虚实结合培养数控加工高级应用人才

张卫青 谭儒龙

（重庆理工大学 重庆 400054）

1 制造业发展对高级应用人才的迫切需求

随着高新技术产业的发展，复杂零件的应用也越来越广泛，而复杂零件的制造一直是机械工业中的难点，通常需要采用柔性更高的多轴联动数控机床实现。数控机床尤其是高柔性的五轴联动加工中心的发展与广泛应用，可以很好适应大批量定制生产方式向个性化定制生产方式的转变，从而促进传统制造业向智能制造方向发展。复杂零件的制造需要促进了多轴数控加工机床的广泛工业化应用，工业界也对复杂零件多轴数控加工技术的应用型人才有更多需求。

复杂零件由于结构或者型面复杂（自由曲面）通常无法采用传统的手工方式编程加工，同时加工过程中为了调整刀轴矢量以提高加工效率及避免干涉，还需要在四轴或五轴联动的加工中心上进行。熟练掌握这一技术需要技术人员有较好的理论基础，掌握微分几何、计算机辅助设计与制造、机械制造工艺学、数控技术、运动学等多方面的知识体系，同时还需要通过长时间的实践积累丰富经验。本科毕业生通过四年的专业学习基本具备所需的知识体系，但是由于缺乏有效的加工实践锻炼，毕业后仍需在工厂进行长期的培训才能胜任这样的工作。因此迫切需要创新机械制造专业本科生培养阶段的数控加工实践教学环节，以适应制造企业对此类数控技术高级应用型人才的需求。

2 开发数控加工虚拟实验的必要性

大多数高校机械制造专业本科设置了数控加工实践，以锻炼学生的实践能力以及综合理论知识的应用能力，但是实践科目多通过手工编程完成简单机械零件的数控加工，很少开展复杂零件多轴数控加工实验课程。其主要原因是多轴数控加工实验所需的五轴加工中心价格昂贵，实验室无足够的设备满足开设实验课所需的台套数。鉴于这一情况，考虑目前日益成熟的数控加工仿真技术，有必要开发虚实结合的多轴数控加工实验解决实验条件的限制。以复杂零件的虚拟多轴加工为主线，将其涉及的关键技术融入实践环节，让学生较好掌握的复杂零件多轴数控加工的关键理论及操作流程。以软件操作及虚拟加工为主，同时辅之少量的实机加工操作，使学生的实践能力得到全面锻炼，真正掌握一门可以直接应用于生产实践的实用技能。同时通过真实的工程应用形式将相关理论基础展现给学生，更易于理解也能更好的激发学生的学习热情。

3 复杂零件多轴数控虚实加工实验设计

针对复杂零件的多轴数控加工技术在理论基础及操作流程方面的难度以及在实验条件方面的限制，研究通过虚实结合的方式开发多轴数控加工实验。在实验环节借助成熟的计算机软件引导学生熟练完成复杂零件多轴加工各关键技术环节，锻炼其实践能力，同时减少实验过程对硬件条件的过度依赖。实验方案的规划如图1 所示。

通过分析复杂零件多轴数控加工技术涉及的有关微分几何、计算机辅助设计与制造、机械制造工艺学、数控技术、运动学等课程的核心知识，构建复杂零件多轴数控加工技术知识体系，提炼其理论基础，并编制其实验理论教程。考虑全面锻炼学生工程实践能力的需要，根据复杂零件多轴数控加工技术中几何建模、加工工艺规划、多轴数控加工程序编制以及试切等各关键技术环节的相互联系制订具体的实验项目，总体包含虚拟实验环节和实机实验环节。

图1 实验方案总体流程

3.1 虚拟实验设计

虚拟实验环节主要借助各种专业软件，让学生在模拟环境中完成模型构建、工艺规划、加工等整个数控加工实验流程。虚拟实验包含：（1）三维建模实验：主要借助UG/Solid work 等CAD软件完成，锻炼学生对工程图纸的理解，并让学生熟练掌握三维建模软件的操作，能够构建典型机械零件三维特征。同时掌握贝塞尔、样条等自由曲线曲面基本原理，能完成部分复杂曲面类零件特征的构建，获得复杂零件加工刀路规划所需的零件实体模型。（2）多轴加工刀路规划实验：主要借助UG/Master CAM/ Hypermill 等CAM 软件完成。让学生运用机械加工工艺学，数控加工工艺与编程等专业课程所学的理论，根据零件的几何特征、尺寸及形位公差要求合理制订机械加工工艺路线，并完成单个工步的刀具选择以及切削工艺参数计算，并能够利用典型计算机辅助加工软件对各零件特征进行合理的刀具加工路径规划。（3）平台构建与加工仿真实验：主要借助宇龙、Vericut 等数控仿真软件，让学生应用机械制造装备设计课程所学的典型机械制造装备工作原理，进一步理解数控机床的组成及结构特点；应用数控技术、数控加工工艺与编程课程所学进一步理解数控系统工作原理以及程序编制原理；在此基础上完成三轴、五轴数控加工仿真平台的构建，同时完成机床坐标系统定义，刀具以及工件的构建和设定。然后根据所构建的仿真平台机械结构参数以及控制系统型号，将数控加工刀路后置处理为仿真平台能够识别的数控加工程序进行虚拟加工仿真。最后根据加工仿真效果（材料的过切与欠切）对加工工艺流程及参数进行优化。以上虚拟实验将相关专业基础理论融合在具体的实践操作中，在避免实机操作风险的基础上，能够让学生完整体验数控加工的整个流程，可全面锻炼学生综合应用理论知识以及自主解决数控加工相关工程问题的能力，并可通过反复的训练提升其关键技能。

3.2 实机实验设计

开展实机实验的目的主要是让学生感受虚拟加工与实机加工的区别，增强学生对真实加工的体验感，进一步强化学生对关键操作环节相关理论及技能的掌握。实机实验包括实机加工实验和坐标测量实验。在实机加工实验中让学生详细了解机床的结构，感受真实的刀具测量安装与对刀，工件的装夹与定位，工件坐标系的建立与标定，数控程序的导入与执行等，通过实机操作让学生掌握数控加工中心的使用，同时感受真实加工中的力、热、振动等物理作用。零件加工完毕后进行坐标测量实验，让学生掌握坐标测量机的测头标定、测头测量路径规划、测量坐标系建立以及典型几何特征的误差评价等基本技能。通过测量获得零件关键几何尺寸及形状特征的偏差，进一步感受实机加工与仿真加工的区别，建立加工存在误差的概念，并在加工各环节考虑如何控制误差保证加工质量。

4 效果验证

通过在机械设计制造及其自动化专业本科生的数控加工工艺与编程以及数控加工实践教学中贯穿以上系列数控虚实加工实验，学生在完成设定的实验任务时除了需要运用理论知识，还需采用计算、分析、仿真等多种技术手段，促使学生通过自学掌握各种计算、分析以及仿真的多种软件及硬件工具。通过多个实验的渐进积累，多数学生可以完成整个实验流程。学习积极性较好的学生收获更多，在实机实验时已经可以独立完成叶片、齿轮等典型复杂曲面零件的铣削实验，进入企业进行少量培训便可独立开展工作。综述表明，通过虚实结合的加工实验方案可使学生有效掌握市场广泛需求的多轴数控加工先进技术，从而在就业时有更强的市场竞争力。