融合现代工具的五轴数控加工虚拟实验教学设计

2024.01.29

丁爽　吴伟伟　戴敏　魏新龙

摘 ?要为了提高大学生工程实践水平和创新能力，必须加快新工科建设。融合现代数学工具MATLAB、工程CAD/CAM软件UG以及仿真软件VERICUT设计并实践基于实际制造过程的五轴数控机床虚拟加工实验。虚拟实验能够增强感性认知、促进自由探索并开拓创新思维。教学设计及实践过程中包含数学、信息、工程等专业知识点，贯通学生所学课本知识，构建学习生态链，让学生深刻理解知识的有益作用及地位，激发学生各科课程学习动力，提高数控技术课程教学质量。虚拟实验能够降低成本、保障安全，有效解决高校五轴数控装备短缺的现实问题。

关键词数控技术;五轴数控机床;虚拟实验;现代工具;MATLAB;UG;VERICUT

中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

文章編号：1671-489X（2020）06-0045-04

Design of Virtual Experiment Teaching on Five-axis CNC Machi-

ning by Combining Modern Tools//DING Shuang， WU Weiwei， DAI Min， WEI Xinlong

Abstract In order to improve the engineering level and innovation ability of college students， construction of new engineering must be accelerated. The virtual machining experiment of five-axis CNC

machine tool based on the actual manufacturing process was designed

and practiced by combining modern mathematics tools MATLAB， engineering CAD/CAM software UG and simulation software VERI-

CUT. Virtual experiment can enhance perceptual cognition， promote free exploration and develop innovative thinking. Mathematics， information， engineering and other professional knowledge is inclu-ded in the teaching design and practice. Learning motivation of stu-

dents in various subjects is stimulated and teaching effect of CNC

technical course is improved by threading the knowledge of text-books together and constructing the learning ecological chain. The students can deeply understand the beneficial role and status of the studied knowledge. Virtual experiments can reduce costs， ensure safety， and effectively solve the practical problems of shortage of five-axis CNC equipment in universities.

Key words numerical control technology; five-axis CNC machine; virtual experiment; modern tools; MATLAB; UG; VERICUT

1 引言

数控技术是一门包含机械设计及制造技术、机床技术、计算机技术、信息技术的机械专业基础课程，对实践教学环节要求很高。为确保实验教学质量，必须改革实验教学技术与手段，利用好多种现代信息工具，推进虚拟实验教学应用[1-3]。针对数控技术课程虚拟实验教学，刘旭波等人[4]

基于UG和浙大辰光数控虚拟加工软件设计了三轴铣削加工虚拟教学实验;李建广等人[5]研究了基于虚拟仿真的数控加工技术实践考评方法;蔡卫国[6]介绍了大连海洋大学机械工程虚拟实验教学中的典型案例，利用CAXA软件进行鼠标三轴数控加工的虚拟仿真教学。

随着全球经济的迅速发展，五轴数控机床广泛应用于航空、航天、国防等领域。五轴数控机床是在三轴机床的基础上，增加两个旋转轴构造而成的。旋转轴的引入，使得刀具相对于工件的自由度变换更灵活，可以加工出高质量的复杂自由曲面，但同样会带来易干涉、五轴编程复杂等难题[7]。在高校教学中，传统三轴数控教学已无法满足社会对高端制造人才的迫切需求。

然而，高校中存在五轴数控机床欠缺、高端设备无法让学生操作的实际问题，虚拟实验可以很好地解决此问题[8-10]。

因此，设计并实践五轴数控机床虚拟加工实验，可以使得每个学生都能亲自感受五轴工艺过程，感悟理论知识价值，丰富课堂教学模式，增强教学效果。从学生角度来看，无法认识所学知识的有益作用，无法直观感受所学知识的实施方式，这些往往是限制学生学习兴趣和动力的根本原因。

为了提高实践教学质量，增强学生的代入感、知识空间感，本文探索并实践融合多种现代工具的虚拟实验在数控教学中的应用和实施方法，取得较好的实践教学效果。采用构建跨学科学习生态链的思路，不仅能够让学生加深对五轴数控加工的直观理解，提高数控课程教学效率，而且能够让学生明白各门课程的重要性，高校学习的各个环节都在整个生态链中占有重要地位。

2 五轴数控加工虚拟实验设计

本文虚拟实验过程中采用的软件有MATLAB、UG和VERI-

CUT。MATLAB语言的基本数据单位是矩阵，指令表达式与数学、工程中的形式相似，方便学生建立线性代数中矩阵运算与机床运动轴物理运动值之间的直观联系。UG软件是一个交互式的CAD/CAM系统。VERICUT软件可以实现用户自己创建机床、设计工装夹具、完成程序导入、设置多工位及切削工艺等，能全方位地模拟加工中的实际情况[4，11]。

五轴数控加工虚拟实验内容安排综合考虑了虚拟实验软件以及理论授课与实践教学，如图1所示。结合三种现代工具，针对理论授课中数控代码自动编程，设计UG刀具轨迹生成及基于MATLAB的后处理算法实验教学;针对五轴机床机械结构理论授课，设计UG虚拟装配与结构剖析实验教学;针对五轴数控加工动作原理、程序纠错、故障诊断和切削优化理论授课，设计VERICUT数控系统虚拟操作、仿真切削及程序优化实验教学。

为加深学生对五轴数控加工编程及制造过程的理解，本虚拟实验教学包括运动变换矩阵与机床运动轴运动之间的关系;以典型五轴复杂曲面零件叶轮为例，采用UG软件叶轮加工模块，分析叶轮制造工序及生成刀具轨迹;基于MATLAB软件，自主编制五轴机床后处理算法，实现刀位数据与数控代码的批量转换;通过UG软件的虚拟设计及装配，进行五轴数控机床的结构认知和模型装配;构建VERICUT虚拟仿真切削环境，进行叶轮零件的仿真切削和程序优化，创建更高效安全的数控程序，传递给学生优化切削思想。

3 五轴数控加工虚拟实验实践过程

分析矩阵运算与机床运动的关联 ?本虚拟实验教学授课中用数学中的矩阵来表达运动轴的运动[12]，让学生自主直观描述矩阵的物理含义，搭建关系桥梁，如图2所示。既能够让学生回顾所学基础知识，调动基础课程学习热情，又能加深学生对机床运动的内在理解，掌握刀位数据后处理为数控代码的基础理论，增强课程教学说服力。

基于UG软件的刀具轨迹编程 ?采用UG软件中的加工模块自主编程生成刀具轨迹，编程过程中关键在于切削参数的选择，指引学生探索不同切削参数设置对刀具轨迹生成的影响，让学生自由发掘并规划相应刀具轨迹，如图3所示。

各个学生规划的刀具轨迹优劣可由仿真切削结果进行评判，以切削效率和切削精度为主要判别指标，最后通过仿真切削的方式进行切削参数优化。教学过程中讲解两种开粗方案：三轴开粗;五轴开粗。分析比较两种方案的优缺点，鼓励学生从多途径、多角度思考并解决同一问题，发散学生思维，锻炼学生分析比较能力，为解决实际复杂工程问题奠定基础。

五轴机床虚拟装配及结构剖析 ?实体五轴数控机床往往是完整的装配体，很难对机床内部结构进行观察和认知，关键零部件的装配面、连接方式和传动原理难以有效辨识。而虚拟样机则可以解决上述问题，可以根据需要任意隐藏和展现相关零部件，通过放大、缩小以及旋轉功能360度查看零部件细节，也可以通过精确的测量工具对零部件尺寸、配合形式等进行分析。可以在UG软件中对五轴数控机床进行虚拟装配和创建结构爆炸图，如图4所示。结合数控原理和数控指令，通过虚拟样机向学生讲解指令传输和执行原理，让学生对五轴数控机床结构种类、运动部件传动原理以及机床结构参数标定等有深刻直观的理解。

刀位数据与数控代码的批量转换 ?传统五轴加工后处理方法是应用UG软件构造对应五轴机床结构的后处理器，通过后处理器实现刀位数据与数控代码的批量转换，是借助现有商用软件的方法[13]。与传统方法不同，本虚拟实验教学中采用基础的运动变换矩阵以及MATLAB编程语言，让学生自主实现刀位数据与数控代码的批量转换以及数控代码的输出。

本文探索的虚拟实验教学方法，能够让学生理清现有商用软件与数学理论的关系;能够让学生自己体验应用数学知识自动生成数控代码的乐趣，加深对数学知识的价值和地位认可;能够开拓学生思维，激发学生兴趣，对UG软件刀具轨迹自动生成原理产生好奇心，进而对微分几何等产生兴趣，各科知识交叉互融，构建丰富友好的知识空间体系。

五轴数控机床虚拟仿真及程序优化 ?基于VERICUT的五轴数控机床虚拟仿真切削包含组件树创建、实体模型创建及其与组件树的关联、机床运行参数设置、刀库创建等内容，均可以锻炼学生的实践动手能力并加深串联式五轴数控机床运动拓扑关系的理解。仿真软件拥有与实际机床一致的操作体验，行程范围检测、碰撞过切干涉等不正常程序指令均会产生相应操作报警，通过不断犯错和纠错的方式可以加深学生印象、获得不同内涵理解，从而提高学习质量。

学生将自主生成的刀具轨迹、自主后处理得到的数控程序导入VERICUT软件，调用刀库中相应刀具，设定加工坐标系，执行五轴数控加工程序，完成与实际机床动作一致的加工过程，验证数控程序的正确性与合理性。切削完成后，学生可以自己在软件中对切削零件进行测量，可以运用自动比较模块分析零件切削效果，也可以通过程序优化模块根据切削过程模型对现有数控程序进行自适应调整和优化。机床三维模型、切削过程模型以及分析模型均可在可视化界面中展示，如图5所示。

本文设计的虚拟实验教学内容丰富，涵盖复杂曲面零件数控加工过程中各种问题的分析与处理，以培养学生运用现代工具综合分析和解决复杂工程问题的能力，提高学生创新思维，增强学生学习兴趣、自信和成就感。

4 虚拟实验实践教学思考

为提高工程教育质量，促进工程教育国际化，持续改进教学方法和内容以增强毕业生解决复杂工程问题的能力，是实现工程教育国际互认的保障措施。本虚拟实验教学围绕培养学生毕业能力展开，以五轴数控加工复杂自由曲面为切入点，结合三种现代可视化工具设计贯通数学、信息以及工程学的虚拟教学内容，利用虚拟实验可视化、感知性、交互性和拓展性等特点，充分发挥学生的主观能动性，调动学生创新思维，引导学生掌握分析实际工程问题、比较多种方案优劣的探索能力，培养学生的工程优化意识。

通过五轴数控加工虚拟实验设计及教学之后，学生普遍反映五轴数控加工不像以前那么神秘和高深了，普遍能够掌握并接受五轴数控制造过程中涉及的数学知识、工程知识以及现代工具的基本使用方法，能够举一反三，运用现代工具完成实际复杂自由曲面的加工。通过在虚拟实验教学中融会贯通各个学科知识点，学生更容易直观地掌握相关知识，能够认识到其在解决实际工程问题时的作用和地位，构建知识空间体系，激发学习动力，增强学习兴趣。

从虚拟实验实践教学反馈来看，在教育教学中要充分认识到问题导向、贯通教学、价值学习、感官认知以及自由探索的重要性，应最大限度地增加学生的成就感和获得感，将涉及的理论知识以通俗易懂、虚实结合的可视化方式展示给学生，让学生自主挖掘学习乐趣，以激发学习动力，提高教育教学质量。

5 结语

五轴数控加工虚拟实验提高了数控技术课程教学质量，培养了学生运用现代工具解决实际工程问题的能力，增强了学生的工程优化意识，拓展了学生的创新思维。通过建立矩阵与机床运动的关系桥梁、自主编写数控代码批量后处理程序、认知五轴数控机床三维结构和运动原理、建立五轴数控机床虚拟仿真环境、进行五轴数控加工仿真切削、分析及程序优化，能够增加学生学习热情，活跃课堂学习气氛，激发学生学习兴趣，促进学生分析比较并解决实际工程问题，让学生体验学习乐趣、获得感和成就感，进入生态链学习良性循环。虚拟实验教学解决了高校五轴数控机床欠缺以及机床无法让学生亲自操作的现实问题，使得学生能够反复训练和操作与实际机床功能一样的虚拟样机，增添直观学习感受，提高综合水平。

参考文献

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