论文部分内容阅读
随着计算机技术的普及应用，数控加工仿真系统因其功能强大、交互性好、操作便捷和安全可靠等优点，在数控技术相关课程教学中越来越得到广泛应用。本文以典型的轴类零件为研究对象，结合MasterCAM自动编程技术，重点介绍基于斯沃数控仿真系统的数控虚拟加工技术在教学中的应用。通过研究得出在虚拟环境中数控加工，不仅丰富了教学手段，提高了学生学习兴趣，还有效解决了在数控技术课程实验教学中因数控设备昂贵与资金短缺而造成的教学效果不理想、效率低的问题。
一、引言
2014年5月，教育部高校转型改革方向已明确，国家普通高等院校1200所学校中，将有600多所转向职业教育。转型改革就要求应用型机械类本科专业人才的培养，除了满足普通高等教育的要求外，还要求突出“能设计、会操作、懂管理”的能力。因此，应用型机械人才的培养，既不同于一般本科的培养，又必须区别于单纯技能型培养的高职学生。由于制造业高速发展，数控机床在制造加工中的使用越来越普遍，数控产品技术的推广与应用，需要大批既有一定理论知识又具备实际操作技能的应用型机械人才。随着数控加工和虚拟现实技术的发展，数控虚拟加工技术成为一项非常有效的辅助手段。数控虚拟加工是结合机床厂家实际加工制造经验与学校教学训练所开发的一种机床控制虚拟仿真系统，在教学中应用，不仅有效解决了传统数控机床占地面积大、耗材多、成本高及投入大等不足，而且通过近6年的《数控技术及应用》课程教学和学生的反馈信息得出，采用数控虚拟加工技术作为前期的辅助教学手段是一种安全有效的教学模式和教学途径。
二、斯沃仿真系统简介
目前数控加工仿真软件众多，这些仿真软件能在计算机上进行三维仿真，模仿数控机床操作，并能进行手工编程或CAD/CAM自动编程，与实物机床有较好的兼容性。斯沃仿真软件是南京斯沃软件技术有限公司开发的仿真软件，可以将虚拟现实技术应用于数控加工操作技能培训和考核，界面显示自然友好，图1所示为FANUC Oi-T的仿真面板。主要由3个窗口组成，每一个窗口分别地执行独立的操作，并像真的CNC机床那样在各个窗口之间相互交换信号。斯沃仿真系统具有：①多样的数控系统，可根据需要选择国内外各种常用的数控系统，如日本FANUC、德国SIEMENS、德国PA和华中数控、广州数控等近20个厂家的数控系统；②完善的刀具库，可以选用各种型号和尺寸的刀具，如常用的车刀、铣刀和钻头等，能准确定义所需毛坯的尺寸、安装及定位方式；③强大的网络化交互功能，教师可根据需要选择不同授课模式，包括授课、练习和考试等，同时教师机上可以对每台学生机进行操作监控，及时了解学生的操作情况，并即时实施指导；④考试功能，考试考务系统包括题库管理、试卷管理、考试过程管理数据管理、准考证管理、考试成绩管理以及试卷自动评分真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。
三、零件加工的自动编程过程
1.建立模型
本文以如图2所示的小轴零件为研究对象，小批量生产，零件材料为45钢，无热处理和硬度要求，毛坯尺寸为 .50×200mm。
2.工艺方案
该零件表面由柱面、锥面、圆弧、螺纹和退刀槽等表面组成，适合在数控车床上加工。其中多段圆柱面直径尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，精度最高的mm为IT8级精度，表面粗糙度最高值要求为 Ra1.6μm，采用经济型数控车床加工即可满足要求，本文选用FANUC Series 0i-T数控车床。通过上述分析，可采用以下工艺方案。
◎对图样上给定尺寸取公差中值进行编程。
◎在轮廓曲线上，有一处圆锥有两处圆弧，一处倒角，因此在加工时应进行刀具刀尖圆弧半径补偿，以保证锥度及轮廓曲线的准确性。
◎该零件一次装夹即可完成加工，只需设置一个工件坐标系，工件坐标系原点取装夹后毛坯右端面与轴线的交点。
◎装夹。由于毛坯为棒料，采用三爪自定心卡盘定位夹紧。
◎走刀路线确定按照由粗到精、由近到远的原则确定加工的顺序，确定的走刀路线为：①车右端面；②粗车外圆到尺寸；③精车外圆到尺寸；④车退刀槽；⑤车螺纹。
◎根据被加工材料为45钢，本次加工需要3把刀具，因加工余量不大，刀具磨损较小，粗精加工用同一把刀。切削用量按照工艺手册来计算，最终形成了如表所示的数控加工工艺卡。
四、用MasterCAM生成刀具路径
1.外圆粗车刀具路径
粗车的目的就是在留出精加工余量的前提下，尽量快速切除多余材料，提高加工效率，故粗车路径选择外圆车削循环指令，这样既可缩短刀具路径，又可简化编程。先按要求在MasterCAM里设置毛坯尺寸，再选择主菜单中的“刀具路径”→“粗车”命令选择加工轮廓，最后按照工艺方案中制定的走刀路线和工艺卡中参数对加工的工艺进行设置，如图3所示。确定后即可生成粗加工刀具路径。
2.外圆精加工刀具路径
选择主菜单中的“刀具路径”→“精车”命令，与粗加工路径操作过程相似，打开精加工参数选项卡，设置刀具、精车次数、加工余量和背吃刀量，完成精加工路径设置。
3.退刀槽和螺纹刀具路径
分别用“刀具路径”下的“径向车削”和“车螺纹”命令，选择代加工对象，设置加工对应的刀具和加工工艺参数后，即可生成所加工的刀具路径。
最终整个工件加工的刀具路径，如图4所示。
4.NC代码生成
生成正确的加工路径后即可在“操作管理员”中对话框中“全选”所有工步后，点击“执行后处理”即可生成所需的NC代码。
五、仿真加工
1.加工前的准备操作
（1）启动斯沃仿真软件，选择FANUC OiT数控系统，旋开机床急停按钮和程序保护锁，执行刀架“回零”操作，建立机床坐标系。
（2）在“工件设置”中设置毛坯外形、材料和尺寸，如图5a所示，并按要求在“刀具管理”中选用所需的刀具，并置入相应的刀位中，如图5b所示。
（3）对刀。分别对 X、Z轴进行试切对刀，选择 “OFFSET SETTING”的“刀具补正/几何”，自动测量试切过程所使用的没把刀具的偏置量并存储对应位置。
2.导入NC程序并加工
一般零件加工的程序很长，不宜在MDI面板上手工录入，斯沃软件工具条上的“打开”命令可导入事先保存的“CNC”文件。先在键盘上选择“PROG”模式，再在控制面板上选择“EDIT”的程序编辑模式，输入一个程序名后，即可选择“打开”命令导入之前后处理的程序。最后选择“AUTO”模式，“机床操作”菜单中“舱门”命令关上舱门，即可按“循环启动”进行零件的仿真加工，结果如图6所示。
六、结语
利用数控仿真软件与自动编程软件各自优势相结合，为数控加工和数控教学提供了一种很有效的途径，不但加深了学生对理论知识的理解，而且提高数控加工的生产效率、节省材料和设备损耗；另一方面，也提高了学生课堂学习积极性和课堂教学效果，在很大程度上帮助学生了解和掌握数控加工的基本操作过程，为实际操作实习打下良好的认知基础，值得推广和应用。
一、引言
2014年5月，教育部高校转型改革方向已明确，国家普通高等院校1200所学校中，将有600多所转向职业教育。转型改革就要求应用型机械类本科专业人才的培养，除了满足普通高等教育的要求外，还要求突出“能设计、会操作、懂管理”的能力。因此，应用型机械人才的培养，既不同于一般本科的培养，又必须区别于单纯技能型培养的高职学生。由于制造业高速发展，数控机床在制造加工中的使用越来越普遍，数控产品技术的推广与应用，需要大批既有一定理论知识又具备实际操作技能的应用型机械人才。随着数控加工和虚拟现实技术的发展，数控虚拟加工技术成为一项非常有效的辅助手段。数控虚拟加工是结合机床厂家实际加工制造经验与学校教学训练所开发的一种机床控制虚拟仿真系统，在教学中应用，不仅有效解决了传统数控机床占地面积大、耗材多、成本高及投入大等不足，而且通过近6年的《数控技术及应用》课程教学和学生的反馈信息得出，采用数控虚拟加工技术作为前期的辅助教学手段是一种安全有效的教学模式和教学途径。
二、斯沃仿真系统简介
目前数控加工仿真软件众多，这些仿真软件能在计算机上进行三维仿真，模仿数控机床操作，并能进行手工编程或CAD/CAM自动编程，与实物机床有较好的兼容性。斯沃仿真软件是南京斯沃软件技术有限公司开发的仿真软件，可以将虚拟现实技术应用于数控加工操作技能培训和考核，界面显示自然友好，图1所示为FANUC Oi-T的仿真面板。主要由3个窗口组成，每一个窗口分别地执行独立的操作，并像真的CNC机床那样在各个窗口之间相互交换信号。斯沃仿真系统具有：①多样的数控系统，可根据需要选择国内外各种常用的数控系统，如日本FANUC、德国SIEMENS、德国PA和华中数控、广州数控等近20个厂家的数控系统；②完善的刀具库，可以选用各种型号和尺寸的刀具，如常用的车刀、铣刀和钻头等，能准确定义所需毛坯的尺寸、安装及定位方式；③强大的网络化交互功能，教师可根据需要选择不同授课模式，包括授课、练习和考试等，同时教师机上可以对每台学生机进行操作监控，及时了解学生的操作情况，并即时实施指导；④考试功能，考试考务系统包括题库管理、试卷管理、考试过程管理数据管理、准考证管理、考试成绩管理以及试卷自动评分真技术，这些问题可以轻松得到解决，从而避免编程时人为出错或工艺不合理造成工件报废。
三、零件加工的自动编程过程
1.建立模型
本文以如图2所示的小轴零件为研究对象，小批量生产，零件材料为45钢，无热处理和硬度要求，毛坯尺寸为 .50×200mm。
2.工艺方案
该零件表面由柱面、锥面、圆弧、螺纹和退刀槽等表面组成，适合在数控车床上加工。其中多段圆柱面直径尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求，精度最高的mm为IT8级精度，表面粗糙度最高值要求为 Ra1.6μm，采用经济型数控车床加工即可满足要求，本文选用FANUC Series 0i-T数控车床。通过上述分析，可采用以下工艺方案。
◎对图样上给定尺寸取公差中值进行编程。
◎在轮廓曲线上，有一处圆锥有两处圆弧，一处倒角，因此在加工时应进行刀具刀尖圆弧半径补偿，以保证锥度及轮廓曲线的准确性。
◎该零件一次装夹即可完成加工，只需设置一个工件坐标系，工件坐标系原点取装夹后毛坯右端面与轴线的交点。
◎装夹。由于毛坯为棒料，采用三爪自定心卡盘定位夹紧。
◎走刀路线确定按照由粗到精、由近到远的原则确定加工的顺序，确定的走刀路线为：①车右端面；②粗车外圆到尺寸；③精车外圆到尺寸；④车退刀槽；⑤车螺纹。
◎根据被加工材料为45钢，本次加工需要3把刀具，因加工余量不大，刀具磨损较小，粗精加工用同一把刀。切削用量按照工艺手册来计算，最终形成了如表所示的数控加工工艺卡。
四、用MasterCAM生成刀具路径
1.外圆粗车刀具路径
粗车的目的就是在留出精加工余量的前提下，尽量快速切除多余材料，提高加工效率，故粗车路径选择外圆车削循环指令，这样既可缩短刀具路径，又可简化编程。先按要求在MasterCAM里设置毛坯尺寸，再选择主菜单中的“刀具路径”→“粗车”命令选择加工轮廓，最后按照工艺方案中制定的走刀路线和工艺卡中参数对加工的工艺进行设置，如图3所示。确定后即可生成粗加工刀具路径。
2.外圆精加工刀具路径
选择主菜单中的“刀具路径”→“精车”命令，与粗加工路径操作过程相似，打开精加工参数选项卡，设置刀具、精车次数、加工余量和背吃刀量，完成精加工路径设置。
3.退刀槽和螺纹刀具路径
分别用“刀具路径”下的“径向车削”和“车螺纹”命令，选择代加工对象，设置加工对应的刀具和加工工艺参数后，即可生成所加工的刀具路径。
最终整个工件加工的刀具路径，如图4所示。
4.NC代码生成
生成正确的加工路径后即可在“操作管理员”中对话框中“全选”所有工步后，点击“执行后处理”即可生成所需的NC代码。
五、仿真加工
1.加工前的准备操作
（1）启动斯沃仿真软件，选择FANUC OiT数控系统，旋开机床急停按钮和程序保护锁，执行刀架“回零”操作，建立机床坐标系。
（2）在“工件设置”中设置毛坯外形、材料和尺寸，如图5a所示，并按要求在“刀具管理”中选用所需的刀具，并置入相应的刀位中，如图5b所示。
（3）对刀。分别对 X、Z轴进行试切对刀，选择 “OFFSET SETTING”的“刀具补正/几何”，自动测量试切过程所使用的没把刀具的偏置量并存储对应位置。
2.导入NC程序并加工
一般零件加工的程序很长，不宜在MDI面板上手工录入，斯沃软件工具条上的“打开”命令可导入事先保存的“CNC”文件。先在键盘上选择“PROG”模式，再在控制面板上选择“EDIT”的程序编辑模式，输入一个程序名后，即可选择“打开”命令导入之前后处理的程序。最后选择“AUTO”模式，“机床操作”菜单中“舱门”命令关上舱门，即可按“循环启动”进行零件的仿真加工，结果如图6所示。
六、结语
利用数控仿真软件与自动编程软件各自优势相结合，为数控加工和数控教学提供了一种很有效的途径，不但加深了学生对理论知识的理解，而且提高数控加工的生产效率、节省材料和设备损耗；另一方面，也提高了学生课堂学习积极性和课堂教学效果，在很大程度上帮助学生了解和掌握数控加工的基本操作过程，为实际操作实习打下良好的认知基础，值得推广和应用。