融合現(xiàn)代工具的五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

丁爽　吳偉偉　戴敏　魏新龍

摘 ?要 為了提高大學(xué)生工程實(shí)踐水平和創(chuàng)新能力，必須加快新工科建設(shè)。融合現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB、工程CAD/CAM軟件UG以及仿真軟件VERICUT設(shè)計(jì)并實(shí)踐基于實(shí)際制造過程的五軸數(shù)控機(jī)床虛擬加工實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)感性認(rèn)知、促進(jìn)自由探索并開拓創(chuàng)新思維。教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐過程中包含數(shù)學(xué)、信息、工程等專業(yè)知識點(diǎn)，貫通學(xué)生所學(xué)課本知識，構(gòu)建學(xué)習(xí)生態(tài)鏈，讓學(xué)生深刻理解知識的有益作用及地位，激發(fā)學(xué)生各科課程學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪档统杀?、保障安全，有效解決高校五軸數(shù)控裝備短缺的現(xiàn)實(shí)問題。

關(guān)鍵詞 數(shù)控技術(shù);五軸數(shù)控機(jī)床;虛擬實(shí)驗(yàn);現(xiàn)代工具;MATLAB;UG;VERICUT

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)控技術(shù)是一門包含機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、機(jī)床技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程，對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)要求很高。為確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，必須改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)與手段，利用好多種現(xiàn)代信息工具，推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用[1-3]。針對數(shù)控技術(shù)課程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，劉旭波等人[4]

基于UG和浙大辰光數(shù)控虛擬加工軟件設(shè)計(jì)了三軸銑削加工虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn);李建廣等人[5]研究了基于虛擬仿真的數(shù)控加工技術(shù)實(shí)踐考評方法;蔡衛(wèi)國[6]介紹了大連海洋大學(xué)機(jī)械工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的典型案例，利用CAXA軟件進(jìn)行鼠標(biāo)三軸數(shù)控加工的虛擬仿真教學(xué)。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，五軸數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用于航空、航天、國防等領(lǐng)域。五軸數(shù)控機(jī)床是在三軸機(jī)床的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)造而成的。旋轉(zhuǎn)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(zhì)量的復(fù)雜自由曲面，但同樣會(huì)帶來易干涉、五軸編程復(fù)雜等難題[7]。在高校教學(xué)中，傳統(tǒng)三軸數(shù)控教學(xué)已無法滿足社會(huì)對高端制造人才的迫切需求。

然而，高校中存在五軸數(shù)控機(jī)床欠缺、高端設(shè)備無法讓學(xué)生操作的實(shí)際問題，虛擬實(shí)驗(yàn)可以很好地解決此問題[8-10]。

因此，設(shè)計(jì)并實(shí)踐五軸數(shù)控機(jī)床虛擬加工實(shí)驗(yàn)，可以使得每個(gè)學(xué)生都能親自感受五軸工藝過程，感悟理論知識價(jià)值，豐富課堂教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)效果。從學(xué)生角度來看，無法認(rèn)識所學(xué)知識的有益作用，無法直觀感受所學(xué)知識的實(shí)施方式，這些往往是限制學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力的根本原因。

為了提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的代入感、知識空間感，本文探索并實(shí)踐融合多種現(xiàn)代工具的虛擬實(shí)驗(yàn)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)施方法，取得較好的實(shí)踐教學(xué)效果。采用構(gòu)建跨學(xué)科學(xué)習(xí)生態(tài)鏈的思路，不僅能夠讓學(xué)生加深對五軸數(shù)控加工的直觀理解，提高數(shù)控課程教學(xué)效率，而且能夠讓學(xué)生明白各門課程的重要性，高校學(xué)習(xí)的各個(gè)環(huán)節(jié)都在整個(gè)生態(tài)鏈中占有重要地位。

2 五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文虛擬實(shí)驗(yàn)過程中采用的軟件有MATLAB、UG和VERI-

CUT。MATLAB語言的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中的形式相似，方便學(xué)生建立線性代數(shù)中矩陣運(yùn)算與機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸物理運(yùn)動(dòng)值之間的直觀聯(lián)系。UG軟件是一個(gè)交互式的CAD/CAM系統(tǒng)。VERICUT軟件可以實(shí)現(xiàn)用戶自己創(chuàng)建機(jī)床、設(shè)計(jì)工裝夾具、完成程序?qū)搿⒃O(shè)置多工位及切削工藝等，能全方位地模擬加工中的實(shí)際情況[4，11]。

五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排綜合考慮了虛擬實(shí)驗(yàn)軟件以及理論授課與實(shí)踐教學(xué)，如圖1所示。結(jié)合三種現(xiàn)代工具，針對理論授課中數(shù)控代碼自動(dòng)編程，設(shè)計(jì)UG刀具軌跡生成及基于MATLAB的后處理算法實(shí)驗(yàn)教學(xué);針對五軸機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)理論授課，設(shè)計(jì)UG虛擬裝配與結(jié)構(gòu)剖析實(shí)驗(yàn)教學(xué);針對五軸數(shù)控加工動(dòng)作原理、程序糾錯(cuò)、故障診斷和切削優(yōu)化理論授課，設(shè)計(jì)VERICUT數(shù)控系統(tǒng)虛擬操作、仿真切削及程序優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

為加深學(xué)生對五軸數(shù)控加工編程及制造過程的理解，本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括運(yùn)動(dòng)變換矩陣與機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系;以典型五軸復(fù)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(jī)床后處理算法，實(shí)現(xiàn)刀位數(shù)據(jù)與數(shù)控代碼的批量轉(zhuǎn)換;通過UG軟件的虛擬設(shè)計(jì)及裝配，進(jìn)行五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)認(rèn)知和模型裝配;構(gòu)建VERICUT虛擬仿真切削環(huán)境，進(jìn)行葉輪零件的仿真切削和程序優(yōu)化，創(chuàng)建更高效安全的數(shù)控程序，傳遞給學(xué)生優(yōu)化切削思想。

3 五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程

分析矩陣運(yùn)算與機(jī)床運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián) ?本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)授課中用數(shù)學(xué)中的矩陣來表達(dá)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)[12]，讓學(xué)生自主直觀描述矩陣的物理含義，搭建關(guān)系橋梁，如圖2所示。既能夠讓學(xué)生回顧所學(xué)基礎(chǔ)知識，調(diào)動(dòng)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)熱情，又能加深學(xué)生對機(jī)床運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在理解，掌握刀位數(shù)據(jù)后處理為數(shù)控代碼的基礎(chǔ)理論，增強(qiáng)課程教學(xué)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(guān)鍵在于切削參數(shù)的選擇，指引學(xué)生探索不同切削參數(shù)設(shè)置對刀具軌跡生成的影響，讓學(xué)生自由發(fā)掘并規(guī)劃相應(yīng)刀具軌跡，如圖3所示。

各個(gè)學(xué)生規(guī)劃的刀具軌跡優(yōu)劣可由仿真切削結(jié)果進(jìn)行評判，以切削效率和切削精度為主要判別指標(biāo)，最后通過仿真切削的方式進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化。教學(xué)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(yōu)缺點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生從多途徑、多角度思考并解決同一問題，發(fā)散學(xué)生思維，鍛煉學(xué)生分析比較能力，為解決實(shí)際復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。

五軸機(jī)床虛擬裝配及結(jié)構(gòu)剖析 ?實(shí)體五軸數(shù)控機(jī)床往往是完整的裝配體，很難對機(jī)床內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和認(rèn)知，關(guān)鍵零部件的裝配面、連接方式和傳動(dòng)原理難以有效辨識。而虛擬樣機(jī)則可以解決上述問題，可以根據(jù)需要任意隱藏和展現(xiàn)相關(guān)零部件，通過放大、縮小以及旋轉(zhuǎn)功能360度查看零部件細(xì)節(jié)，也可以通過精確的測量工具對零部件尺寸、配合形式等進(jìn)行分析?？梢栽赨G軟件中對五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行虛擬裝配和創(chuàng)建結(jié)構(gòu)爆炸圖，如圖4所示。結(jié)合數(shù)控原理和數(shù)控指令，通過虛擬樣機(jī)向?qū)W生講解指令傳輸和執(zhí)行原理，讓學(xué)生對五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)種類、運(yùn)動(dòng)部件傳動(dòng)原理以及機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定等有深刻直觀的理解。

刀位數(shù)據(jù)與數(shù)控代碼的批量轉(zhuǎn)換 ?傳統(tǒng)五軸加工后處理方法是應(yīng)用UG軟件構(gòu)造對應(yīng)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)的后處理器，通過后處理器實(shí)現(xiàn)刀位數(shù)據(jù)與數(shù)控代碼的批量轉(zhuǎn)換，是借助現(xiàn)有商用軟件的方法[13]。與傳統(tǒng)方法不同，本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)變換矩陣以及MATLAB編程語言，讓學(xué)生自主實(shí)現(xiàn)刀位數(shù)據(jù)與數(shù)控代碼的批量轉(zhuǎn)換以及數(shù)控代碼的輸出。

本文探索的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能夠讓學(xué)生理清現(xiàn)有商用軟件與數(shù)學(xué)理論的關(guān)系;能夠讓學(xué)生自己體驗(yàn)應(yīng)用數(shù)學(xué)知識自動(dòng)生成數(shù)控代碼的樂趣，加深對數(shù)學(xué)知識的價(jià)值和地位認(rèn)可;能夠開拓學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生興趣，對UG軟件刀具軌跡自動(dòng)生成原理產(chǎn)生好奇心，進(jìn)而對微分幾何等產(chǎn)生興趣，各科知識交叉互融，構(gòu)建豐富友好的知識空間體系。

五軸數(shù)控機(jī)床虛擬仿真及程序優(yōu)化 ?基于VERICUT的五軸數(shù)控機(jī)床虛擬仿真切削包含組件樹創(chuàng)建、實(shí)體模型創(chuàng)建及其與組件樹的關(guān)聯(lián)、機(jī)床運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、刀庫創(chuàng)建等內(nèi)容，均可以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力并加深串聯(lián)式五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系的理解。仿真軟件擁有與實(shí)際機(jī)床一致的操作體驗(yàn)，行程范圍檢測、碰撞過切干涉等不正常程序指令均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)操作報(bào)警，通過不斷犯錯(cuò)和糾錯(cuò)的方式可以加深學(xué)生印象、獲得不同內(nèi)涵理解，從而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

學(xué)生將自主生成的刀具軌跡、自主后處理得到的數(shù)控程序?qū)隫ERICUT軟件，調(diào)用刀庫中相應(yīng)刀具，設(shè)定加工坐標(biāo)系，執(zhí)行五軸數(shù)控加工程序，完成與實(shí)際機(jī)床動(dòng)作一致的加工過程，驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性與合理性。切削完成后，學(xué)生可以自己在軟件中對切削零件進(jìn)行測量，可以運(yùn)用自動(dòng)比較模塊分析零件切削效果，也可以通過程序優(yōu)化模塊根據(jù)切削過程模型對現(xiàn)有數(shù)控程序進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。機(jī)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(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容豐富，涵蓋復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工過程中各種問題的分析與處理，以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代工具綜合分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、自信和成就感。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)思考

為提高工程教育質(zhì)量，促進(jìn)工程教育國際化，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容以增強(qiáng)畢業(yè)生解決復(fù)雜工程問題的能力，是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)的保障措施。本虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)圍繞培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)能力展開，以五軸數(shù)控加工復(fù)雜自由曲面為切入點(diǎn)，結(jié)合三種現(xiàn)代可視化工具設(shè)計(jì)貫通數(shù)學(xué)、信息以及工程學(xué)的虛擬教學(xué)內(nèi)容，利用虛擬實(shí)驗(yàn)可視化、感知性、交互性和拓展性等特點(diǎn)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，調(diào)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生掌握分析實(shí)際工程問題、比較多種方案優(yōu)劣的探索能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程優(yōu)化意識。

通過五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)之后，學(xué)生普遍反映五軸數(shù)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(shù)控制造過程中涉及的數(shù)學(xué)知識、工程知識以及現(xiàn)代工具的基本使用方法，能夠舉一反三，運(yùn)用現(xiàn)代工具完成實(shí)際復(fù)雜自由曲面的加工。通過在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融會(huì)貫通各個(gè)學(xué)科知識點(diǎn)，學(xué)生更容易直觀地掌握相關(guān)知識，能夠認(rèn)識到其在解決實(shí)際工程問題時(shí)的作用和地位，構(gòu)建知識空間體系，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣。

從虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)反饋來看，在教育教學(xué)中要充分認(rèn)識到問題導(dǎo)向、貫通教學(xué)、價(jià)值學(xué)習(xí)、感官認(rèn)知以及自由探索的重要性，應(yīng)最大限度地增加學(xué)生的成就感和獲得感，將涉及的理論知識以通俗易懂、虛實(shí)結(jié)合的可視化方式展示給學(xué)生，讓學(xué)生自主挖掘?qū)W習(xí)樂趣，以激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高教育教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語

五軸數(shù)控加工虛擬實(shí)驗(yàn)提高了數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代工具解決實(shí)際工程問題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的工程優(yōu)化意識，拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維。通過建立矩陣與機(jī)床運(yùn)動(dòng)的關(guān)系橋梁、自主編寫數(shù)控代碼批量后處理程序、認(rèn)知五軸數(shù)控機(jī)床三維結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理、建立五軸數(shù)控機(jī)床虛擬仿真環(huán)境、進(jìn)行五軸數(shù)控加工仿真切削、分析及程序優(yōu)化，能夠增加學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，活躍課堂學(xué)習(xí)氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生分析比較并解決實(shí)際工程問題，讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)習(xí)樂趣、獲得感和成就感，進(jìn)入生態(tài)鏈學(xué)習(xí)良性循環(huán)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決了高校五軸數(shù)控機(jī)床欠缺以及機(jī)床無法讓學(xué)生親自操作的現(xiàn)實(shí)問題，使得學(xué)生能夠反復(fù)訓(xùn)練和操作與實(shí)際機(jī)床功能一樣的虛擬樣機(jī)，增添直觀學(xué)習(xí)感受，提高綜合水平。

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