技工院校多轴加工课程教学模式的探究
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摘 要：随着＂中国制造2025＂的提出，国家在战略层面上将制造业列为优先发展的方向。制造业是国家经济的支柱，是立国之本、兴国之器。随着先进制造技术的提高，多轴加工人才市场需求越来越大。对多轴加工人才的培养是摆在技工院校面前的一个重要的使命。本文阐述了关于多轴加工教学的模式和多轴加工编程观念，以及CAM软件在教学中的地位及作用。
关键词：教学模式 机床系统功能 CAM软件
先进制造技术（多轴加工）的发展已经提高到国家战略层面。根据教育部等三部委联合印发的《制造业人才发展规划指南》，到2025年我国对高档数控机床的人才需要900万人，缺口预计到450万人。目前国内很多技工院校先后引进了多轴数控机床，但是目前多轴课程的开发以及如何授课，是摆在很多学校面前的急需解决的问题之一。
一、国内外多轴教学模式
1.国内多轴教学现状
技工院校学生在学习多轴加工课程前，已经学习过普通机加工以及数控车、铣床加工以及金属切削工艺等相关知识，对学习多轴加工已经有了很好的基础。很多院校在配置完多轴机床后就购置了能用来编制加工程序的CAM软件。虽然CAM软件极大提高了多轴机床的利用率，但是学生直接学习CAM软件加工并不能真正了解多轴机床加工的运动动作状态。CAM软件设置了合理的加工方式后输出的代码可以使机床进行正确的机床运动。学生虽然可以在教师帮助下完成工件的加工，但是学生对机床运动的空间运动及设备的特点并不是很了解。这样让学生对学习多轴加工会有一定的误解，认为多轴加工程序编制只要学好CAM软件编程就可以了。
2.国外多轴课程教学模式
笔者在国外参加了多轴加工学习，并查阅了大量的资料，得知国外的多轴加工学习理念和我国有很大的不同。国外都是让学生从手工编程学起，因为这样才可以培养学生的＂3+2轴＂五轴基础空间想象能力。学生只有更好地了解到了多轴机床的运动方式及设备的特点，才能够对多轴加工有了更深刻的理解。我国目前的大多数学校培养方式是以计算机编程技术为基础，这样不能很好培养学生五轴的空间变换等理念。如果选用的CAM软件在机床建模及模拟仿真不好，很容易造成撞机现象。国外多轴课程主要培养学生五轴机床空间想象能力，课程侧重于常规加工与多轴加工零件的相互联系。让学生掌握两者之间的区别，引导并启发学生根据加工零件进行多轴零件工藝编制，熟练掌握手工程序编制并独立完成机床操作。
3.数控仿真软件辅助实训教学
由于多轴设备比较昂贵，一般一所学校只采购1～2台，往往会出现＂学生多，设备少＂的问题。如果采用多轴数控仿真软件，就能够解决实训学生人数较多的问题，如德国Keller仿真软件、上海宇龙仿真软件等，可以做到人手一台。目前市面上好的仿真软件可以做到与真实机器一样的使用效果，如机床模型和控制面板的操作效果一样，学生在仿真软件上可以进行编程的学习并找到编程中出现的问题。
二、多轴设备重要系统功能
多轴数控加工是指在三个移动轴（X、Y、Z）联动的基础上，再增加绕这三个移动轴的一种加工方式。这些运动方式可以是全部联动的，也可以是部分联动的（定轴加工）。
1.RTCP功能（刀具中心点控制）
提到多轴数控系统，就不得不说五轴机床一个非常重要的观念。在多轴加工行业里经常提到一个行业术语：＂真五轴＂与＂假五轴＂。＂真五轴＂与＂假五轴＂有何区别呢？了解这个观念对教学是很有帮助的，接下来笔者以图1为例阐述一下＂真五轴＂与＂假五轴＂的区别。
从图1中可以看出有RTCP和无RTCP的功能的区别。无RTCP功能的机床如果转动旋转轴，机床的线性轴不会移动，加工坐标也没有发生改变，但是旋转轴后刀具中心点位置是不对的，这样进行加工是不正确的。而具有RTCP功能的机床如果转动旋转轴，机床系统内部会进行位置偏差补偿计算，始终保持刀尖点位置相对工件的加工位置是正确的。＂真五轴＂与＂假五轴＂的区别就是在于多轴机床是否具有RTCP功能，不具备RTCP的机床也是可以进行五轴联动加工，但是在工件安装和产生加工NC代码方式上会有一定的区别，相比于具有RTCP功能的多轴机床要繁琐很多。目前国内技工院校采购高档多轴数控装备时，数控系统往往选配为海德汉Heidenhain iTNC530和西门子SINUMERIK 840D系统。这两个数控系统都有RTCP功能，海德汉系统采用M128指令，而西门子公司采用TRAORI指令。
2.框架FRAMES方式
还有一个很重要的观念，就是多轴机床编程时使用框架FRAMES方式来进行编程，什么是框架FRAMES方式？以图2为例进行分析。
工件坐标系确定在工件的左上角，第一步，平移加工坐标系到1点，第二步再旋转工件坐标系的Z轴方向垂直于加工斜面。这样就可以像三轴一样可以手工编程去加工斜面上的孔系，加工坐标系平移加旋转方式。这就是框架FRAMES方式。Heidenhain iTNC530和西门子SINUMERIK 840D系统，这两个数控系统都有FRAMES方式功能，海德汉系统采用CYCL DEF 19、 PLANE SPATIAL指令，而西门子公司采用CYCLE800、ROT指令。以上指令的使用可以用来编制定轴加工的零件。
以上两个重要的数控系统功能，多轴机床教学人员必须要熟练应用。操作不具备RTCP功能和框架FRAMES方式的多轴机床需要先进行一部分对刀操作，然后进行工件装夹，安装好后，按对刀要求进行校正，输出加工代码后才可以进行加工。而具备RTCP功能和框架FRAMES方式的多轴机床的操作方式和普通三轴数控铣床一样，先安装工件，然后进行对刀，输出代码后就可以进行加工。
三、多轴加工CAM软件
笔者通过走访一些加工企业，与多轴加工相关从业人员交流，了解到企业首先考虑的是设备的安全以及生产加工的效率。因为高档多轴设备都比较昂贵，维修的费用比较高昂，企业的零件结构比学校教学的零件结构更加复杂、多样化，一般的手工编程难以适应企业生产需求，所以企业往往会选用一套安全高效的CAM加工软件，以减少机床碰撞事故并提高设备使用效率及加工时间。安全、高效的加工软件应具备以下几个特点。endprint
1.软件安全可靠
五轴机床设备都比較昂贵，由于参与的运动轴数增加，编程与加工的复杂性提高，所以软件的碰撞与过切的检查必须准确、可靠。
2.软件容易上手
五轴加工刀路设置通常会比三轴加工刀路编程复杂一些，由于要考虑刀轴矢量和加工策略等因素以及刀路是否发生干涉等情况，因此在实际加工中，选用的CAM软件需要易学易用，操作过程简单。
3.机床仿真模拟功能
编制五轴加工程序时，用户要考虑该程序在五轴机床上运行的可靠性和安全性，CAM软件必须进行机床准确建模后仿真验证，用户从中发现问题后及时调整刀具路径以避免运动到旋转极限，从而避免碰撞的发生。
学校在进行实训教学时首先学习的是手工编程，随着课程的深入，学生也要进行CAM软件的编程学习。CAM编程软件的学习应该将建模部分学习关注点集中在加工模型的绘制及优化上，以及机床真实加工环境的建模上（夹具、毛坯、刀具、刀柄等），因为真实的建模可以保证机床在模拟时准确仿真出机床的碰撞与干涉，确保机床安全的运行。加工部分的学习应注意加工工艺的执行。按照＂先执行工艺、然后生成刀路＂的思路进行加工刀路的设计，一款安全、高效的软件的CAM软件可以使编程容易很多。
四、小结
综上所述，技工院校要培养出优秀的先进制造技术人才，首先要结合自己学校的情况，充分了解自己的实训设备，在教学过程中充分挖掘多轴数控机床的系统功能，开展与之对应有效的教学方式，才能将多轴设备的优势发挥出来，在课程设置方面应该先侧重于先进行手工编程的学习，培养学生空间想象能力，掌握多轴加工概念与设备的特点。然后进行三轴零件与多轴零件加工工艺的相互联系学习，掌握多轴零件工艺编制。数控仿真软件的使用可以有效提高实训设备使用时间并有效减少碰撞事故，并有效缓解实训设备不够的难题。最后，结合一款安全、高效的CAM软件能够让设备使用率提高，有效提高加工时间，并避免了设备碰撞带来的高额维修费用。
参考文献：
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[3]韩诗典.五轴RTCP及ROTO功能详解[J].金属加工：冷加工，2013（5）.
[4]朱克忆.Powermill多轴加工编程实用教程[M].北京：机械工业出版社，2009.