技工院校多軸加工課程教學(xué)模式的探究

劉紹偉

摘 要：隨著“中國(guó)制造2025”的提出，國(guó)家在戰(zhàn)略層面上將制造業(yè)列為優(yōu)先發(fā)展的方向。制造業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的支柱，是立國(guó)之本、興國(guó)之器。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的提高，多軸加工人才市場(chǎng)需求越來(lái)越大。對(duì)多軸加工人才的培養(yǎng)是擺在技工院校面前的一個(gè)重要的使命。本文闡述了關(guān)于多軸加工教學(xué)的模式和多軸加工編程觀念，以及CAM軟件在教學(xué)中的地位及作用。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式 機(jī)床系統(tǒng)功能 CAM軟件

先進(jìn)制造技術(shù)（多軸加工）的發(fā)展已經(jīng)提高到國(guó)家戰(zhàn)略層面。根據(jù)教育部等三部委聯(lián)合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》，到2025年我國(guó)對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床的人才需要900萬(wàn)人，缺口預(yù)計(jì)到450萬(wàn)人。目前國(guó)內(nèi)很多技工院校先后引進(jìn)了多軸數(shù)控機(jī)床，但是目前多軸課程的開發(fā)以及如何授課，是擺在很多學(xué)校面前的急需解決的問(wèn)題之一。

一、國(guó)內(nèi)外多軸教學(xué)模式

1.國(guó)內(nèi)多軸教學(xué)現(xiàn)狀

技工院校學(xué)生在學(xué)習(xí)多軸加工課程前，已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)普通機(jī)加工以及數(shù)控車、銑床加工以及金屬切削工藝等相關(guān)知識(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)多軸加工已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)。很多院校在配置完多軸機(jī)床后就購(gòu)置了能用來(lái)編制加工程序的CAM軟件。雖然CAM軟件極大提高了多軸機(jī)床的利用率，但是學(xué)生直接學(xué)習(xí)CAM軟件加工并不能真正了解多軸機(jī)床加工的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作狀態(tài)。CAM軟件設(shè)置了合理的加工方式后輸出的代碼可以使機(jī)床進(jìn)行正確的機(jī)床運(yùn)動(dòng)。學(xué)生雖然可以在教師幫助下完成工件的加工，但是學(xué)生對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的空間運(yùn)動(dòng)及設(shè)備的特點(diǎn)并不是很了解。這樣讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)多軸加工會(huì)有一定的誤解，認(rèn)為多軸加工程序編制只要學(xué)好CAM軟件編程就可以了。

2.國(guó)外多軸課程教學(xué)模式

筆者在國(guó)外參加了多軸加工學(xué)習(xí)，并查閱了大量的資料，得知國(guó)外的多軸加工學(xué)習(xí)理念和我國(guó)有很大的不同。國(guó)外都是讓學(xué)生從手工編程學(xué)起，因?yàn)檫@樣才可以培養(yǎng)學(xué)生的“3+2軸”五軸基礎(chǔ)空間想象能力。學(xué)生只有更好地了解到了多軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方式及設(shè)備的特點(diǎn)，才能夠?qū)Χ噍S加工有了更深刻的理解。我國(guó)目前的大多數(shù)學(xué)校培養(yǎng)方式是以計(jì)算機(jī)編程技術(shù)為基礎(chǔ)，這樣不能很好培養(yǎng)學(xué)生五軸的空間變換等理念。如果選用的CAM軟件在機(jī)床建模及模擬仿真不好，很容易造成撞機(jī)現(xiàn)象。國(guó)外多軸課程主要培養(yǎng)學(xué)生五軸機(jī)床空間想象能力，課程側(cè)重于常規(guī)加工與多軸加工零件的相互聯(lián)系。讓學(xué)生掌握兩者之間的區(qū)別，引導(dǎo)并啟發(fā)學(xué)生根據(jù)加工零件進(jìn)行多軸零件工藝編制，熟練掌握手工程序編制并獨(dú)立完成機(jī)床操作。

3.數(shù)控仿真軟件輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)

由于多軸設(shè)備比較昂貴，一般一所學(xué)校只采購(gòu)1～2臺(tái)，往往會(huì)出現(xiàn)“學(xué)生多，設(shè)備少”的問(wèn)題。如果采用多軸數(shù)控仿真軟件，就能夠解決實(shí)訓(xùn)學(xué)生人數(shù)較多的問(wèn)題，如德國(guó)Keller仿真軟件、上海宇龍仿真軟件等，可以做到人手一臺(tái)。目前市面上好的仿真軟件可以做到與真實(shí)機(jī)器一樣的使用效果，如機(jī)床模型和控制面板的操作效果一樣，學(xué)生在仿真軟件上可以進(jìn)行編程的學(xué)習(xí)并找到編程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

二、多軸設(shè)備重要系統(tǒng)功能

多軸數(shù)控加工是指在三個(gè)移動(dòng)軸（X、Y、Z）聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)上，再增加繞這三個(gè)移動(dòng)軸的一種加工方式。這些運(yùn)動(dòng)方式可以是全部聯(lián)動(dòng)的，也可以是部分聯(lián)動(dòng)的（定軸加工）。

1.RTCP功能（刀具中心點(diǎn)控制）

提到多軸數(shù)控系統(tǒng)，就不得不說(shuō)五軸機(jī)床一個(gè)非常重要的觀念。在多軸加工行業(yè)里經(jīng)常提到一個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)：“真五軸”與“假五軸”?！罢嫖遢S”與“假五軸”有何區(qū)別呢？了解這個(gè)觀念對(duì)教學(xué)是很有幫助的，接下來(lái)筆者以圖1為例闡述一下“真五軸”與“假五軸”的區(qū)別。

從圖1中可以看出有RTCP和無(wú)RTCP的功能的區(qū)別。無(wú)RTCP功能的機(jī)床如果轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，機(jī)床的線性軸不會(huì)移動(dòng)，加工坐標(biāo)也沒(méi)有發(fā)生改變，但是旋轉(zhuǎn)軸后刀具中心點(diǎn)位置是不對(duì)的，這樣進(jìn)行加工是不正確的。而具有RTCP功能的機(jī)床如果轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸，機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)進(jìn)行位置偏差補(bǔ)償計(jì)算，始終保持刀尖點(diǎn)位置相對(duì)工件的加工位置是正確的。“真五軸”與“假五軸”的區(qū)別就是在于多軸機(jī)床是否具有RTCP功能，不具備RTCP的機(jī)床也是可以進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng)加工，但是在工件安裝和產(chǎn)生加工NC代碼方式上會(huì)有一定的區(qū)別，相比于具有RTCP功能的多軸機(jī)床要繁瑣很多。目前國(guó)內(nèi)技工院校采購(gòu)高檔多軸數(shù)控裝備時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)往往選配為海德漢Heidenhain iTNC530和西門子SINUMERIK 840D系統(tǒng)。這兩個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都有RTCP功能，海德漢系統(tǒng)采用M128指令，而西門子公司采用TRAORI指令。

2.框架FRAMES方式

還有一個(gè)很重要的觀念，就是多軸機(jī)床編程時(shí)使用框架FRAMES方式來(lái)進(jìn)行編程，什么是框架FRAMES方式？以圖2為例進(jìn)行分析。

工件坐標(biāo)系確定在工件的左上角，第一步，平移加工坐標(biāo)系到1點(diǎn)，第二步再旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系的Z軸方向垂直于加工斜面。這樣就可以像三軸一樣可以手工編程去加工斜面上的孔系，加工坐標(biāo)系平移加旋轉(zhuǎn)方式。這就是框架FRAMES方式。Heidenhain iTNC530和西門子SINUMERIK 840D系統(tǒng)，這兩個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都有FRAMES方式功能，海德漢系統(tǒng)采用CYCL DEF 19、 PLANE SPATIAL指令，而西門子公司采用CYCLE800、ROT指令。以上指令的使用可以用來(lái)編制定軸加工的零件。

以上兩個(gè)重要的數(shù)控系統(tǒng)功能，多軸機(jī)床教學(xué)人員必須要熟練應(yīng)用。操作不具備RTCP功能和框架FRAMES方式的多軸機(jī)床需要先進(jìn)行一部分對(duì)刀操作，然后進(jìn)行工件裝夾，安裝好后，按對(duì)刀要求進(jìn)行校正，輸出加工代碼后才可以進(jìn)行加工。而具備RTCP功能和框架FRAMES方式的多軸機(jī)床的操作方式和普通三軸數(shù)控銑床一樣，先安裝工件，然后進(jìn)行對(duì)刀，輸出代碼后就可以進(jìn)行加工。

三、多軸加工CAM軟件

筆者通過(guò)走訪一些加工企業(yè)，與多軸加工相關(guān)從業(yè)人員交流，了解到企業(yè)首先考慮的是設(shè)備的安全以及生產(chǎn)加工的效率。因?yàn)楦邫n多軸設(shè)備都比較昂貴，維修的費(fèi)用比較高昂，企業(yè)的零件結(jié)構(gòu)比學(xué)校教學(xué)的零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、多樣化，一般的手工編程難以適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)需求，所以企業(yè)往往會(huì)選用一套安全高效的CAM加工軟件，以減少機(jī)床碰撞事故并提高設(shè)備使用效率及加工時(shí)間。安全、高效的加工軟件應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)。endprint

1.軟件安全可靠

五軸機(jī)床設(shè)備都比較昂貴，由于參與的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)增加，編程與加工的復(fù)雜性提高，所以軟件的碰撞與過(guò)切的檢查必須準(zhǔn)確、可靠。

2.軟件容易上手

五軸加工刀路設(shè)置通常會(huì)比三軸加工刀路編程復(fù)雜一些，由于要考慮刀軸矢量和加工策略等因素以及刀路是否發(fā)生干涉等情況，因此在實(shí)際加工中，選用的CAM軟件需要易學(xué)易用，操作過(guò)程簡(jiǎn)單。

3.機(jī)床仿真模擬功能

編制五軸加工程序時(shí)，用戶要考慮該程序在五軸機(jī)床上運(yùn)行的可靠性和安全性，CAM軟件必須進(jìn)行機(jī)床準(zhǔn)確建模后仿真驗(yàn)證，用戶從中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)調(diào)整刀具路徑以避免運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)極限，從而避免碰撞的發(fā)生。

學(xué)校在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)首先學(xué)習(xí)的是手工編程，隨著課程的深入，學(xué)生也要進(jìn)行CAM軟件的編程學(xué)習(xí)。CAM編程軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)該將建模部分學(xué)習(xí)關(guān)注點(diǎn)集中在加工模型的繪制及優(yōu)化上，以及機(jī)床真實(shí)加工環(huán)境的建模上（夾具、毛坯、刀具、刀柄等），因?yàn)檎鎸?shí)的建?？梢员ＷC機(jī)床在模擬時(shí)準(zhǔn)確仿真出機(jī)床的碰撞與干涉，確保機(jī)床安全的運(yùn)行。加工部分的學(xué)習(xí)應(yīng)注意加工工藝的執(zhí)行。按照“先執(zhí)行工藝、然后生成刀路”的思路進(jìn)行加工刀路的設(shè)計(jì)，一款安全、高效的軟件的CAM軟件可以使編程容易很多。

四、小結(jié)

綜上所述，技工院校要培養(yǎng)出優(yōu)秀的先進(jìn)制造技術(shù)人才，首先要結(jié)合自己學(xué)校的情況，充分了解自己的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在教學(xué)過(guò)程中充分挖掘多軸數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)功能，開展與之對(duì)應(yīng)有效的教學(xué)方式，才能將多軸設(shè)備的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，在課程設(shè)置方面應(yīng)該先側(cè)重于先進(jìn)行手工編程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力，掌握多軸加工概念與設(shè)備的特點(diǎn)。然后進(jìn)行三軸零件與多軸零件加工工藝的相互聯(lián)系學(xué)習(xí)，掌握多軸零件工藝編制。數(shù)控仿真軟件的使用可以有效提高實(shí)訓(xùn)設(shè)備使用時(shí)間并有效減少碰撞事故，并有效緩解實(shí)訓(xùn)設(shè)備不夠的難題。最后，結(jié)合一款安全、高效的CAM軟件能夠讓設(shè)備使用率提高，有效提高加工時(shí)間，并避免了設(shè)備碰撞帶來(lái)的高額維修費(fèi)用。

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（作者單位：溫州技師學(xué)院）endprint