虚拟仿真技术在数控五轴加工教学中的应用探究

刘永锋

[摘           要]  五轴联动数控机床的结构复杂，编程、操作技术较难掌握，加工时容易发生碰撞、超程、干涉等现象，学生在实操过程中容易发生安全问题，五轴机床价格昂贵，多数学校投资设备少，不易开展大范围实操训练。以中职学校数控技术应用专业为例，探究虚拟仿真技术在数控五轴加工教学中的优势，通过虚拟仿真技术的应用，降低教学成本，减少操作的安全隐患，拓宽学生实操覆盖面。

[关    键   词]  数控仿真;五轴联动;VERICUT软件;实操教学

[中图分类号]  G712                   [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2020）15-0170-02

数控机床是实现先进制造技术和装备现代化的基础，是高技术产业的发展和国防军工现代化的战略装备。随着高精制造业的不断发展，五轴联动数控机床在航空航天、精密仪器、船舶、发电等行业得到了极其广泛的应用。近年来，为了培养能更好地适应工业现代化需求的数控专业人才，各类职业院校开设数控多轴加工课程，采购先进五轴设备，开展教育教学。但由于五轴数控设备价格昂贵，学校不能大批量装备，再加上五轴联动数控机床的实操教学难度大，编程加工时容易出现碰撞、超程、干涉等现象，易发生安全事故，实操教学不能大面积开展，同时为了能让大多数学生都参与实训就需要借助虚拟仿真技术，利用数控仿真软件进行仿真加工来辅助教学。

一、虚拟仿真技术与五轴联动技术

（一）虚拟仿真技术简介

虚拟仿真技术是指在构建模型的基础上，使用部分仿真软件模拟真实实验模型以及在实验模型数据作用下实现一系列的具體化实践操作。随着虚拟仿真技术的日渐成熟，其在数控技术教学领域应用持续增多，将数控仿真软件应用于实践教学中，VERICUT软件就是比较典型的数控仿真软件。

（二）五轴联动技术现状

装备制造业是一国工业的基石，它为新技术、新产品的开发以及现代工业生产提供重要的手段，是重要的战略性产业。即使是发达工业化国家，也高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展与国防建设的需要，对高档五轴联动数控机床提出了急迫且大量需求。五轴联动数控技术是数控技术中知识结构最广、难度最大且应用范围最为广泛的技术，它是集计算机编程控制、高性能伺服驱动和高精密加工技术于一体的精密机床，主要应用于复杂曲面的高效能、高精密、高自动化的加工。在国际上，通常把五轴联动数控技术作为衡量一个国家生产设备自动化技术水平的重要标准。因此，培养五轴联动数控技术专业人才刻不容缓。

二、数控五轴加工实训教学中存在的主要问题

1.五轴联动数控机床的结构比较复杂，编程、操作难度大，并且容易发生碰撞、擦撞、超程、干涉等现象。

2.数控五轴联动加工实训教学难度大，教学涉及知识面比较广，加工、编程技术较难掌握，学生在实训操作过程中容易发生安全事故，给实训操作带来了安全隐患。

3.五轴联动数控机床价格昂贵，多数学校投资设备较少，再加上实训学时有限，不易实现较大范围学生的实训操作训练，因此也很难让大部分学生都能达到熟练操作机床的教学目的。

4.五轴联动数控机床按钮多、操作难度大，再加上编程要求高，而且学生刚开始操作不太熟练，容易产生误操作，会造成机床非正常的损耗很大，同时还存在一些安全隐患，给老师和学生都会造成很大的心理压力。

三、基于VERICUT软件的数控五轴加工仿真过程

VERICUT是一款专用的数控加工仿真软件。它用三维模型直观显示各种机床、加工刀具、加工零件及各辅助设备的运动及位置情况，能直观、有效、安全地模拟、验证、分析整个切削过程，在虚拟的环境中完成对NC程序的校验及优化。

（一）虚拟五轴数控机床仿真模型及仿真系统的建立

VERICUT软件建立机床模型的方式有两种。一种是通过VERICUT软件建模工具建立模型，另一种是通过实体软件建立模型之后导入VERICUT软件。

（二）虚拟机床基本参数设置

仿真的实体模型建立以后，必须根据机床实际情况，来对机床进行初始化的设置。包括行程位置、运动轴限位、换刀等各项参数，以确保仿真机床的动作与实际机床运动相一致。当机床在虚拟仿真过程中出现碰撞、干涉及超程时，就会出现报警提示，以方便发现机床在切削加工过程中出现状况。

（三）建立刀具库

VERICUT软件提供了刀具管理库，可以有效管理孔加工刀具、铣刀、车刀等，健全了刀具信息，优化了对刀点、刀柄、刀刃和刀片等参数，可以非常精确地确定刀具的位置和形状参数。用户也可以根据生产经验和生产实际对这些参数进行调整，通过仿真结果，找出最优的一组参数保存，从而建立起适合自身机床或适合刀具实际状况的数据库。

（四）机床加工过程仿真

首先，添加工装夹具、安装毛坯;其次，建立工件坐标系，设置G代码偏置;最后，导入程序，在主界面重置模型，进行仿真加工。

（五）仿真分析及加工程序优化

仿真分析分为两项：第一项是对机床干涉的分析，此项主要内容是检测刀具的非切削轨迹与工件之间的干涉、机床的部件与工件间的干涉等，若存在干涉，软件会出现提示，且会在命令行中显示干涉所在行，方便分析与处理。第二项是对机床加工精度的分析，零件虚拟仿真加工的结果，可以和加工零件的三维模型进行比对、分析，检测欠切和过切等情况，并显示结果。

四、虚拟仿真技术在数控五轴加工实训教学中的优势

（一）优化教学情境，增强学习兴趣

在中职学校专业课教学中，多数学校还是以讲授、讨论、参观、演示等方式介绍数控机床的基本操作方法，这些教学方法比较传统、枯燥，由于动手操作的内容有些操作关联性较强，不可能通过操作一次性就可以掌握，而通过演示、讲授很多遍，学生也不会理解，所以就更难以激发学生的操作兴趣和学习兴趣。尤其是数控五轴的教学，教学难度大，涉及知识面比较广，技术较难掌握，编程难度大，在教学中使用数控仿真软件，不仅可以做到理论与实践相结合，而且授课老师可以使用数控仿真软件进行技能操作演示和相关的理论知识的分析，以强化学生对各项操作指令和操作步骤的学习，学生可以通过电脑观看实训老师的操作演示，逐步进行相关操作。难度大的操作，老师可以进行保存工程或者录屏，学生可以反复观看直到完全掌握。运用数控仿真软件可以使实训教学做到理论与实操结合，增强学生的学习热情和兴趣，提升实操效果，为学生操作机床打下坚实的基础。

（二）化难为易，排查故障，优化加工程序

数控机床具有操作简单、安全性高、容易上手操作等优势。但是数控五轴联动加工具有机床的结构比较复杂、加工时编程难度大，并且容易发生碰撞、擦撞、超程、干涉等特点。需要五轴联动加工的零件一般具有结构、轮廓复杂的特点，用来加工具有自由曲面的机械零部件、汽轮机转子、涡轮机零部件、船用螺旋桨和叶轮、叶片等。而这些零件往往建模、编程难度大，由于零件结构复杂的缘故，在加工时经常会出现碰撞、干涉等故障情况，而五轴联动机床的价格昂贵，维护成本高，在学校教学中使用，基本上不敢放手让一个刚学习五轴编程与加工的学生来直接操作，如果操作出现失误或编程有问题，后果不堪设想。通过VERICUT软件的使用，可以先在仿真软件上熟悉机床界面，达到对机床面板的熟练操作，然后再进行程序仿真，检查程序的正确性。同时，VERICUT软件还具有程序速度優化的优点，通过VERICUT优化，可以大大提高加工效率，通常能达到30%左右。可以减少机床和刀具磨损，延长机床和刀具的使用寿命。优化后的程序不需要再通过人工调整，能够实现无人工干预，从而真正减轻了工人的劳动强度。

（三）安全便捷，增强信心，提高学习效率

数控五轴联动加工教学难度大，涉及知识面比较广，技术较难掌握，学生在实训操作过程中容易发生安全事故，给实训操作带来了安全隐患。由于五轴联动机床是高端机床，价格昂贵，所以目前我们不能达到一人一机床的实训教学条件。为了有效克服此困难，可以在教学中使用数控仿真软件，数控仿真软件不仅可以模拟机床操作的全过程，也可以对机床的误操作进行及时报警，这样可以帮助学生找到实操过程中出现故障或者误操作的应对方法。此外，中职学生初次接触五轴数控机床，刚开始操作时，虽然会有专业老师指导，不免会出现机床故障、技术性失误或安全事故等问题。使用数控仿真软件进行实践操作基础训练，安全性较高，减少了教学安全事故发生。有些学生初次接触五轴编程及加工时，会产生畏难情绪，不敢大胆地去操作。对广大中职学校的师生来说，在实践教学过程中使用数控仿真软件，可以大幅降低教学的难度，减少安全隐患，增强学生的学习兴趣，增强学生操作学习的自信心，实现教育教学的多元化，帮助学生掌握机床操作方法，提高学习效率。

（四）降低成本，减少误操作，提升教学质量

五轴数控机床价格昂贵，多数学校资金投入比较少，加之实训学时有限，不能开展大范围的实操训练，因此，就很难让大部分学生达到熟练操作五轴数控机床的教学目的。同时在长期数控专业实训教学中，我们发现学生在刚开始接触五轴联动数控机床时，会比较害怕，主要是因为五轴机床面板比较复杂，按钮多，操作难度大，再加上刚开始操作不太熟练，比较容易产生误操作，会造成机床非正常的损耗很大，而且还存在一些安全隐患，给老师和学生都会造成很大的心理压力。在机床面板操作的学习中，老师的演示操作只是周围几个同学能够看清楚，而且学生不一定都能将听过的步骤完成，还需要老师反复讲解，学生对一些误操和程序的错误作刚开始都无法自己解决，需要老师不断指导，也使老师的工作量加大。数控仿真软件则可以克服以上困难，误操作电脑会报警，老师会指导解决问题，不会产生撞刀等安全事故。在操作教学上，老师可以在电脑上一对多地给所有的学生同时演示机床面板操作，每一个操作步骤可以一边教一边练，学生巩固掌握起来也就会很快。对中职学校数控专业的师生来说，数控仿真软件的使用，既降低了教学成本，也减少了误操作，提高了教育教学质量。

五、结语

将数控仿真技术应用于数控五轴加工实践教学，可减少实训教学成本，减少安全隐患，也可大幅降低教学的难度，增强学生机床操作学习的自信心，增强学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，实现教育教学的多元化，提高学习效率和教学效果。

参考文献：

[1]吴奥嵩.五轴加工仿真技术在实训教学中的应用研究[J].科技经济导刊，2017（17）：41.

[2]丘立庆.基于MasterCAMVERICUT的数控加工仿真及优化[J].装备制造技术，2012（9）.

[3]黎毅聪.中职学校数控教学中数控仿真系统的应用[J].科技视界，2017（5）.

[4]王晓勇，王晓强.VERICUT软件构建五轴机床仿真模型的方法及应用[J].科技创新与应用，2016（1）.

编辑 郑晓燕