际机床存在差异，影响零部件的生产效率和加工质量。学生只有体验真实的机床加工过程，才能掌握实际的操作技能，了解相应的控制过程和原理。因此，实训教学中必須充分发挥数控机床的潜能，让学生放心、大胆地操作机床。
2.安全实习问题
仿真加工中出现的问题不是问题，但是机床加工中出现的问题，则是引发安全事故的危险因素。仿真并不是万能的，需要格外注意仿真结束后因掉以轻心造成的工件、人身问题。比如，导入数控机床的程序，并不是仿真结果所得的程序，而是未经过仿真检验的程序，由于机床和虚拟数控机床在刀宽、刀长等参数上存在一定差异，若将未检验的程序直接导入，就会引发各种意想不到的情况，危害机床和人身安全，影响教学效果。因此，必须高度重视实训教学中的安全问题，尽量在教学活动开展前就排除和处理完不安全因素。
综上所述，在五轴加工实训教学中，普遍存在教学难度大、安全事故频发、机床设备少的现象，不利于教学活动的开展。而仿真技术的引用，可有效提高加工的安全性，减少教学成本，降低操作难度，提高设备利用率。同时，还能培养学生的创新能力，激发学习热情，提高教学效率。当然，仿真技术也存在一些问题，要求实训教学中重视程序的准确性和安全问题，从而预防安全事故的发生，保障人身和设备安全。
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编辑 李 静
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