基于CAD/CAM数控技术理论与实训教学研究

尹建阁

（同济大学浙江学院机械与汽车工程系，浙江 嘉兴314051）

为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展纲要（2010-2020年）》，一定比例的本科高校根据应用型办学定位，加强学生实践能力培养，专业发展紧密结合地方特色，教学体系建设体现"应用"二字，更新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，强化原有的实践环节，加大理论课程的实习实训比重。本科高校数控技术是机械设计制造及其自动化专业的一门专业特色课程，区别于高职高专数控专业，其课程群相对不完善，数控机床、加工中心等设备投入不足，因此亟待通过调整，实现其理论性及实践性较强的课程特色，使得学生掌握必备的基础理论和专业知识的同时能够从事数控机床产品加工、数控设备的调试等生产及管理实际[1]。本文针对数控系统代码繁多且抽象的问题，以典型的循环指令为例，应用二维制图分解毛坯切削具体过程使代码参数图形化显示以强化基础理论学习，并应用宇龙数控仿真软件在数控车床（FANUC 0i系统）上全程仿真操作增强加工过程的理解，以及提高数控程序编写与检验的能力。基于CAD/CAM的教学与实训突出理论联系实际，在现有实训条件下确保实践教学效果，增强了应用性人才的能力培养。

1 基于二维制图的加工程序分解

1.1 零件加工程序

数控车床主要用于加工轴盘类等回转体零件，通过加工程序的运行可以自动完成外圆柱面、圆锥面、成形面、螺纹和断面等工序的切削加工[2]。图1所示零件基本包含了车削零件的基本特征。根据零件图，选择直径为52 mm的45钢作为毛坯，按照外圆车刀循环粗车外圆、外圆车刀粗精车圆弧、切槽、螺纹刀循环切削螺纹及工件切断的工艺路线，应用FANUC所编的粗精加工程序部分如下[2-4]:

O0008

N10 T0101

N20 G98 G0 G54 X200 Z500

N30 M03 S800

N40 M08

N50 X52Z2

N60 G01Z0F200

N70 X-1

N80 G00 X52Z2

N90 G71 U1 R2.5

N100 G71 P110 Q160 U0.5W0.1 F200

…

N180 G70 P110 Q160

N190 G00X200 Z500

N192 T0303

…

N290 T0202

…

N360 T0303

N370 M03S800

N380 G00X38 Z2

N390 G92 X35.3 Z-28 F2

…

N480 T0202

…

N540 M30

图1 零件图

1.2 外圆粗车循环分步分解

FANUC共有G00-G99共100种G代码，该程序既包含常用准备功能代码，又包含固定循环功能代码，如G71外圆粗车循环指令、G70精加工循环指令、G92螺纹切削循环指令。循环指令一般涉及参数较多，循环次数与具体加工路线无法直观展示。以程序中常用的的G71指令为例，从程序中仅仅可知每次循环的背吃刀量为1 mm，退刀量为1 mm，X、Z轴的精加工余量，以及进给速度为200 mm/min。实际上，根据G71加工路线规定进一步分析可知，对于本例52 mm的毛坯直径，一共需要循环9次完成粗车加工，第一刀的吃刀量为0.75 mm，第九刀的吃刀量为0.1mm，其余各刀的吃刀量为1mm，然后精加工吃刀0.5mm后得到零件标注尺寸。而通过二维制图可以进一步展示每一次循环的工进（实线线条）和退刀（虚线线条）轨迹以及加工后的加工面形状，如图2所示。

图2 毛坯切削过程二维分解

同理可以展示端面粗车循环、螺纹切削循环等加工代码单次加工的具体轨迹及加工后的零件外形，从而使学生在课堂上就能深入理解指令的含义，提高学习效率。此外，实践证明课后让学生自行对循环指令进行加工过程的二维制图分解可以明显加强学生对加工代码的熟练程度。

2 零件加工仿真

2.1 仿真软件

将仿真技术引入数控实训中，可以模拟真实的实训过程，生动展现实训设备的构造、工作原理和操作规程。数控加工仿真软件的这一优势，一方面可以在学时紧张的情况下弥补本科教学缺乏实际加工认知不足的缺陷，在一定程度上增强学生动手能力；另一方面在机床、工具及耗材上可以节约大量成本。对于非数控专业的教学而言，后者是学校及专业发展考虑的重要因素[5]。目前国内高职高专将仿真技术运用于数控实训教学之中，非常值得本科教学借鉴。通过一年多的实践发现学生通过使用仿真软件，不仅对各类加工工艺、刀具用途及零件成形原理认识加深，而且极大提高了对数控编程的重视程度。

2.2 仿真加工

目前国内数控仿真教学系统较多，如南京宇航、北京斐克、上海宇龙、广州超软、武汉金华等。通过对比选择上海宇龙软件作为辅助实训教学软件，加工图1零件步骤如下：选择机床→激活机床→设置并安装零件→导入加工程序→对刀→检查加工轨迹→自动加工。仿真加工过程中，要求学生熟悉系统的工作界面以及各功能健用途，掌握对刀方法并使用手轮精确对刀。为了进一步了解各程序段代码功能，可以使用“单节”功能健，以便运行程序时每次执行一条数控指令。

图3为粗车毛坯时所选取的加工工步，（a）左图为第一次粗车后从测量对话框中读取被加工面的直径为50.5 mm，（a）右图为第二次粗车后从测量对话框中读取被加工面的直径为48.468 mm，（b）左图为第九次粗车（即粗车循环最后一刀）后，从测量对话框中读取被加工面的直径为36.268 mm，（b）右图为精车后，从测量对话框中读取被加工面的直径为35.768 mm.与1.2节外圆粗车循环分步分解所分析的尺寸误差在0.05 mm内，主要由于人工对刀引起。零件加工最终走刀轨迹和加工结果如图4和图5所示。

图3 仿真加工及加工面尺寸测量

图4 加工轨迹

图5 零件加工结果

对外圆粗车循环指令分析并绘制二维图展示毛坯切削具体过程，然后对比仿真加工中分步加工尺寸测量，可以很好验证编程代码，对于初学数控编程的学生印象极其深刻。

此外通过实践发现，进行仿真加工的一组学生比较注重最终加工零件的形状，而进行二维制图的一组学生则更注重代码中参数对走刀的影响。当掌握一定数量零件的加工仿真后，学生对不同数控系统加工程序的编制的兴趣及自学能力得到强化。

3 总结

本文以外圆粗车循环指令为例，实践证明学生通过熟悉的二维制图可以快速理解复杂代码参数的具体含义，并通过数控加工仿真软件在熟练机床操作的同时提高了数控程序编写与检验的能力。对于限于学时及硬件条件的本科高校数控技术课程，在课堂及实训中引入CADCAM辅助教学，既满足学生掌握必备的基础理论和专业知识的要求，也加强了应用型本科高校学生实践能力的培养。

[1]姚瑞敏.数控仿真软件在数控实训中的应用实例[J].机械工程与自动化.2014（2）:194-196.

[2]赵玉岐.FANUC系统中G71指令应用的注意事项，

[3]何永华.FANUC系统中车削循环指令比较与应用研究[J].机械制造与研究.2009（2）:36-3.

[4]景海平.数控加工仿真与实训[M].北京:人民邮电出版社，2015.

[5]胡绍忠等.数控实训中应用仿真技术应该注意的几个问题[J].广西轻工业.2009（2）:117-120.