协同育人的五轴数控加工实训课程体系构建与研究

韩 伟，林玉泉，杨成振，李庆光

(1.华南理工大学广州学院，广州 501800；2.粤北技工学校，广州 韶关 512038；3.广东斐克科技有限公司，广州 佛山 528203；4.广州里工实业有限公司，广州 510425)

五轴联动数控机床是一种专门用于加工复杂曲面或多面体零件的高精度机床，由于五轴加工中心机床的设备昂贵，刀轨预判复杂等原因，许多院校只能通过虚拟仿真手段进行CAM电脑编程实训教学，没有或很少在机床上进行实践加工训练；而部分拥有五轴加工设备的企业却又存在技术人才缺乏、设备利用率低等现象，造成了五轴加工人才培养缺乏示范性的课程模式，企业人才需求得不到满足的现状。近几年来，我们通过参加部分区域公共实训基地举办的五轴加工培训班，以及指导选手参加全国数控大赛五轴加工中心项目竞赛的实践经历，对五轴加工的实训课程及人才培养过程形成了一定的认识和经验。

1 从职业能力结构出发分析五轴数控加工的课程体系内容

根据现代教育学理论,工程应用技术的实训课程体系是根据职业能力结构而产生的一种具有特定技术功能、特定模块结构的组合系统[1-2]。我们通过五轴加工的职业能力结构模型分析来确定实训课程的课程模块、教学目标和工作任务，具体的能力结构模型如图1所示。其内容涵盖了五轴加工机床运动学及机床操作、刀轴矢量认识和编程策略应用、误差控制和刀位数据文件后处理等知识能力模块[3]。

从该模型图中可以看出，五轴加工课程是一个以空间几何数学逻辑知识、数控机床结构原理为基础，从针对零件几何特征形状加工的CAM编程策略选择、刀具应用和空间刀具轨迹仿真验证判断再到后处理程序驱动机床加工的理论与实践模块组合的复杂体系[4]。这使得目前的企业或学校任何一方都很难单独完成上述人才培养任务。而区域公共实训基地作为引领区域高新技术人才培训的主体，担负着组织专项培训和构建创新发展的高新技术人才培训体系的职责，经过国家近几年的大量投资建设，许多区域公共实训基地都具有了高端技术和设备的优势，责无旁贷地应该联合起院校、五轴机床相关企业和数字化加工软件开发机构等各方共同完成培养五轴加工技术人才的任务目标。

图1 五轴数控加工职业能力结构模块图

2 协同育人的五轴加工一体化实训课程结构规划

五轴数控加工技术无论是操作还是编程，都需要以旋转运动坐标几何学作为动态倾斜刀轴控制编程为基础，再经过CAM编程加工训练才能成为合格的五轴加工应用型技术人才，该课程体系结构需要以理论课见长的院校师资人员和以实际操作和零件编程加工见长的企业技术人员共同承担，并在不同阶段分工合作完成实训教学[5]，具体的一体化教学实训过程如下。

2.1 五轴机床的结构及坐标系空间几何学认识

五轴机床的结构可以分为双转台五轴、双摆头五轴、单转台单摆头五轴3类。以其中较为典型的双转台五轴机床为例，如图2所示，其坐标的基本特征是两个旋转轴都在工作台上，3个直线轴与三轴机床一样仍为X,Y,Z轴；旋转轴则为A、C轴。A轴旋转平面为XZ平面，C轴旋转平面为XY平面[6]。

由于工件固定在工作台上，一旦两个旋转轴开始进行旋转运动，工件坐标系与机床坐标系则不再平行。其中坐标系统OwXwYwZw为工件坐标系，其原点设在刀具点上，其坐标轴方向与机床坐标系一致；工作台的坐标系为OmXmYmZm。原点Om为两个回转轴的交点，其坐标轴方向与坐标系OwXwYwZw的变换关系可进一步分解为OtXtYtZt相对于OmXmYmZm的平动，以及OmXmYmZm相对于OwXwYwZw的转动。加工时五轴机床的刀具路径是由刀具上动态参考点所经过的轨迹和刀具轴的运动方向组合确定的，如图3所示。

图2 典型双转台结构机床的坐标几何模型

图3 五轴加工空间刀轨模型

图中L为其中的一条空间刀具轨迹，P是刀具路径上动态的一点，S为工件表面，D为在这一点对应的刀轴矢量时，就可以推算出旋转后的S面上的动态P点坐标值[7]。由于讲解五轴坐标几何模型的目的不是要学员学会繁复的计算过程，而是需要学员了解坐标旋转变化的几何模型，增强空间刀位点的思维想象能力，正确判断刀具加工过程中的运动轨迹，为下一步操作机床进行基准坐标系设定和运用CAM软件编程奠定认知基础，所以我们往往不进行各轴坐标值的繁复计算推导教学，这部分教学的目的是需要学员了解五轴机床的基本结构及坐标系空间几何学模型，重点是下一步的CAM软件编程中加工策略和刀轴矢量控制应用等。

2.2 编程策略应用及刀轴矢量控制方式选择

五轴加工CAM编程过程中刀轴矢量控制方式选择是其比三轴加工编程复杂的一个主要原因，三轴立式加工中心编程时刀具主轴始终垂直于加工平面，而五轴加工编程刀轴则是按照编程者的设定沿着直线、曲线或轮廓运动着的，不同的刀轴矢量控制方式和刀具倾斜方式产生不同的空间加工刀轨[7]，这些具体的实践体会和认知必须通过实训练习才能总结出来，为了帮助学员认识刀具在加工过程中与工件的运动相对位置关系，了解五轴编程的各种刀轨轨迹特点功能应用，熟练的企业技师会根据实际产品加工的特点，归纳部分典型加工策略的刀轴控制和刀具倾斜运用表如表1所示。

表1五轴加工典型编程刀轴控制方式运用表

表1中针对钻孔加工、管道曲面加工和与曲面加工策略分别采用了3种不同的矢量控制方式以及相应的刀具倾斜方式；列出了加工零件特征形状与加工策略刀轴、矢量控制方式、刀具倾斜形式3个要素之间存在的对应关系[4]，只有当几个要素都进行了正确的组合选择，才能得到合理准确的刀轨计算结果，这需要通过不同零件的编程比较分析才能归纳得到，因此，该阶段实训特别需要企业技师结合实际加工案例进行分析讲解，并进行编程练习和虚拟仿真的效果比较验证才能形成基本的运用能力。运用MastercamX5编程软件进行汽车缸盖零件管道曲面加工以及应用VERICUT进行模拟仿真教学的分析如表2所示。

表2汽车缸盖零件管道曲面加工案例教学图表

2.3 构建合理的课程体系及师资配置组合形式

由于三轴加工的刀具轨迹只有3个自由度方向，所以编程者比较容易进行刀轨预测，再结合一般的虚拟仿真显示，很容易避免机床加工过程的碰撞等错误[8]。因此三轴数控加工对编程人员的职业能力结构要求并不十分严格，由企业或学校进行单一师资的实训培养即可成为三轴数控编程人才。而五轴加工的刀轨具有5个空间自由度，刀轨预判难度大大增加，需要编程者首先具备全面综合的空间五轴坐标运动学认识，再结合实践加工经验和虚拟仿真效果，详细比较分析刀轨在空间运动的可能轨迹。编程者的知识能力结构直接决定了五轴机床加工的安全性和零件加工的质量[5]，一旦编程错误或对刀轨进行了误判，很可能会造成昂贵的五轴机床设备发生碰撞损坏。传统的企业岗位技术培训由于只是针对短期需求，加之师资和时间等因素的限制，缺乏科学系统性规划，难以培训出职业能力结构全面合理的编程人员。因此构建公共实训基地、院校、企业等各方共建的五轴加工实训平台十分必要。在平台体系中企业参与培训既可以更有效地发挥其设备资源，又可以将企业的加工零件工艺案例作为实训课程内容；院校教师的参与使五轴加工实训的规范性和教学系统性增强，共同研究制定训练方案，设计典型训练任务目标[3]。如表3所示，其中既有分别开展的教学模块，也有共同完成的实训模块，改变了以往课程结构单一和师资人员单一的培训形式；把各方面的知识能力模块与企业产品加工过程相结合，优化五轴加工课程体系，企业技师和院校之间结成相互取长补短的师资配置组合形式，培养出全面符合五轴加工职业能力要求的技术人员[5]。

表3五轴实训一体化课程体系及师资组合表

序号职业能力实训教学目标实训工作任务师资组合1编程坐标和装夹方案认识认识五轴机床坐标系和机床结构,合理运用装夹方案,提高多维空间思维能力装夹方案选择,旋转坐标轴基准确定,五轴坐标刀位点计算院校教师2各种加工策略选择应用 区分应用各种编程策略模板及参数设定,学会选择对应于不同几何形状的编程策略定向加工、通道曲面等典型策略编程运用院校教师企业技师3刀轴矢量控制选择运用 掌握运用典型刀轴矢量设定方法,学会CAM软件刀轴控制计算形式,学会虚拟仿真软件应用平面定向控制和轮廓控制等各种刀轴控制的分类运用院校教师企业技师4切削参数和精度误差控制设定学会五轴加工编程刀具设定,认识工件与刀具空间位置关系,结合虚拟仿真增加刀轨预判能力经验虚拟仿真软件运用,典型加工任务编程,切削精度参数设定院校教师企业技师软件开发技术人员

(续表)

序号职业能力实训教学目标实训工作任务师资组合5机床结构类型选择及后处理设定了解五轴机床结构分类,掌握典型机床结构对应的后处理坐标系参数设定方法机床结构种类选择,设置后处理参数院校教师企业技师软件开发技术人员

3 协同育人五轴编程加工一体化实训的合作框架流程

以区域公共实训基地或高等学校作为协同育人平台发起者，企业提供实践岗位和教学训练部分设备资源，数字化软件开发机构则提供先进的虚拟仿真训练软件和虚拟设备，可以迅速构建五轴加工人才协同育人培养的一体化教学平台[5]。具体的平台结构与五轴培训课程运行流程结合如图4所示。图中，数字化加工软件开发机构的主要作用体现在两个方面。1)由于五轴切削的空间刀路轨迹复杂，许多程序在CAM编程软件里难以逼真有效地检查是否存在问题[9]；2)而智能化的虚拟仿真软件能真实模拟机床刀具加工过程中的干涉、过切、进退刀等状况，同时数字化加工软件开发机构还具有不断开发提升五轴智能加工软件功能或更先进的虚拟教学设备的技术能力，与实训相结合的同步开发能使五轴加工编程和虚拟仿真软件更易学、高效、智能和功能更丰富，对提升教学效率具有积极的推动作用[8]。

图4 五轴加工协作育人平台框架结构

这样的平台组合可以充分发挥高校的教科研优势，根据企业和院校的应用情况反馈，采纳各企业、区域公共实训基地的五轴加工人才培养的典型教学案例，集成为课程资源库，不断优化实训师资组合方式和课程结构组合，构建一体化五轴加工实训课程体系示范模式。

4 结束语

从教育理论角度来分析，五轴数控加工的技术认知过程中，认知领域的内容明显多于动作技能训练学习，其中有许多环节需要运用基本空间几何运动坐标原理进行分析、综合及转换等认知层次。因此需要改变以往沿用的三轴数控教学方法，直接以技能经验为课程主体开展五轴数控加工培训，同时结合部分空间立体几何与多维曲面数学方程等知识[10]，并于企业相互共享教学资源，建立与之相适应的师资配置组合教学合作方式，创新和提炼五轴数控加工人才培养的课程体系建设成果。规划院校、企业和虚拟仿真软件开发企业在五轴技术人才培养过程中应承担的角色，不断优化组合教学资源配置，培养出更多更好的五轴加工技术人才。

[1]陈良骥.复杂曲面数控加工相关技术[M].北京：知识产权出版社，北京，2011.

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[4]王细洋.Mastercam X5 从入门到精通[M]，北京：国防工业出版社，2012.

[5]陈宇.技能振兴，战略与技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

[6]黄翔，李迎光.数控编程理论技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[7]褚辉生.PowerMILL五轴编程实例教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[8]李勇,李伟光.机械设备数控技术[M]，北京：国防工业出版社，2012.

[9]刘战强，黄传真，郭培全.先进切削加工技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[10]杨金凤,钟成明.数控加工工艺装备[M].北京：机械工业出版社，2010.