数字化数控加工工艺设计方法创新探索

王 军

（上海工商职业技术学院，上海 201806）

1 引言

《数字化板类零件制造（i5机床载体）工艺设计教程》是基于案例教学，模块化教学、双语教学课程设计的数字化教材。

以案例为引导，以数字孪生技术为手段，用八个项目回答三大问题，以实现对广泛制造信息的深度精准高效应用。这三大问题是做什么？谁来做？怎么做？八个项目构成八个模块。每个模块帮助学生对过往学习知识技能的学以致用，温故知新。教材适用于理实一体化教学。具体项目介绍如下。

2 数字化工艺设计八个项目模块

2.1 项目1：工艺分析

对项目任务即图样上每一个特征进行圈图，在圈图过程中，观察思考准确了解图样上全部特征和技术要求，以精准回答第一个问题，做什么？如图1所示。

图1 项目1-工艺分析内容

（1）圈图完成后的图样

要求对图样上每一处特征信息和技术要求进行圈图。 通过圈图可以对数字化工艺设计第一个问题做什么，有深入精准的认识。用户也可以在手机上浏览图样。这个项目可以作为独立模块，帮助学生综合应用以前学的《机械制图》知识、CAD技能。

（2）二维码

用户可以用手机微信扫描二维码，在手机上查阅圈图图样。

2.2 项目2：机床规划

根据项目1的工艺分析，回答用什么CNC机床来加工零件的问题如图2所示。

图2 项目2-机床规划内容

1）标题：机床规划。简明列出项目任务，即选择用什么机床加工零件。

2）机床基本信息：机床名称、机床编号、机床组件编号、供应商。

3）视图区：展示机床物理图片和虚拟模型。以方便客户方面对数字孪生状态下的机床有一个感性认识。机床三维模型由沈阳机床供应商提供。并由CGTech 软件供应商赋能数控系统到机床三维模型上，构建数字孪生场景下的数字化虚拟机床。

4）机床数字孪生信息：提供物理机床编程和操作手册链接和基于CGTech Vericut数字化工艺设计软件建立的数字化虚拟机床文件链接，为用户数字孪生场景应用，提供技术支持。这些数据信息，存储在后台云存储平台上。

2.3 项目3：刀具规划

根据项目1的工艺分析，回答用什么刀具来加工零件的问题。

1）标题：数字化刀具设置指导书。简明列出项目任务和性质。与传统刀具信息表达方式不同，刀具设置指导书深度精准对接刀具供应商刀具数据包括三维模型数据，实现与VERICUT ToolMan的数据刀具库连接。实现所见即所得。

2）刀具基本信息：刀具名称、刀具编号、刀具组件编号、刀具组件描述、刀具组件代码型号、刀具供应商。为用户提供刀具基本信息。

3）刀具装配图：由刀具组件装配而成。为用户如刀具吧（Tooling Bar）的技术人员，提供刀具装配信息。

4）近似的物理模型：来自刀具供应商信息，为用户提供对刀具更感性的认知。

5）数字化刀具3D模型：使用来自刀具供应商的3D刀具数据模型，在数字化CNC 工艺设计VERICUT的刀具设计工具VERICUT ToolMan 中生成数字化刀具。用于项目7的CNC编程工艺验证。

6）刀具信息和推荐参数：用于用户了解刀具组件基本信息外的详细参数信息。可以点击对应链接，查阅有刀具供应商提供的更详细刀具组件基本信息，包括推荐基本参数。所有这些数据信息，存储在后台云存储平 台上。

7）数字化刀具在NX和VERICUT上的应用：向用户展示刀具在教材中的应用案例短视频，包括SIEMENS NX12 CAM编程和 CGTech Vericut9.1程序验证。微信扫描二维码，用户可以在手机上进行观看。该项内容为用户提供刀具数字化精准应用的场景。加深用户对刀具应用的认识。

2.4 项目4：夹具规划

根据项目1的工艺分析，回答用什么夹具来定位装夹加工零件的问题

1）标题：夹具规划。简明列出项目任务和目标。为零件加工规划定义夹具。

2）夹具基本信息：夹具名称、夹具编号、供应商名称。

3）视图区：以三维模型装配形式。展示夹具在机床工作台上的安装位置。展示工件在夹具上的装夹位置和方法。为用户提供夹具应用的精准数字孪生场景。所有夹具三维数据信息都来自夹具供应商。以确保与物理夹具构成精准的数字孪生联系。

2.5 项目5：工艺规划

根据工艺分析，综合选定的机床、刀具、夹具资源，规划明确的机加工工艺路线，用以指导下一个项目的工艺编程。

1）标题：工艺规划。简明列出项目任务和目标。为零件加工制定机加工路线。

2）工艺规划基本信息：工序号、工序描述、加工策略、刀具描述、刀具数据库编号、刀库编号、刀具长度、刀具直径、刀具切削参数、加工时间、子程序命名和主程序命名。工艺规划的基本信息为下一步工艺编程提供明确的加工路线和切削加工参数。

2.6 项目6：工艺编程

使用SIEMENS NX12 CAM软件，按照项目5工艺规划制定的机加工路线，进行工艺编程。

工艺编程项目，总共包括19个编程任务，图3展示的是其中一项编程任务，即OP20-3_R-D8MR_粗铣轮廓。OP20-3 表示的是工位OP20的第3个加工工序；R表示该工序是粗加工；D8MR表示的是该工序使用的是用于粗铣的直径为8 mm的铣刀；粗铣轮廓表示该工序的加工内容。

图3 项目6-工艺编程：OP20-3_R-D8MR_粗铣轮廓

1）标题：工艺编程。简明列出项目任务和目标，OP20-3_R-D8MR_粗铣轮廓。

2）工艺编程基本信息：①做什么-任务描述：用NX12 CAM，将工序OP20-3_R-D8MR_粗铣轮廓编程任务，以编程加工前和编程加工后，以及编程刀轨三种图片形式表示出来，精准生动描述编程任务要求；②用啥做-编程工具：定义编程工具和编程流程介绍。最后教材给出了使用编程工具和编程流程要求所完成的任务参考答案。包括特定机床后处理输出的编程程序，以及程序仿真视频。

3）编程程序可以在电脑上点击链接查看。程序仿真视频可以通过在电脑点击链接或用手机微信扫描二维码在手机上两种方式观看。

2.7 项目7：工艺验证

使用CGTech VERICUT9.1工艺编程验证软件，对项目6 完成的NX12 CAM编程完成并输出程序，在数字化虚拟机床环境中进行验证。

工艺验证项目，总共包括对OP10和OP20两个工位工序的工艺编程验证。

1）标题：工艺验证。简明列出项目任务和目标，对OP20工序编程进行工艺验证。

2）工艺验证基本信息：①做什么-任务描述：用Vericut9.1，将OP20工序工艺验证，以验证前和验证后两种图片形式表示出来，精准生动描述任务要求；②用啥做-验证工具：Vericut9.1 i5数字孪生虚拟机床和验证流程介绍；最后教材给出了任务完成参考答案，OP20工艺验证视频。

3）OP20工艺验证视频可以通过在电脑点击链接或用手机微信扫描二维码在手机上两种方式观看。

4）过切和欠切检查。在Vericut9.1 i5数字孪生i5虚拟机床中，将NX12零件设计模型与数字孪生i5虚拟机床加工模型进行0.1 mm分辨率的欠切和过切检查，欠切部分显示为蓝色，过切部分显示为红色。经检查没有发现表示欠切和过切的颜色。表示零件在数字孪生i5虚拟机床上的加工符合设计零件模型要求，如图4所示。

图4 项目7-工艺验证：OP20工艺验证

2.8 项目8：工艺控制计划

按照项目1-工艺分析的圈图，在工艺控制模板上，将图样上所用圈图的特征尺寸和技术要求，全部列在工艺控制模板上。作为工艺控制计划，对首件物理加工零件进行首件全尺寸检查。

3 工艺实施

3.1 教师根据教材完成的作品

教师根据教材在数字空间完成的数字化工艺，指令物理空间的真实机床加工出零件实物，如图5所示。

图5 教师根据教材，在物理机床上加工的作品实物

3.2 学生与课堂教学同步完成的课程设计（大作业）作品

学生以团队为单位，参照教师作品案例，在看中学，做中学，带着问题学中，与教师课堂教学同步完成各自的课程设计（大作业）。教师完成所有模块讲授之日，也就是学生完成课程设计（大作业）全部模块之时。最后，学生团队以解决问题为目标，以看得见的结果为导向，将团队按照完成的数字化工艺，在物理机床上加工出成品零件如图6所示。

图6 学生团队按照自己完成的数字化工艺加工出的零件

4 结束语

本文立足产业数字化和数字产业化发展新阶段，基于专业围绕产业办的新理念，尝试以产业数字化和数字产业化的新技术编写专业数字化和数字化专业化的新教材、新课程、新教法。为推动产教融合高质量发展做一些努力和探索。