數(shù)控仿真技術(shù)在數(shù)控加工編程課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

石站果 鄭繼明

摘要：培養(yǎng)中職學(xué)生具備機(jī)床操作、加工工藝和數(shù)控編程能力，對(duì)其今后從事數(shù)控相關(guān)崗位工作至關(guān)重要。以 UG & 斯沃仿真軟件一體化仿真教學(xué)為研究對(duì)象，通過在銑床上進(jìn)行實(shí)例加工并獲得加工產(chǎn)品進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。研究表明該教學(xué)方法可使《數(shù)控加工編程》課程中原有抽象知識(shí)具體化、形象化，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，并熟悉物理加工環(huán)境，提高課程教學(xué)效果，同時(shí)本研究為今后進(jìn)行此類研究的教師提供了參考案例和實(shí)踐工具。

Abstract： Training secondary vocational students with the ability of machine tool operation， processing technology and CNC programming is essential for them to engage in CNC-related positions in the future. Taking the integrated simulation teaching of UG & Swan simulation software as the research object， the teaching experiment research is carried out by carrying out example processing on the milling machine and obtaining the processed products. The research shows that this teaching method can make the original abstract knowledge in the "CNC Machining Programming" course materialize and visualize， enhance students' understanding and mastery of knowledge， and be familiar with the physical processing environment， which can improve the teaching effect of the course. At the same time， this research is for the future. Teachers of this type of research provided reference cases and practical tools.

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工編程;UG & 斯沃仿真軟件一體化仿真教學(xué);仿真加工

Key words： NC machining programming;UG & Swan simulation software integrated simulation teaching;simulation machining

中圖分類號(hào)：TH1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0220-05

0? 引言

職業(yè)教育強(qiáng)調(diào)“以服務(wù)為宗旨、以就業(yè)為導(dǎo)向、以能力為本位”，將學(xué)生培養(yǎng)成為符合崗位職業(yè)能力的技能型人才是課程教學(xué)追求的目標(biāo)。數(shù)控技術(shù)是一種先進(jìn)制造技術(shù)，數(shù)控編程和數(shù)控仿真是數(shù)控加工過程中兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性特點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)過程中以教師課堂講解，實(shí)訓(xùn)室示范為主，學(xué)生通過實(shí)際操作來(lái)掌握知識(shí)要點(diǎn)，存在理論學(xué)習(xí)與實(shí)際操作非同頻共振，影響學(xué)習(xí)效果。UG &斯沃仿真軟件一體化仿真教學(xué)，可模擬實(shí)際機(jī)床加工過程，使實(shí)際加工過程在計(jì)算機(jī)中動(dòng)態(tài)直觀的再現(xiàn)。同時(shí)，可將課程的教學(xué)內(nèi)容從多角度，全方位的展示給學(xué)生，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富。此外，可實(shí)現(xiàn)課程理論與實(shí)踐教學(xué)的同頻共振，在課堂即可進(jìn)行技能訓(xùn)練，包括實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)等，而且學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)直至掌握[1]。這既是探索教學(xué)方法改革提高教學(xué)質(zhì)量的有益嘗試，也是教會(huì)學(xué)生學(xué)會(huì)并掌握使用先進(jìn)專業(yè)軟件的有效途徑，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 工件三維模型建立及程序生成

1.1 三維建模直觀呈現(xiàn)工件

準(zhǔn)確識(shí)讀技術(shù)圖紙是實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的先決條件，操作者應(yīng)從零件圖中提取可靠的加工信息，如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、表面粗糙度要求、尺寸和形位精度要求等[2]。該實(shí)例是對(duì)復(fù)雜盤類零件進(jìn)行仿真加工，由多個(gè)平面、曲面及孔組成，如圖1所示。圖1中零件尺寸組成較為復(fù)雜，學(xué)生在分析工程圖時(shí)較為困難，且大部分中職學(xué)生空間想象力不強(qiáng)，難以準(zhǔn)確繪制零件的三維模型，給編制加工程序帶來(lái)極大的不便。教學(xué)中根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行三維建模，形象展示零件整體結(jié)構(gòu)，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于零件結(jié)構(gòu)的理解，達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。使用UG建模中拉伸、孔、倒圓角等命令創(chuàng)建好三維模型，直觀呈現(xiàn)加工工件。

1.2 分析加工工藝與設(shè)置加工工序

在數(shù)控加工工藝教學(xué)中，由于教學(xué)內(nèi)容理論性過強(qiáng)且與實(shí)際聯(lián)系緊密，若仍然以二維圖紙進(jìn)行加工工藝分析講解，會(huì)因內(nèi)容過于抽象，學(xué)生需有較好的空間想象力才能理解零件的整體加工過程。但對(duì)于絕大部分中職學(xué)生這恰恰是他們的弱項(xiàng)。教學(xué)中利用UG軟件打開圖2中的工件三維模型，分析工件的加工工藝。如圖2所示，工件包含孔、型腔等結(jié)構(gòu)，外形較為復(fù)雜，工件頂部和底部都以圓槽的圓心為基準(zhǔn)，工件坐標(biāo)系可采用四面分中方式。工件外形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工件頂部和底部無(wú)法一次加工完成，需分別加工工件頂部和底部，進(jìn)行兩次裝夾。由于底部側(cè)壁平整處便于二次裝夾，因此，先加工工件底部，再加工工件頂部。工序設(shè)置時(shí)，嚴(yán)格按照先光面后鉆孔，先粗加工后精加工，先光底面再光側(cè)壁的原則設(shè)置加工工序，教學(xué)過程如下：

①設(shè)定工件坐標(biāo)系。進(jìn)入【加工模塊】選擇【工序?qū)Ш狡鳌?，于空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇【幾何視圖】[3]，設(shè)置工件底部和頂部的加工坐標(biāo)系分別為MCS_MILL-1/2，并在WORKPIECE-1/2中指定部件和毛坯，部件選擇工件模型，毛坯選擇包容塊且沿X、Y、Z的正負(fù)方向偏置2mm。

②確定加工工藝。對(duì)工件三維模型進(jìn)行分析并確定加工工藝，如表1所示。

以表1加工順序3為例進(jìn)行詳細(xì)分析。設(shè)置深度輪廓銑工序的各項(xiàng)參數(shù)。具體步驟如下：

①創(chuàng)建深度輪廓銑工序：在【工序?qū)Ш狡鳌恐锌瞻滋廃c(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【程序順序視圖】，于【PROGRAM】處右鍵選擇【插入】→【工序】，會(huì)彈出【創(chuàng)建工序】對(duì)話框。在創(chuàng)建工序?qū)υ捒颉绢愋汀恐羞x擇mill_contour，在【工序子類型】選擇區(qū)域中單擊【深度輪廓銑】[4]，在【位置】中【幾何體】下拉列表選擇WORKPIECE-1，單擊【確定】或點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵即可進(jìn)入深度輪廓銑對(duì)話框。

②創(chuàng)建刀具：在深度輪廓銑【工具】→【刀具】列表中點(diǎn)擊【新建】進(jìn)入新建刀具對(duì)話框，在【刀具子類型】選項(xiàng)區(qū)選擇平底銑刀，輸入D10到名稱欄中將刀具命名為D10，點(diǎn)擊確定進(jìn)入銑刀參數(shù)對(duì)話框。在【尺寸】列表中將直徑改為10，并在【編號(hào)】列表中把文本框默認(rèn)值都改為2，單擊【確定】完成創(chuàng)建。

③設(shè)置切削層：從【刀軌設(shè)置】進(jìn)入【切削層】，在【范圍】列表中將最大距離的默認(rèn)數(shù)值6改為1，之后在【范圍定義】列表中點(diǎn)開【列表】，將范圍4（范圍深度48）移除，點(diǎn)擊【確定】完成設(shè)置。

④設(shè)置切削參數(shù)：從【刀軌設(shè)置】進(jìn)入【切削參數(shù)】，在彈出對(duì)話框中點(diǎn)擊【余量】，將內(nèi)公差改為0，外公差改為0.01，點(diǎn)擊【確定】完成設(shè)置。

⑤設(shè)置非切削移動(dòng)：從【刀軌設(shè)置】進(jìn)入【非切削移動(dòng)】，在【進(jìn)刀】中設(shè)置【封閉區(qū)域】的進(jìn)刀類型為螺旋，斜坡角改為3，高度改為1，高度起點(diǎn)選擇當(dāng)前層，最小安全距離選擇無(wú)，其它保持默認(rèn)。之后將【開放區(qū)域】中的進(jìn)刀類型設(shè)置為圓弧，半徑改為60，高度改為1，最小安全距離選擇無(wú)，其它保持默認(rèn)。點(diǎn)擊【轉(zhuǎn)移/快速】，在【區(qū)域內(nèi)】將【轉(zhuǎn)移類型】改為前一平面，安全距離改為1，點(diǎn)擊【確定】完成設(shè)置。

⑥設(shè)置進(jìn)給率和速度：從【刀軌設(shè)置】進(jìn)入【進(jìn)給率和速度】，在【主軸速度】中輸入1500，點(diǎn)擊數(shù)值欄后的【計(jì)算】，之后在【進(jìn)給率】中【切削】處輸入100，其它保持默認(rèn)，點(diǎn)擊【確定】完成設(shè)置。

⑦生成刀具加工軌跡：在深度輪廓銑對(duì)話框【操作】選項(xiàng)區(qū)中點(diǎn)擊【生成】，即可生成刀具加工軌跡

1.3 后處理生成程序

從【工序?qū)Ш狡鳌窟M(jìn)入【程序順序視圖】，選中第一個(gè)工序后點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇【后處理】，在彈出的【后處理窗口】中選擇FANUC后處理，以txt的格式保存，生成的NC程序如圖4所示。再選擇其余的工序重復(fù)以上操作，直到所有程序保存完畢。需要注意的是，生成的程序在開頭和結(jié)尾處有中文，斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件無(wú)法識(shí)別，在記事本中打開程序文檔將開頭和結(jié)尾處的中文刪除即可直接導(dǎo)入斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件中運(yùn)行。

2? 實(shí)例加工

斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件由南京斯沃軟件技術(shù)有限公司開發(fā)[5]，主要用于學(xué)生進(jìn)行數(shù)控加工操作教學(xué)，能很好虛擬物理環(huán)境。該軟件具有與實(shí)際機(jī)床一樣的操作面板，操作流程與真正的數(shù)控機(jī)床完全一致，可設(shè)置與現(xiàn)實(shí)加工一致的刀具和毛坯，完成刀具選擇和毛坯安裝的操作[6]，且使用中不擔(dān)心操作失誤而損壞機(jī)床，學(xué)生可以放心的跟隨教師進(jìn)行機(jī)床的各種操作來(lái)完成上述工件的加工過程，教學(xué)過程如下：

2.1 選擇機(jī)床系統(tǒng)、材料、刀具

①選擇機(jī)床系統(tǒng)：打開斯沃仿真軟件，在【數(shù)控系統(tǒng)】下拉菜單中選擇 FANUC _OiMF系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)后在操作面板中點(diǎn)擊【急?！堪粹o，再點(diǎn)擊【回參考點(diǎn)】，之后分別選擇X、Y、Z按鈕，選中一個(gè)后點(diǎn)擊+按鈕，使機(jī)床系統(tǒng)回到零點(diǎn)。

②選擇毛坯夾具：在【選擇毛坯夾具】菜單欄中點(diǎn)擊【選擇毛坯】，彈出對(duì)話框后點(diǎn)擊【添加】，設(shè)置長(zhǎng)寬高為152mm、102mm、52mm的毛坯，材料選擇ZL412鋁，點(diǎn)擊【確定】添加毛坯到列表。在【毛坯列表】選項(xiàng)區(qū)中選中添加的毛坯后點(diǎn)擊【確定】，將毛坯添加到機(jī)床工作臺(tái)。完成毛坯設(shè)置后在【選擇毛坯夾具】菜單欄中點(diǎn)擊【工件裝夾】，在工件裝夾對(duì)話框的【裝夾方式】列表中選擇平口鉗裝夾，點(diǎn)擊【加緊上下調(diào)整】指令使毛坯超過平口鉗頂面32mm，點(diǎn)擊【確定】完成設(shè)置。

③選擇刀具：由表1可知此次加工需要使用3個(gè)刀具，分別是10mm、12mm的平底銑刀與12mm的鉆頭。由于此次毛坯的材料為ZL412鋁，選擇硬質(zhì)合金的刀具較為合適。通過【選擇刀具】指令創(chuàng)建以上刀具。

2.2 加工準(zhǔn)備

①機(jī)床對(duì)刀：X、Y軸使用基準(zhǔn)芯棒對(duì)刀。在【選擇毛坯夾具】菜單欄中點(diǎn)擊【基準(zhǔn)芯棒選擇】，選取H100，D20的基準(zhǔn)芯棒和h1.00mm的塞尺。在數(shù)控系統(tǒng)面板中點(diǎn)擊【快速進(jìn)給】，以快進(jìn)方式，使基準(zhǔn)芯棒快速貼近毛坯X方向上的一邊，當(dāng)毛坯快靠近基準(zhǔn)芯棒時(shí)調(diào)整為【增量模式】，緩慢移動(dòng)毛坯靠近基準(zhǔn)芯棒，直到左下角塞尺檢測(cè)顯示為合適時(shí)點(diǎn)擊SET/OFS按鈕，在顯示窗口中點(diǎn)擊【坐標(biāo)系】，將光標(biāo)移動(dòng)到01（G54）X處輸入X87點(diǎn)擊【測(cè)量】，顯示的數(shù)值即為X軸的加工原點(diǎn)坐標(biāo)。完成X軸對(duì)刀后點(diǎn)擊【快速進(jìn)給】，將基準(zhǔn)芯棒快速移動(dòng)到貼近毛坯Y方向上的一邊，重復(fù)以上操作，不同的是在01（G54）Y處輸入Y-62點(diǎn)擊【測(cè)量】，顯示的數(shù)值即為Y軸的加工原點(diǎn)坐標(biāo)。Z軸采用試切法對(duì)刀，在【選擇毛坯夾具】菜單欄中點(diǎn)擊【卸下基準(zhǔn)芯棒】，即可自動(dòng)卸下基準(zhǔn)芯棒，之后換上設(shè)置好的直柄端銑刀（D12），點(diǎn)擊PROG按鈕，選擇【手動(dòng)輸入】，輸入程序M03 S500使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)后對(duì)工件表面進(jìn)行試切。先用【快速進(jìn)給】移動(dòng)刀具到工件表面，之后切換【增量模式】逐漸貼近工件表面，當(dāng)出現(xiàn)切削殘屑后點(diǎn)擊SET（設(shè)置）按鈕，點(diǎn)擊【坐標(biāo)系】，光標(biāo)調(diào)到01（G54）Z處輸入Z0點(diǎn)擊【測(cè)量】，顯示的數(shù)值即為Z軸的加工原點(diǎn)坐標(biāo)。X、Y、Z軸對(duì)刀完成截圖如圖5所示。

②導(dǎo)入程序文檔：打開程序保護(hù)開關(guān)，點(diǎn)擊PROG按鈕，選擇【編輯模式】，輸入程序名為O1108，點(diǎn)擊INSERT按鈕將程序名輸入機(jī)床顯示面板，之后點(diǎn)擊EEOB按鈕，再點(diǎn)擊INSERT按鈕將程序讀取指令（;）輸入機(jī)床顯示面板。在斯沃軟件操作界面左上角點(diǎn)擊【文件】指令，選擇【打開】，在打開對(duì)話框【文件類型】下拉菜單選擇NC代碼文件，選中顯示的程序文件，點(diǎn)擊【打開】即可將UG保存的txt程序文檔導(dǎo)入FANUC_OiMF系統(tǒng)中。

2.3 工件加工

①仿真加工：點(diǎn)擊【自動(dòng)】，切換到自動(dòng)模式，關(guān)上艙門，再點(diǎn)擊【循環(huán)啟動(dòng)】，程序則會(huì)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后重復(fù)導(dǎo)入程序文檔操作，運(yùn)行程序，完成工件底部的加工。之后選中毛坯點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇工件繞Y軸旋轉(zhuǎn)180度，翻面后在【工件裝夾】對(duì)話框中點(diǎn)擊【加緊上下調(diào)整】命令，使毛坯超過平口鉗頂面30mm，重新對(duì)Z軸對(duì)刀后導(dǎo)入工件頂部的程序文檔并運(yùn)行，完成工件頂部的加工。

②實(shí)際加工：通過斯沃仿真軟件驗(yàn)證加工程序，得到圖6中的仿真加工結(jié)果，確定程序無(wú)誤后將程序?qū)雽?shí)際數(shù)控銑床進(jìn)行實(shí)際工件加工，具體操作步驟與斯沃軟件中FANUC_OiMF系統(tǒng)的類似。不同的是實(shí)際機(jī)床中工件二次裝夾后，需要重新對(duì)X、Y、Z軸對(duì)刀，才能導(dǎo)入程序加工工件的頂部。

3? 結(jié)語(yǔ)

利用UG軟件建模，分析工件模型，確定加工工藝，創(chuàng)建加工工序，生成NC程序，并導(dǎo)入斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真加工，完成一體化仿真教學(xué)，教學(xué)平臺(tái)易于搭建實(shí)施。仿真教學(xué)過程充分體現(xiàn)出UG軟件和斯沃仿真軟件分別在自動(dòng)編程和仿真加工方面的優(yōu)勢(shì)，使工件建模到加工的整個(gè)流程展現(xiàn)得淋漓盡致。教師可在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生完成情況，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行指導(dǎo)，可顯著增強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)控加工機(jī)床的操作和加工工藝知識(shí)的理解，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情并提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

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