数控仿真技术在数控加工编程课程教学中的应用研究

石站果 郑继明

摘要：培养中职学生具备机床操作、加工工艺和数控编程能力，对其今后从事数控相关岗位工作至关重要。以 UG & 斯沃仿真软件一体化仿真教学为研究对象，通过在铣床上进行实例加工并获得加工产品进行教学实验研究。研究表明该教学方法可使《数控加工编程》课程中原有抽象知识具体化、形象化，增强学生对知识的理解和掌握，并熟悉物理加工环境，提高课程教学效果，同时本研究为今后进行此类研究的教师提供了参考案例和实践工具。

Abstract： Training secondary vocational students with the ability of machine tool operation， processing technology and CNC programming is essential for them to engage in CNC-related positions in the future. Taking the integrated simulation teaching of UG & Swan simulation software as the research object， the teaching experiment research is carried out by carrying out example processing on the milling machine and obtaining the processed products. The research shows that this teaching method can make the original abstract knowledge in the "CNC Machining Programming" course materialize and visualize， enhance students' understanding and mastery of knowledge， and be familiar with the physical processing environment， which can improve the teaching effect of the course. At the same time， this research is for the future. Teachers of this type of research provided reference cases and practical tools.

關键词：数控加工编程;UG & 斯沃仿真软件一体化仿真教学;仿真加工

Key words： NC machining programming;UG & Swan simulation software integrated simulation teaching;simulation machining

中图分类号：TH1                                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）12-0220-05

0  引言

职业教育强调“以服务为宗旨、以就业为导向、以能力为本位”，将学生培养成为符合岗位职业能力的技能型人才是课程教学追求的目标。数控技术是一种先进制造技术，数控编程和数控仿真是数控加工过程中两个重要的环节，具有较强的实践性特点。传统教学过程中以教师课堂讲解，实训室示范为主，学生通过实际操作来掌握知识要点，存在理论学习与实际操作非同频共振，影响学习效果。UG &斯沃仿真软件一体化仿真教学，可模拟实际机床加工过程，使实际加工过程在计算机中动态直观的再现。同时，可将课程的教学内容从多角度，全方位的展示给学生，使教学内容更加丰富。此外，可实现课程理论与实践教学的同频共振，在课堂即可进行技能训练，包括实训、实验等，而且学生可以反复练习直至掌握[1]。这既是探索教学方法改革提高教学质量的有益尝试，也是教会学生学会并掌握使用先进专业软件的有效途径，具有十分重要的现实意义。

1  工件三维模型建立及程序生成

1.1 三维建模直观呈现工件

准确识读技术图纸是实现数控加工的先决条件，操作者应从零件图中提取可靠的加工信息，如产品的结构形状、表面粗糙度要求、尺寸和形位精度要求等[2]。该实例是对复杂盘类零件进行仿真加工，由多个平面、曲面及孔组成，如图1所示。图1中零件尺寸组成较为复杂，学生在分析工程图时较为困难，且大部分中职学生空间想象力不强，难以准确绘制零件的三维模型，给编制加工程序带来极大的不便。教学中根据教学需要进行三维建模，形象展示零件整体结构，可增强学生对于零件结构的理解，达到预期教学效果。使用UG建模中拉伸、孔、倒圆角等命令创建好三维模型，直观呈现加工工件，如图2所示。

1.2 分析加工工艺与设置加工工序

在数控加工工艺教学中，由于教学内容理论性过强且与实际联系紧密，若仍然以二维图纸进行加工工艺分析讲解，会因内容过于抽象，学生需有较好的空间想象力才能理解零件的整体加工过程。但对于绝大部分中职学生这恰恰是他们的弱项。教学中利用UG软件打开图2中的工件三维模型，分析工件的加工工艺。如图2所示，工件包含孔、型腔等结构，外形较为复杂，工件顶部和底部都以圆槽的圆心为基准，工件坐标系可采用四面分中方式。工件外形结构导致工件顶部和底部无法一次加工完成，需分别加工工件顶部和底部，进行两次装夹。由于底部侧壁平整处便于二次装夹，因此，先加工工件底部，再加工工件顶部。工序设置时，严格按照先光面后钻孔，先粗加工后精加工，先光底面再光侧壁的原则设置加工工序，教学过程如下：

①设定工件坐标系。进入【加工模块】选择【工序导航器】，于空白处点击鼠标右键选择【几何视图】[3]，设置工件底部和顶部的加工坐标系分别为MCS_MILL-1/2，并在WORKPIECE-1/2中指定部件和毛坯，部件选择工件模型，毛坯选择包容块且沿X、Y、Z的正负方向偏置2mm。

②确定加工工艺。对工件三维模型进行分析并确定加工工艺，如表1所示。

以表1加工顺序3为例进行详细分析。设置深度轮廓铣工序的各项参数。具体步骤如下：

①创建深度轮廓铣工序：在【工序导航器】中空白处点击鼠标右键，选择【程序顺序视图】，于【PROGRAM】处右键选择【插入】→【工序】，会弹出【创建工序】对话框。在创建工序对话框【类型】中选择mill_contour，在【工序子类型】选择区域中单击【深度輪廓铣】[4]，在【位置】中【几何体】下拉列表选择WORKPIECE-1，单击【确定】或点击鼠标中键即可进入深度轮廓铣对话框。

②创建刀具：在深度轮廓铣【工具】→【刀具】列表中点击【新建】进入新建刀具对话框，在【刀具子类型】选项区选择平底铣刀，输入D10到名称栏中将刀具命名为D10，点击确定进入铣刀参数对话框。在【尺寸】列表中将直径改为10，并在【编号】列表中把文本框默认值都改为2，单击【确定】完成创建。

③设置切削层：从【刀轨设置】进入【切削层】，在【范围】列表中将最大距离的默认数值6改为1，之后在【范围定义】列表中点开【列表】，将范围4（范围深度48）移除，点击【确定】完成设置。

④设置切削参数：从【刀轨设置】进入【切削参数】，在弹出对话框中点击【余量】，将内公差改为0，外公差改为0.01，点击【确定】完成设置。

⑤设置非切削移动：从【刀轨设置】进入【非切削移动】，在【进刀】中设置【封闭区域】的进刀类型为螺旋，斜坡角改为3，高度改为1，高度起点选择当前层，最小安全距离选择无，其它保持默认。之后将【开放区域】中的进刀类型设置为圆弧，半径改为60，高度改为1，最小安全距离选择无，其它保持默认。点击【转移/快速】，在【区域内】将【转移类型】改为前一平面，安全距离改为1，点击【确定】完成设置。

⑥设置进给率和速度：从【刀轨设置】进入【进给率和速度】，在【主轴速度】中输入1500，点击数值栏后的【计算】，之后在【进给率】中【切削】处输入100，其它保持默认，点击【确定】完成设置。

⑦生成刀具加工轨迹：在深度轮廓铣对话框【操作】选项区中点击【生成】，即可生成刀具加工轨迹，如图3所示。

1.3 后处理生成程序

从【工序导航器】进入【程序顺序视图】，选中第一个工序后点击鼠标右键选择【后处理】，在弹出的【后处理窗口】中选择FANUC后处理，以txt的格式保存，生成的NC程序如图4所示。再选择其余的工序重复以上操作，直到所有程序保存完毕。需要注意的是，生成的程序在开头和结尾处有中文，斯沃数控仿真软件无法识别，在记事本中打开程序文档将开头和结尾处的中文删除即可直接导入斯沃数控仿真软件中运行。

2  实例加工

斯沃数控仿真软件由南京斯沃软件技术有限公司开发[5]，主要用于学生进行数控加工操作教学，能很好虚拟物理环境。该软件具有与实际机床一样的操作面板，操作流程与真正的数控机床完全一致，可设置与现实加工一致的刀具和毛坯，完成刀具选择和毛坯安装的操作[6]，且使用中不担心操作失误而损坏机床，学生可以放心的跟随教师进行机床的各种操作来完成上述工件的加工过程，教学过程如下：

2.1 选择机床系统、材料、刀具

①选择机床系统：打开斯沃仿真软件，在【数控系统】下拉菜单中选择 FANUC _OiMF系统。进入系统后在操作面板中点击【急停】按钮，再点击【回参考点】，之后分别选择X、Y、Z按钮，选中一个后点击+按钮，使机床系统回到零点。

②选择毛坯夹具：在【选择毛坯夹具】菜单栏中点击【选择毛坯】，弹出对话框后点击【添加】，设置长宽高为152mm、102mm、52mm的毛坯，材料选择ZL412铝，点击【确定】添加毛坯到列表。在【毛坯列表】选项区中选中添加的毛坯后点击【确定】，将毛坯添加到机床工作台。完成毛坯设置后在【选择毛坯夹具】菜单栏中点击【工件装夹】，在工件装夹对话框的【装夹方式】列表中选择平口钳装夹，点击【加紧上下调整】指令使毛坯超过平口钳顶面32mm，点击【确定】完成设置。

③选择刀具：由表1可知此次加工需要使用3个刀具，分别是10mm、12mm的平底铣刀与12mm的钻头。由于此次毛坯的材料为ZL412铝，选择硬质合金的刀具较为合适。通过【选择刀具】指令创建以上刀具。设置完成的刀具参数如表2所示。

2.2 加工准备

①机床对刀：X、Y轴使用基准芯棒对刀。在【选择毛坯夹具】菜单栏中点击【基准芯棒选择】，选取H100，D20的基准芯棒和h1.00mm的塞尺。在数控系统面板中点击【快速进给】，以快进方式，使基准芯棒快速贴近毛坯X方向上的一边，当毛坯快靠近基准芯棒时调整为【增量模式】，缓慢移动毛坯靠近基准芯棒，直到左下角塞尺检测显示为合适时点击SET/OFS按钮，在显示窗口中点击【坐标系】，将光标移动到01（G54）X处输入X87点击【测量】，显示的数值即为X轴的加工原点坐标。完成X轴对刀后点击【快速进给】，将基准芯棒快速移动到贴近毛坯Y方向上的一边，重复以上操作，不同的是在01（G54）Y处输入Y-62点击【测量】，显示的数值即为Y轴的加工原点坐标。Z轴采用试切法对刀，在【选择毛坯夹具】菜单栏中点击【卸下基准芯棒】，即可自动卸下基准芯棒，之后换上设置好的直柄端铣刀（D12），点击PROG按钮，选择【手动输入】，输入程序M03 S500使主轴转动后对工件表面进行试切。先用【快速进给】移动刀具到工件表面，之后切换【增量模式】逐渐贴近工件表面，当出现切削残屑后点击SET（设置）按钮，点击【坐标系】，光标调到01（G54）Z处输入Z0点击【测量】，显示的数值即为Z轴的加工原点坐标。X、Y、Z轴对刀完成截图如图5所示。

②导入程序文档：打开程序保护开关，点击PROG按钮，选择【编辑模式】，输入程序名为O1108，点击INSERT按钮将程序名输入机床显示面板，之后点击EEOB按钮，再点击INSERT按钮将程序读取指令（;）输入机床显示面板。在斯沃软件操作界面左上角点击【文件】指令，选择【打开】，在打开对话框【文件类型】下拉菜单选择NC代码文件，选中显示的程序文件，点击【打开】即可将UG保存的txt程序文档导入FANUC_OiMF系统中。

2.3 工件加工

①仿真加工：点击【自动】，切换到自动模式，关上舱门，再点击【循环启动】，程序则会自动运行。当程序运行结束后重复导入程序文档操作，运行程序，完成工件底部的加工。之后选中毛坯点击鼠标右键，选择工件绕Y轴旋转180度，翻面后在【工件装夹】对话框中点击【加紧上下调整】命令，使毛坯超过平口钳顶面30mm，重新对Z轴对刀后导入工件顶部的程序文档并运行，完成工件顶部的加工。得到的仿真结果如图6所示。

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②实际加工：通过斯沃仿真软件验证加工程序，得到图6中的仿真加工结果，确定程序无误后将程序导入实际数控铣床进行实际工件加工，具体操作步骤与斯沃软件中FANUC_OiMF系统的类似。不同的是实际机床中工件二次装夹后，需要重新对X、Y、Z轴对刀，才能导入程序加工工件的顶部。加工完的工件如图7所示。

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3  结语

利用UG软件建模，分析工件模型，确定加工工艺，创建加工工序，生成NC程序，并导入斯沃數控仿真软件进行虚拟仿真加工，完成一体化仿真教学，教学平台易于搭建实施。仿真教学过程充分体现出UG软件和斯沃仿真软件分别在自动编程和仿真加工方面的优势，使工件建模到加工的整个流程展现得淋漓尽致。教师可在计算机上实时监控学生完成情况，针对学生的学习情况进行指导，可显著增强学生对数控加工机床的操作和加工工艺知识的理解，有效激发学生学习热情并提高课程的教学质量。

参考文献：

[1]王朝林.虚拟仿真技术在中职教学中的应用研究[D].西北师范大学，2015.

[2]陈晓丽，秦宝荣.UG建模与自动编程技术在数控教学中的应用[J].科技创新导报，2015，12（30）：221，223.

[3]李丽萍.基于UG CAM的数控铣削加工解析[J].机械工程与自动化，2019（04）：46-48.

[4]阳涛.UG和斯沃数控仿真软件在数控加工中的综合应用[J].智能制造，2019（Z1）：71-75.

[5]蹇清平，张玥琦.斯沃数控仿真软件在数控加工课程教学中的应用探索[J].教育现代化，2019，6（27）：159-161.

[6]田锐.虚拟仿真技术在数控加工编程课程考核改革中的应用[J].南方农机，2020，51（06）：93，96.

[7]北京兆迪科技有限公司.UG NX10.0数控加工教程[M].北京：机械工业出版社，2020.

[8]程俊兰，卢良旺.数控加工工艺与编程[M].北京：电子工业出版社，2018.