虛擬三維技術(shù)在數控專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應用論文
【摘要】介紹現代計算機虛擬三維技術(shù)在數控專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應用，提出了幫助職業(yè)教育院校數控專(zhuān)業(yè)學(xué)生盡快掌握機械設計基礎知識和機械加工工藝基礎知識的教法，通過(guò)范例對教法進(jìn)行了講解，并對教法所產(chǎn)生的效果進(jìn)行了探討和總結。
【關(guān)鍵詞】虛擬三維技術(shù);計算機輔助設計;數控加工;機械設計
數控加工技術(shù)以很高的加工精度和穩定的加工質(zhì)量，自動(dòng)化的操作過(guò)程，生產(chǎn)準備周期短，適應產(chǎn)品快速更新?lián)Q代需求等優(yōu)勢，正在逐步替代傳統機床。所以，各大學(xué)，中等和高等技術(shù)學(xué)校中廣泛地開(kāi)設了與數控機床加工技術(shù)有關(guān)的課程。在學(xué)習數控機床加工技術(shù)前，必須學(xué)習基本機械設計和機械加工基礎知識，但是對于中高等職業(yè)院校的學(xué)生，由于學(xué)制時(shí)期短，學(xué)生基礎參差不齊，如何能夠使學(xué)生快速的熟知機械設計和機械加工基礎知識成為學(xué)生能否快速掌握數控機床加工技術(shù)的必要前提。而現代計算機輔助設計技術(shù)，特別是虛擬三維仿真技術(shù)為解決這一難題提供了有利的工具。下面就以一個(gè)在計算機虛擬仿真平臺下進(jìn)行的機械部件總成設計為例，介紹這一教法的內容，并探討其優(yōu)勢所在。
本文以達索公司的Solidworks軟件為主要教學(xué)平臺，教授學(xué)生繪制并虛擬組裝某型沖擊鉆為例，讓學(xué)生在繪制機械部件和部件虛擬總裝的過(guò)程中學(xué)習機械零件的構造和基本性質(zhì)，以及加工的工藝要求。本課程要求學(xué)生在修完機械制圖課后開(kāi)始。
1.實(shí)體樣機部件分解介紹
首先在課堂上將沖擊鉆的實(shí)體樣機展示給學(xué)生，然后將樣機部件逐一分解，向學(xué)生介紹每個(gè)部件的名稱(chēng)和構造特點(diǎn)，讓學(xué)生初步了解機械零件的基本特征和裝配特性，在大腦中對機加工零部件有一個(gè)初步的認識。樣機分解時(shí)，要注意部件拆卸的合理順序，并向學(xué)生說(shuō)明這一重要性，使學(xué)生形成正確的機械裝配意識。
2.講授三維設計軟件的應用，
建立模型庫初始階段可利用5-10課時(shí)的時(shí)間通過(guò)教授繪制簡(jiǎn)單的零部件，在學(xué)生掌握軟件的基本應用方法后，開(kāi)始教授學(xué)生繪制沖擊鉆的零部件，建立沖擊鉆的模型庫。盡快地進(jìn)入課程學(xué)習的角色中。
SolidWorks是Windows原創(chuàng )的三維實(shí)體設計軟件，全面支持微軟的OLE技術(shù)。眾所周知，基于Windows的設計系統的市場(chǎng)形成和發(fā)展與SolidWorks無(wú)不相關(guān)。當各種軟件產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入這條突然擁擠的跑道時(shí)，SolidWorks憑借其特有的創(chuàng )新精神，堅實(shí)地鞏固了三維CAD的領(lǐng)先地位。又因其在關(guān)鍵技術(shù)上的突破、深層功能的開(kāi)發(fā)和工程應用的不斷拓展，而成為CAD市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。它支持OLE 2.0的API后繼開(kāi)發(fā)工具，并且已經(jīng)改變了CAD/CAE/CAM領(lǐng)域傳統的集成方式，使不同的應用軟件能集成到同一個(gè)窗口，共享同一數據信息，以相同的方式操作，沒(méi)有文件傳輸的煩惱�！盎赪indows的CAD/大慶職業(yè)學(xué)院梁文財CAE/CAM/PDM桌面集成系統”貫穿于設計在SolidWorks的特征管理器中清晰地列出了詳細的數據信息。
SolidWorks采用基于特征的參數化實(shí)體建模。它具有強大的實(shí)體建模功能和直觀(guān)的用戶(hù)界面，設計與繪圖是在同一界面下同時(shí)進(jìn)行的。SolidWorks中，對于結構、形狀稍為復雜的產(chǎn)品模型進(jìn)行建模的思路是將整個(gè)產(chǎn)品分解為多個(gè)特征，通過(guò)特征之布爾運算逐步得到完整準確的產(chǎn)品模型。
其中，往往將整個(gè)產(chǎn)品中最主要或是最大的部分視為基本視圖(或稱(chēng)為基體)，首先完成對基體的造型。其它部分作為添加特征，以搭積木的方式，在基本特征的基礎上，通過(guò)添加、去除和求交的布爾運算最終得到整個(gè)模型。然后再進(jìn)行一些細小特征的添加，如倒角、倒圓和孔特征等，最后得到準確完整的產(chǎn)品模型。這種基于參數化特征繪制方法的設計軟件，部件繪制直觀(guān)，很容易為學(xué)生所掌握。
同時(shí)該軟件也是目前機械設計領(lǐng)域內采用較為廣泛的優(yōu)秀設計平臺之一，使學(xué)生掌握了一項新的就業(yè)技能，對有興趣的學(xué)生可重點(diǎn)輔導，幫助其進(jìn)一步學(xué)習，也可鼓勵其報考該軟件的技能等級證書(shū)考試，獲取相應的就業(yè)技能證書(shū)。
3.模型的虛擬裝配
在繪制完所有沖擊鉆的零部件模型后，開(kāi)始教授學(xué)生在計算機虛擬環(huán)境下的總裝，SolidWorks軟件提供了十分便捷清晰地裝配手段，學(xué)生可以通過(guò)選擇正確的裝配約束來(lái)裝配沖擊鉆整體。教師應該盡量以真實(shí)的組裝過(guò)程指導學(xué)生虛擬裝配，如應首先讓學(xué)生清理零件模型庫，確定是否零部件繪制齊全，對實(shí)體樣機中所采用的標準件，可指導學(xué)生利用軟件提供的標準件庫直接提取相應的標準件，補充到模型庫內;其次指導學(xué)生對總成中的需要優(yōu)先組裝的分總成建立裝配體文件，進(jìn)行虛擬組裝。在完成各部分主要裝配體的裝配后，在軟件平臺中建立一個(gè)單獨的裝配體文件，以沖擊鉆操縱手柄裝配體為主體先行插入固定不動(dòng)，然后依次插入沖擊鉆主體架、沖擊鉆傳動(dòng)件裝配體和沖擊鉆動(dòng)力件裝配體，同時(shí)調整好各部分的位置和姿態(tài)，使之處于工作初始狀態(tài)。
SolidWorks軟件可以真實(shí)地模擬零部件間的運動(dòng)接觸關(guān)系，對于要求具有活動(dòng)能力的連接處，利用標準件庫內提取的連接銷(xiāo)軸，單獨進(jìn)行配合裝配，裝配時(shí)要嚴格要求軸孔的同軸心配合，不然將無(wú)法實(shí)現仿真運動(dòng)，同時(shí)這也是對整個(gè)機構設計與繪制的檢驗過(guò)程，因為如果尺寸設計不合理，零配件之間將會(huì )配合不上或因相互約束而被定義鎖死，這與采用物理實(shí)體樣機實(shí)踐所產(chǎn)生的結果將是基本吻合的，由此也就避免了物理實(shí)體樣機實(shí)踐造成浪費材料和時(shí)間的情況。經(jīng)裝配調整后，沖擊鉆的整體結構在軟件平臺下表現十分清晰，學(xué)生在虛擬裝配過(guò)程中，可以像在真實(shí)組裝環(huán)境下，對每一個(gè)零部件的裝配要求，組裝特點(diǎn)都會(huì )有一個(gè)親身的體會(huì )，這樣既有助于學(xué)生理解機械加工裝配的工藝要求，同時(shí)能夠認清零部件加工要求的本質(zhì)意義，使學(xué)生今后在實(shí)際數控加工作業(yè)中有正確的工作意識。
4.結合數控加工CAM軟件
實(shí)現零件的虛擬加工SolidWorks軟件還有一個(gè)最大的優(yōu)勢是其與數控加工軟件SolidCAM的無(wú)縫結合，在學(xué)生完成沖擊鉆的部件、整機的設計和繪制后，可選擇部分有代表的部件，激活SolidWorks軟件中SolidCAM模塊，在軟件平臺下機械虛擬加工，使學(xué)生在虛擬環(huán)境下親身體會(huì )數控加工的過(guò)程與工作原理，同時(shí)初步掌握數控加工編程的作業(yè)規程，為以后的實(shí)踐課程打下基礎。
如選擇沖擊鉆內一銷(xiāo)孔座為例，首先用SolidWorks軟件打開(kāi)銷(xiāo)孔座模型，激活SolidCAM模塊。然后定義零件的材料性質(zhì)，確立三維坐標系，選擇刀口的位置，接下來(lái)定義毛坯和目標模型(在加工過(guò)程中，剩余毛坯中的殘余量將被切除以達到最終的目標模型)。
建立一個(gè)3D粗加工模型操縱文件，選擇刀具，并確定刀具的參數：直徑=20 mm;圓角半徑=2 mm;整體長(cháng)度=100 mm;外伸長(cháng)度=80 mm;切削刃長(cháng)度=75 mm。選擇完刀具后，指定粗加工參數在Rough-粗加工選項中選擇輪廓加工策略，輸入Overlap-重疊為0.5，Stepdown-切深為5mm，Surface offset.-曲面偏移為1。
在清理底面選項中選擇粗加工中清除平面選項用來(lái)在在每個(gè)切深層之間清理底面殘余的平緩區域然后在進(jìn)行下一層切深的加工。在Z-Entry—Z切入選項中選擇Helical-螺旋切入，Radius-螺旋半徑為5，點(diǎn)擊Mode-模式按鈕，打開(kāi)Openpocket mode-開(kāi)放零件模式對話(huà)框，復選Approach open pocket from outside-從外部切入選項，該選項能夠是SolidCAM從坯料外部自動(dòng)計算刀路，刀路切入點(diǎn)從原料外部切入到一定深度然后再進(jìn)入毛坯。
對于封閉的區域，則不可以從外部進(jìn)刀，需要通過(guò)螺旋進(jìn)刀插入坯料點(diǎn)OK-確認按鈕進(jìn)行確認點(diǎn)擊Data-數據按鈕定義輪廓參數，將顯示Contour parameters—輪廓參數對話(huà)框。把默認方向從Climb—順銑更改為Conventional—逆銑點(diǎn)OK-確認按鈕確認Contour parameters-輪廓參數。點(diǎn)擊Save&Calculate—保存并計算按鈕保存該操作并計算刀路軌跡，點(diǎn)擊Simulation—仿真按鈕查看刀路仿真結果，點(diǎn)Zoom to Fit-適合屏幕大小按鈕使模型居中并點(diǎn)按鈕Play—開(kāi)始進(jìn)行仿真。
模型的加工過(guò)程可以在SolidWorks窗口下進(jìn)行仿真，這中仿真模式使學(xué)生在SolidWorks窗口下直接查看刀路軌跡，由于所有的SolidWorks視圖選項都可以在仿真中激活，學(xué)生就可以從不同的方向和視圖比例查看模型中的特點(diǎn)刀路。完成仿真后，還可以根據學(xué)生的掌握情況，進(jìn)一步的教授精加工的操作方法，通過(guò)對不同零部件的虛擬加工，使學(xué)生對數控加工有了一個(gè)感官的認識，為實(shí)機操作課程打下良好的基礎。
5.總結
教學(xué)實(shí)踐證明，通過(guò)教授學(xué)生三維虛擬設計軟件的辦法，學(xué)生掌握機械加工基礎速度有了明顯提高，我們連續對三年六個(gè)學(xué)期的選擇計算機三維設計課程不同班級的學(xué)生進(jìn)行了跟蹤統計，數據結果表明，順利完成這一課程的學(xué)生，在數控加工實(shí)踐課程環(huán)節里及格率明顯提高，解決了以往因為職業(yè)院校學(xué)生文化基礎低，掌握技能慢的難題，其優(yōu)勢就在于通過(guò)感官利用計算機虛擬手段直接接觸讓學(xué)生快速對機械零部件產(chǎn)生思維意識，為實(shí)際加工操縱提供思想基礎，提高了學(xué)生掌握技能的速度。
也使學(xué)生同時(shí)掌握了一門(mén)新的就業(yè)技能。
實(shí)踐證明這種教學(xué)法非常符合現代職業(yè)教育數控加工專(zhuān)業(yè)的發(fā)展方向，是職業(yè)教育數控加工專(zhuān)業(yè)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。
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