基于数控加工虚拟仿真的实践教学课程研究——以南京邮电大学加工中心模块教学为例

于谭继

（南京邮电大学，江苏南京 210023）

南京邮电大学（简称“南邮”）作为一所多学科、多层次、以工学为主体的高校，大力培养科技创新水平高和社会服务能力强的人才。南邮工程训练中心在新工科背景下着重培养学生的工程思维、工程创新能力和工程实践能力，开展了多学科交叉融合的实践教育[1-3]。

加工中心教学模块使用的设备为4 台大连机床厂制造的FANUC 数控系统立式加工中心，理论与实操实训学习共计7 学时。由于设备数量少、操作复杂、实习学生人数较多和空间不足、学生操作不当等原因可能导致加工中心损坏或造成危险[4]。以往的课程教学主要由教师向学生讲授加工中心加工原理、机床实际操作技能，以教师演示实操方式为主，无法让每名学生都亲自动手操作，模式单一，教学效果不理想[5]。

目前，数控编程软件CATIA、NX、PRO/E、UG、MASTERCAM、HYPERMILL 和POWERMILL 等基本都为国外软件。CAXA 制造工程师软件作为国产数控编程软件虽然起步晚，但经过数年的完善，使用思维上更符合中国人的加工习惯，具有界面操作简单、便于上手、功能齐全的特点[6]。笔者提出学生使用CAXA软件进行作品模型构建，在实际加工之前，利用软件提供的虚拟加工环境，对刀具路径和材料切除过程等产品加工过程进行模拟，结合仿真过程，将可能遇到的问题直观地显示出来，并在计算机上直接进行修改或变更，从而减少真实加工过程中的不良状况，确保加工方法和加工工艺的合理性[7-9]。该模块教学将建模、虚拟仿真与实践操作教学相结合，让学生从无到有获得创意作品，可以使学生加深对数控加工的理解，提高实践教学质量，为实际操作提供安全保障。

1 加工中心教学模块虚拟仿真教学设计

1.1 传统教学

传统教学方法是理论课在机房采用多媒体讲解，实践训练在先进制造实训区使用加工中心实践操作演示。实践性强的课程会受到很多限制，比如教师无法动态展示加工中心的结构及操作过程，学生无法体会到真实实操的感性认知，导致对课程知识点理解困难。实操课设备的操作过程分配到每个学生的时间非常少[10]，每个班级约8～10 人一组，共用一台加工中心，有的学生可能没有机会操作设备。

1.2 教学改革方案

工程训练中心考虑到本校学生均是非机械专业的，之前没有接触过机械的专业知识。为了保证这7 课时的教学质量，学生应充分利用课前碎片时间进行课前预习。教师建立QQ 学习群，上传学习和软件资料，线上让学生学习慕课，线下对学生进行答疑指导与交流，为学生学习课程奠定良好的基础。同时，教师对多个仿真软件进行调研和学习，通过对比，最终选用了符合本校学生特点的更友好、更易上手的CAXA 制造工程师软件辅助教学。

学生学习软件后首先进行自主创意设计，其次在计算机上仿真模拟加工过程中机床、刀具的相对运动和工件材料的去除动态过程，并进行过切或者欠切、机床与夹具、刀具的相干涉过程检验，从而实现工件的快速模拟加工[7-9]。待确认无误后利用后置处理技术将自动编程得到的刀位轨迹转变成加工中心能够读取的NC 加工代码，并存入U 盘，将数控程序导入加工中心数控系统进行加工，得到创作成品。最后让学生展示自己的作品并分享设计思路和加工经验。教学安排如图1 所示。

图1 教学安排

2 加工中心教学模块虚拟仿真教学示例

2.1 材料和刀具选型

传统实践教学是选取100 mm×100 mm×50 mm的铝块，以直径为Φ6 mm 的立铣刀，对铝块进行切削，加工耗时长，产生的铝屑非常锋利，易划伤学生。改革后教学使用的是45 mm×45 mm×10 mm 的尼龙块、直径为Φ0.2 mm 的涂层立铣刀，材料尺寸小、加工效率高、时间短，产生的尼龙碎屑不伤人。以每班32 人为例，8 人共用一台加工中心。根据学生创意的不同复杂程度预估，平均每人加工时间约在15 min以内，4 台加工中心同时加工共耗时约120 min。学生可以在3 个课时内独立操作设备完成各自的作品。

2.2 创意图形建模

以CAXA 制造工程师2013 测试版软件为例，首先，打开软件，选中左侧特征树中的XY 平面，右键创建草图0。选中右侧绘图工具条矩形按钮，在对话框中填写长度45 mm、宽度45 mm，创建边长为45 mm的正方形。再退出草图，单击快捷工具栏中特征生成栏里的拉伸增料按钮，填写固定深度10 mm，点击确定，创建出尺寸为45 mm×45 mm×10 mm 的毛坯工件[11]。选中毛坯工件上表面单击右键创建草图1，选中右侧绘图工具条中文字按钮，点击坐标系原点，弹出对话框填写文字“南邮”，点击设置按钮，调整中文字体为隶书，字高为20 mm，点击确定，创建文字“南邮”。选中左下方工具条平移按钮，点击两点、移动、非正交指令，框选文字“南邮”，点击基点，把文字“南邮”移动到合适位置。接着选中绘图工具条整圆按钮，在文字下方的合适位置画一个半径为7 mm的圆，选中正多边形按钮，在圆内画一个内接菱形，把圆删掉，以菱形的上面两条边分别为直径画圆，删掉菱形上面两条边长，选择造型菜单中曲线编辑里的曲线裁剪功能，把两圆内相交的多余线条删掉，得到爱心形状，其建模图形如图2 所示。

图2 建模

2.3 设置毛坯

在左侧轨迹管理栏中选中毛坯右键，选择“定义毛坯”，然后按“确定”，如图3 所示。

图3 定义毛坯

2.4 编制刀路轨迹

首先对工件的具体建模设计进行工艺分析并确定总工艺路线，其次安排加工的具体工艺工序，根据工序要求设定加工参数、下刀方式、坐标系、刀具参数、几何参数等其他加工参数，最后生成加工刀路轨迹[12]。本教学示例选择的是常用加工中的平面轮廓精加工工艺，工艺参数设置如图4 所示。

图4 工艺参数设置

2.5 实体仿真加工

设置加工方法后，利用CAXA 软件在计算机上虚拟仿真加工零件并检验刀路轨迹。在左侧轨迹管理栏中选中屏幕轮廓精加工，右键选择实体仿真确定，实体仿真如图5 所示。

图5 实体仿真

2.6 NC 程序生成

实体仿真确定无误后对工件进行后置处理，生成NC 程序，选择Fanuc 系统，把生成的G 代码文件保存为txt 格式。后置处理如图6 所示。

图6 后置处理

2.7 实践操作加工

程序通过U 盘传输至数控加工中心设备对刀后进行加工。示例作品如图7 所示，学生的创意作品如图8 所示。

图7 示例作品

图8 学生创意作品

3 结束语

本文进行了虚拟仿真技术与数控加工相结合的实践教学研究，以制作创意雕刻工艺品为任务驱动，激发了学生对数控加工实践学习的主动性、能动性和学习兴趣。利用CAXA 制造工程师软件建模与CAM 数控加工技术无缝集成、能批量化修改刀具轨迹的参数、后置处理功能可向任何数控系统输出通用的NC 程序等特点，在计算机上快速实现零件的建模和仿真模拟加工，最终完成零件的成品加工[11]。该教学研究遵循学生的认知、创新思维进阶发展的规律[13]，丰富了虚拟操作的交互体验，提高了数控加工实践教学的教学质量和学习效率，有效解决了高校实训数控装备短缺等问题，降低了加工中心实操教学的成本、增强了安全保障，有效提高了学生的创新能力、建模能力和实践操作能力[14]。