基于虚实结合的五轴加工技术实训方案设计

(天津机电职业技术学院，天津 300350)

2015年国务院颁布的《中国制造2025》行动纲要及教职成〔2016〕9号文件《制造业人才发展规划指南》，明确指出要发展“高档数控机床”并培养该领域高技术人才[1]。目前，五轴加工技术实践性强、刀轴位姿控制复杂、设备昂贵等特点，导致高职教育五轴加工技术教学实训环节存在课时不足、效果不理想等问题。在缺少设备的现状下，如何把复杂的五轴加工技术引入数控应用技术课堂成为各高职院校都面临的问题。笔者以全国技能大赛赛题为项目载体，基于CAM软件NXUG10.0与加工虚拟仿真软件Vericut8.1.1，开发了虚实结合的五轴加工技术综合实训项目。

1 实训资源简介

1.1 实训硬件

实训硬件设备选取日本山崎马扎克株式会社生产的型号为VARIAXS 500-5X II的五轴联动加工中心一台，普通数控车床一台，四轴立式加工中心一台。五轴加工中心主要技术参数如表1所示。

1.2 实训软件

常见的CAM软件有UGNX、CATIA、Pro/E、Mastercam、CimatronE、Surfcam、Powermill等。其中，UGNX的刀轴矢量控制更加灵活，所带的插补刀轴矢量控制和顺序铣削等编程功能可以使用户轻松地完成五轴加工[2]。因此，本实训项目选取UGNX10.0作为CAM软件。

表1 五轴加工中心技术参数

加工虚拟仿真软件有两种，一种是CAM软件自带的仿真功能模块，针对自身产生的刀路轨迹进行仿真；另一种是第三方虚拟仿真软件。目前市场上广泛应用的是VERICUT，该软件可以进行机床仿真和刀具轨迹验证，模拟机床加工过程，避免机床碰撞事故；还可以对程序进行优化，提高生产效率，改善零件表面质量[3-5]。除了考虑教学效果，也考虑软件在五轴加工技术领域的实用性，本实训项目选取VERICUT 8.1.1作为虚拟仿真平台。

1.3 教学载体

教学载体选自第八届全国数控大赛-教师职工组(多轴联动加工技术)样题，CAD模型如图1所示。自2008年以来，技能大赛引领了专业发展，大赛资源转化为教学素材，推动了专业教学[6]。全国技能大赛的赛题内容设计符合企业与行业的生产需求，跟踪产业新技术，贴合现场工艺要求，可以集中反映职业标准和岗位要求。第八届全国数控大赛教师职工组多轴联动加工技术赛项的赛题，包含的几何特征种类多样，装配精度要求高。通过该项目的训练，学生的CAD/CAM技术、多轴联动编程技术、加工技术等都会有显著提高。

图1 第八届全国数控大赛-教师职工组(多轴联动加工技术)样题CAD模型

2 实训项目设计

2.1 总体设计

实训项目面向的学生是具有一定理论基础及实操基础的数控技术、模具、机械设计与制造专业的学生。在学生完成数控机床操作职业技能鉴定并取得中级和高级之后，开展此实训课程。实训总课时36学时。实训目标是提高学生对CAD/CAM技术、刀具、五轴加工操作、五轴机床参数设置、五轴编程、五轴工艺、五轴后置、代码传输、装配等技能的综合运用能力。项目采用小组形式展开，以学生实际操作为主，以老师教学为辅。

实训项目采取虚实结合的方式展开。所谓虚实结合是指虚拟仿真与实际操作交替出现[8-9]。本实训项目的虚实结合的主要理念为：“有虚有实、先虚后实、以虚促实、能虚不实”，以此来解决五轴加工中心设备昂贵，数量不足的问题。

2.2 项目分解

根据实际加工工艺流程把实训项目分解成若干个子项目，具体如表2所示。

3 项目分析

3.1 教学重点

实训项目面向的对象是已经完成了数控机床操作职业技能鉴定，并取得中级和高级的学生，实训项目主要目的是查漏补缺的同时引导学生学习五轴加工技术。因此实训项目的教学重点主要是五轴加工技术部分，而对于五轴加工技术，定向加工和五轴联动加工是最常用的两个功能，因此实训项目的重点是定向加工和五轴联动加工的相关指令和编程方法。

表2 实训项目子项目分解表

3.2 教学难点

五轴加工技术的难点在于刀具刀轴位姿控制的复杂性及加工过程干涉的难预测性，这使得五轴加工不得不借助于CAM平台和虚拟仿真平台。其中CAM平台NXUG10.0提供了大量的刀路轨迹规划方法和刀轴位姿控制方法，是教学难点。

4 教学实施

由于实训对象已经具备一定知识技能，因此以学生为导向的自主应用为主，以教师的点拨引领为辅，针对重点难点进行逐级递进的分解教学指导。以零件“基体”为例，给出实训过程的知识分解示例，如表3、表4所示。

4.1 定向加工

五轴定向加工是五轴加工中最经常使用的加工方式之一[9]。五轴定向加工指的是在五轴机床上使刀轴固定在一个方向上进行加工，一般应用于粗加工、平面加工，也可以用于无曲面或者对曲面加工要求低的型腔精加工。

表3 定向加工重点难点内容分解示例

4.2 五轴联动加工

五轴联动加工是机床的五个坐标轴在数控系统的控制下同时协调运动加工。五轴联动加工主要用于复杂曲面的加工。

表4 五轴联动重点难点内容分解示例

4.3 仿真及加工

在虚拟仿真平台VERICUT8.1.1的机床模型库中调取mazak_variaxis500.mch文件，在数控系统模型库中调取mazatrol_matrix_m.ctl文件。依次将坐标系、刀具设置好，将毛坯、夹具模型和NC程序导入VERICUT 8.1.1，进行虚拟仿真，如图2所示。

图2 VERICUT虚拟仿真环境及仿真结果

由于机床设备短缺，因此经过对虚拟仿真结果进行评比，选拔虚拟切削效果最好的组进行实际加工并装配，学生作品如图3所示。

图3 优秀作品装配体

5 结 语

2019年2月13日，国务院印发《国家职业教育改革实施方案》，明确提出“职业院校实践性教学课时原则上占总课时一半以上”。五轴加工技术的实践课程如何开展将会是高职数控类专业急需解决的问题。本实训方案在五轴机床数量有限的情况下，采用虚实结合，新旧知识耦合，逐级分解等教学方法。经过实际实训教学验证，该实训方案，不仅使学生巩固了已经学过的知识和技能，而且使深奥难懂的五轴加工技术更易理解，调动了学生的积极性。