曾祥蘋

（廣州南洋理工職業(yè)學院， 廣東　廣州　510925）

引言

在教學中，通過觀察發(fā)現(xiàn)，很多學生在初次學習數(shù)控編程的過程中，對一些概念和過程難以理解，比如說各種機床X、Y、Z軸的確定、左右刀補的含義、刀具加工軌跡以及加工工藝參數(shù)的選擇等等。雖然廣州南洋理工職業(yè)學院數(shù)控專業(yè)對編程課程采用了一體化教學，但因為機床資源有限，不能保證每一堂課都能在實訓室進行，因此一些理論概念學生無法得到驗證，理解起來比較抽象。針對這一問題，可以在數(shù)控理論教學過程中將VERICUT仿真軟件與多媒體有效結合使用，即教師在進行理論講解的同時，利用VERICUT對數(shù)控機床加工的床身運動、刀具軌跡、工藝參數(shù)選擇進行仿真，從而加深學生對數(shù)控編程指令的認識和相關概念的理解。下面以本專業(yè)《數(shù)控加工工藝與編程》課程教學為例，闡述在理論教學過程中如何將VERICUT與多媒體有效結合進行輔助教學[1]。

1　VERICUT仿真軟件主要功能

1.1　仿真與驗證功能

VERICUT軟件是一款由美國CGTECH公司開發(fā)的專用數(shù)控加工仿真軟件，建立在計算機發(fā)展之上，應用了計算機先進的三維顯示和虛擬制造技術模擬機床床身運動、刀具軌跡等，從而對工件加工過程中可能出現(xiàn)的過切和刀、夾具干涉等錯誤進行預先檢查，其模擬程度及其逼真。在工廠中逐步替代了傳統(tǒng)的試切，解決了試切所產(chǎn)生的各種弊端。例如：其逼真的仿真模擬功能，完全替代了工廠的試切環(huán)節(jié)，節(jié)約了生產(chǎn)成本、縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，同時該軟件可以對加工走刀軌跡和工藝參數(shù)進行優(yōu)化，這在很大程度上提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和機床的使用壽命。

VERICUT具有較強的仿真功能，其三維仿真功能不僅能用彩色的三維圖像顯示出刀具切削毛坯形成零件的全過程，而且還能顯示出刀柄、夾具、機床的運行過程和虛擬的工廠環(huán)境。

VERICUT庫中提供了常用的機床模型，如Ingersoll、K&T和Generic machines等公司生產(chǎn)的機床，另外用戶還可以根據(jù)需要自定義機床模型。同時VERICUT支持G代碼并配有制造商提供的機床控制文件庫，如Fanuc、Siemens等控制系統(tǒng)。對于一些不常用的功能可以通過Machine Dev.Kit模塊自定義，也可根據(jù)自己的需要任意組合所需的加工系統(tǒng)。一次機床碰撞將付出極昂貴的代價，這不僅會損壞機床，而且會延遲整個生產(chǎn)日程。VERICUT用不同顏色顯示加工過程中刀具與夾具的碰撞并報警，同時統(tǒng)計出錯誤的數(shù)量及發(fā)生位置。VERICUT的三維仿真分析功能完全與車間實際加工一樣，這對于保證NC程序正確性、降低勞動強度及提高生產(chǎn)效率具有現(xiàn)實意義[2]。

1.2　仿真優(yōu)化功能

在數(shù)控加工生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：像主軸轉(zhuǎn)速、切削進給率、切深及切削寬度等切削參數(shù)的設置是否合理直接影響到整個NC程序的好壞，而程序的好壞最終會影響到整個產(chǎn)品的制造精度和企業(yè)的生產(chǎn)效率。通過不斷地研究摸索發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)的設置不合理主要體現(xiàn)在：切削進給率過分保守，刀具在空行程時使用切削時的進給率，實際切削量大于或小于預期值時進給率無補償，切深、切寬和切入角度變化時進給率無補償。這些參數(shù)的不合理容易造成刀具損壞或減小刀具的使用壽命，不利于提高零件表面的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此，對NC程序的優(yōu)化主要體現(xiàn)在對上述參數(shù)的優(yōu)化[3]。VERICUT仿真軟件利用其仿真優(yōu)化功能則可以做到這一點。

VERICUT仿真優(yōu)化的原理在于它能夠充分考慮實際加工工件的幾何特點和物理特征，實時根據(jù)當前所使用刀具情況及每步走刀軌跡，重新計算每步程序切削量，并拿它和切削參數(shù)值進行比較，根據(jù)切削余量的大小，適當降低和提高速度，從而確定出最佳進給速度或主軸轉(zhuǎn)速，同時，VERICUT在仿真優(yōu)化過程中因為能夠保持刀具在單位時間內(nèi)的切削量一致，所以它能夠減少機床振動、提高機床加工的穩(wěn)定性，這對提高零件表面加工質(zhì)量有很大的幫助，最終經(jīng)過仿真優(yōu)化可以獲得一個更加安全高效的數(shù)控加工程序。這里參數(shù)的優(yōu)化并不會改變數(shù)控加工程序的軌跡，該仿真優(yōu)化方式與生產(chǎn)是完全統(tǒng)一的，能夠從根本上提高加工零件的制造精度和生產(chǎn)效率。

2　應用VERICUT仿真數(shù)控機床床身運動進行輔助教學

鑒于VERICUT具有逼真的機床床身運動仿真功能，在《數(shù)控加工工藝與編程》課程中講解“數(shù)控機床坐標系”這一知識點時，可以通過VERICUT建立各種數(shù)控機床模型，如：數(shù)控車床、數(shù)控立式銑床（或加工中心）、數(shù)控臥式銑床（或加工中心）等，利用MDI方式通過輸入單句執(zhí)行的運動指令仿真機床各個部件的運動方式，同時結合坐標軸的判定方法，正確地確定出不同機床的坐標軸及正、負運動方向，在這種形象直觀的動畫仿真過程中，學生更容易加深對坐標軸判定方法的理解，從而能夠準確地判斷出各種機床的坐標軸方向情況。

此外，學校很少會有一些四軸、五軸聯(lián)動或帶有自動換刀裝置的高端數(shù)控設備，而現(xiàn)在越來越多的企業(yè)都陸續(xù)引進了高端數(shù)控設備，因此，為了實現(xiàn)學校與企業(yè)的零距離對接，在教學中可以利用VERICUT仿真各種多軸數(shù)控機床的工作情況。VERICUT就提供了2～5軸虛擬機床的支持，通過構建不同類型的虛擬機床可對各種機床的運動進行仿真，從而使學生接觸到更多種類的數(shù)控設備，廣泛地理解各種數(shù)控設備的床身運動情況。

3　應用VERICUT進行刀具軌跡仿真演示

在以前的教學過程中，學生往往對車削循環(huán)指令，尤其是復合固定循環(huán)指令如G70—G73它所對應的走刀路徑難以理解，從而導致無法正確理解該指令格式中對應參數(shù)的含義，而借助VERICUT對各指令走刀路徑進行單步仿真演示，邊講邊演示，則能加深學生對各種指令對應的走刀路徑的理解，在一定程度上提高學生正確應用循環(huán)指令、宏指令和子程序等復雜指令的能力。此外，刀具補償這一概念也是難點，很多學生無法體會到刀補的概念和作用，對此，利用VERICUT的刀具軌跡仿真功能，通過有刀補和沒刀補的仿真演示，使學生體會刀補對演示結果的影響，從而領會這一概念的含義及作用。下面具體以圖1所示零件加工為例進行說明。

圖1　加工零件圖

針對圖1所示零件，要求編寫銑削長方形內(nèi)腔的程序，此處按照以下順序演示進行：第一，以不帶刀補情況編寫程序，刀具中心軌跡與零件輪廓一致，并且走刀方向為逆時針方向，演示實際走刀效果；第二，對程序進行修改，加上左刀補，演示實際加工走刀情況，通過以上兩步演示，讓學生體會刀補的含義及作用，再在第二部分基礎上將程序中左刀補改成右刀補，演示刀具走刀情況，分析結果產(chǎn)生了怎樣的變化，理解加工路線方向?qū)ψ蟆⒂业堆a的影響，從而使學生掌握在編程過程中正確設置左右刀補的方法。這種理論與動畫仿真結合的方式，使學生更容易加深對一些抽象概念的理解。

4　應用VERICUT進行工藝路線制定和工藝參數(shù)選擇演示

加工工藝的確定是數(shù)控編程的一個難點，主要包括工藝路線的確定和相關工藝參數(shù)的選擇。在《數(shù)控加工工藝與編程》教學過程中，同樣可以利用VERICUT實現(xiàn)不同工藝路線和工藝參數(shù)選擇對加工效果影響的演示，讓學生體會相應的工藝確定方法，提高學生的綜合工藝制定能力。以下通過三個例子具體說明在《數(shù)控加工工藝與編程》教學過程中如何利用VERICUT讓學生體會工藝制定的方法[4-6]。

1）針對加工工藝路線的合理確定這一內(nèi)容，書上的路線圖均為平面，若只是理論空洞的講解，通常學生不能準確地定位老師所要表達的路線情況，從而影響學生體會其真正的含義。例如在講解確定位置精度要求比較高的孔系加工路線時，應避免傳動系統(tǒng)反向間隙誤差對定位精度的影響。以下頁圖2所示零件孔系鏜削加工比較二種走刀路線的優(yōu)劣，但這種靜態(tài)比較學生不能直觀體會到各自的優(yōu)缺點，而通過仿真加工，通過單步執(zhí)行各路徑具體走刀情況，可以讓學生直觀地體會到二種路線的不同，從而使學生領會到當所加工孔系位置精度要求較高時，應特別注意孔的加工順序安排，順序安排的合理與否直接影響到孔系的位置精度。

2）對于同一個加工零件工藝參數(shù)選擇的差異性，每個人編寫的程序可能不同，相應獲得的加工質(zhì)量與效率也是不同的。使用不同的粗、精加工切削參數(shù)，利用VERICUT仿真加工過程、計算加工時間、分析加工質(zhì)量，比照不同工藝參數(shù)選擇對加工結果的影響，形象直觀地呈現(xiàn)給學生，從而使學生切實領會到合理選擇加工工藝參數(shù)的重要性和方法，這對提高學生加工工藝參數(shù)的選擇能力有很大的幫助。比如對圖3所示零件外形進行粗銑加工，分別設置表1所示的兩組切削用量進行仿真加工比對演示，最終發(fā)現(xiàn)兩者獲得的加工效果是不一樣的，比如在加工時間上，第二組比第一組用時要短，另外第二組比第一組獲得的表面質(zhì)量要好。從實際仿真比對中，學生通過親眼所見體會到了加工工藝參數(shù)的選擇對加工效果的直接影響，同時教師通過這兩組參數(shù)的不同，引導學生如何正確合理地確定各切削用量[7]。

3）工藝知識的理論學習與實際應用往往存在一定的差異，學生應該靈活應用。例如：在《數(shù)控加工工藝與編程》教學中，循環(huán)、縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)等編程方法是學習的重點內(nèi)容，這些編程手段在很大程度上優(yōu)化了程序的結構，減少了指令的編寫，然而，在生產(chǎn)實踐中，這些編程方法反而增加了空走刀路線，延長了產(chǎn)品加工時間，利用VERICUT仿真演示則可以讓學生深刻體會到其中的優(yōu)、缺點，從而在實際編程過程中懂得靈活應用所學的知識，合理取舍。

圖2　孔加工2種路線示意圖（單位：mm）

圖3　加工零件圖

表1　二組切削參數(shù)

5　結語

應用VERICUT仿真軟件與多媒體有效結合對《數(shù)控加工工藝與編程》課程進行輔助教學，主要應用其逼真的機床模擬、加工路徑仿真和工藝參數(shù)優(yōu)化等功能，這一輔助教學手段的應用使原本枯燥無味、難以理解的理論知識變得直觀易懂，在目前機床資源緊缺的條件下為數(shù)控理論教學提供了一種可行的教學思路。當然此方法也可應用于其他數(shù)控課程教學中，比如《數(shù)控機床》這門課，利用VERICUT自身強大的虛擬機床環(huán)境對機床結構組成及床身運動進行演示講解，對學生來說形象直觀，也是一種有效的輔助教學手段，此處不再贅述。

[1]姚興軍，劉連軍，張鳳陽.虛擬數(shù)控機床的開發(fā)及其在教學中的應用[J].機床與液壓，2010（6）：101-103.

[2]魏林.基于VERICUT的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的研究[D].沈陽：沈陽理工大學，2008.

[3]張暴暴.虛擬制造體系及其關鍵技術[J].計算機輔助設計與制造，1999（10）：5-6.

[4]張慧萍.數(shù)控切削加工工藝參數(shù)及刀具運動軌跡的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2003.

[5]許玲萍.數(shù)控加工工藝決策與切削參數(shù)規(guī)范化的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2003.

[6]馮志剛.淺議《數(shù)控加工工藝》教學的一些思考與建議[J].網(wǎng)絡財富，2010（11）：110-111.

[7]劉衛(wèi)，王亞平，李宏偉.VERIUCT在數(shù)控加工優(yōu)化中的應用[J].計算機應用研究，2004（7）：102-104.