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虛擬三維技術(shù)在數(shù)控專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用論文
【摘要】介紹現(xiàn)代計算機(jī)虛擬三維技術(shù)在數(shù)控專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用，提出了幫助職業(yè)教育院校數(shù)控專業(yè)學(xué)生盡快掌握機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)知識和機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)知識的教法，通過范例對教法進(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(jié)。
【關(guān)鍵詞】虛擬三維技術(shù);計算機(jī)輔助設(shè)計;數(shù)控加工;機(jī)械設(shè)計
數(shù)控加工技術(shù)以很高的加工精度和穩(wěn)定的加工質(zhì)量，自動化的操作過程，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，適應(yīng)產(chǎn)品快速更新?lián)Q代需求等優(yōu)勢，正在逐步替代傳統(tǒng)機(jī)床。所以，各大學(xué)，中等和高等技術(shù)學(xué)校中廣泛地開設(shè)了與數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)有關(guān)的課程。在學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)前，必須學(xué)習(xí)基本機(jī)械設(shè)計和機(jī)械加工基礎(chǔ)知識，但是對于中高等職業(yè)院校的學(xué)生，由于學(xué)制時期短，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，如何能夠使學(xué)生快速的熟知機(jī)械設(shè)計和機(jī)械加工基礎(chǔ)知識成為學(xué)生能否快速掌握數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)的必要前提。而現(xiàn)代計算機(jī)輔助設(shè)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。下面就以一個在計算機(jī)虛擬仿真平臺下進(jìn)行的機(jī)械部件總成設(shè)計為例，介紹這一教法的內(nèi)容，并探討其優(yōu)勢所在。
本文以達(dá)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(jī)械部件和部件虛擬總裝的過程中學(xué)習(xí)機(jī)械零件的構(gòu)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(jī)械制圖課后開始。
1.實體樣機(jī)部件分解介紹
首先在課堂上將沖擊鉆的實體樣機(jī)展示給學(xué)生，然后將樣機(jī)部件逐一分解，向?qū)W生介紹每個部件的名稱和構(gòu)造特點，讓學(xué)生初步了解機(jī)械零件的基本特征和裝配特性，在大腦中對機(jī)加工零部件有一個初步的認(rèn)識。樣機(jī)分解時，要注意部件拆卸的合理順序，并向?qū)W生說明這一重要性，使學(xué)生形成正確的機(jī)械裝配意識。
2.講授三維設(shè)計軟件的應(yīng)用，
建立模型庫初始階段可利用5-10課時的時間通過教授繪制簡單的零部件，在學(xué)生掌握軟件的基本應(yīng)用方法后，開始教授學(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(xí)的角色中。
SolidWorks是Windows原創(chuàng)的三維實體設(shè)計軟件，全面支持微軟的OLE技術(shù)。眾所周知，基于Windows的設(shè)計系統(tǒng)的市場形成和發(fā)展與SolidWorks無不相關(guān)。當(dāng)各種軟件產(chǎn)品開始進(jìn)入這條突然擁擠的跑道時，SolidWorks憑借其特有的創(chuàng)新精神，堅實地鞏固了三維CAD的領(lǐng)先地位。又因其在關(guān)鍵技術(shù)上的突破、深層功能的開發(fā)和工程應(yīng)用的不斷拓展，而成為CAD市場中的主流產(chǎn)品。它支持OLE 2.0的API后繼開發(fā)工具，并且已經(jīng)改變了CAD/CAE/CAM領(lǐng)域傳統(tǒng)的集成方式，使不同的應(yīng)用軟件能集成到同一個窗口，共享同一數(shù)據(jù)信息，以相同的方式操作，沒有文件傳輸?shù)臒⿶�。“基于Windows的CAD/大慶職業(yè)學(xué)院梁文財CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)”貫穿于設(shè)計在SolidWorks的特征管理器中清晰地列出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。
SolidWorks采用基于特征的參數(shù)化實體建模。它具有強(qiáng)大的實體建模功能和直觀的用戶界面，設(shè)計與繪圖是在同一界面下同時進(jìn)行的。SolidWorks中，對于結(jié)構(gòu)、形狀稍為復(fù)雜的產(chǎn)品模型進(jìn)行建模的思路是將整個產(chǎn)品分解為多個特征，通過特征之布爾運算逐步得到完整準(zhǔn)確的產(chǎn)品模型。
其中，往往將整個產(chǎn)品中最主要或是最大的部分視為基本視圖(或稱為基體)，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(chǔ)上，通過添加、去除和求交的布爾運算最終得到整個模型。然后再進(jìn)行一些細(xì)小特征的添加，如倒角、倒圓和孔特征等，最后得到準(zhǔn)確完整的產(chǎn)品模型。這種基于參數(shù)化特征繪制方法的設(shè)計軟件，部件繪制直觀，很容易為學(xué)生所掌握。
同時該軟件也是目前機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)采用較為廣泛的優(yōu)秀設(shè)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)生可重點輔導(dǎo)，幫助其進(jìn)一步學(xué)習(xí)，也可鼓勵其報考該軟件的技能等級證書考試，獲取相應(yīng)的就業(yè)技能證書。
3.模型的虛擬裝配
在繪制完所有沖擊鉆的零部件模型后，開始教授學(xué)生在計算機(jī)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)生可以通過選擇正確的裝配約束來裝配沖擊鉆整體。教師應(yīng)該盡量以真實的組裝過程指導(dǎo)學(xué)生虛擬裝配，如應(yīng)首先讓學(xué)生清理零件模型庫，確定是否零部件繪制齊全，對實體樣機(jī)中所采用的標(biāo)準(zhǔn)件，可指導(dǎo)學(xué)生利用軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫直接提取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，補充到模型庫內(nèi);其次指導(dǎo)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，然后依次插入沖擊鉆主體架、沖擊鉆傳動件裝配體和沖擊鉆動力件裝配體，同時調(diào)整好各部分的位置和姿態(tài)，使之處于工作初始狀態(tài)。
SolidWorks軟件可以真實地模擬零部件間的運動接觸關(guān)系，對于要求具有活動能力的連接處，利用標(biāo)準(zhǔn)件庫內(nèi)提取的連接銷軸，單獨進(jìn)行配合裝配，裝配時要嚴(yán)格要求軸孔的同軸心配合，不然將無法實現(xiàn)仿真運動，同時這也是對整個機(jī)構(gòu)設(shè)計與繪制的檢驗過程，因為如果尺寸設(shè)計不合理，零配件之間將會配合不上或因相互約束而被定義鎖死，這與采用物理實體樣機(jī)實踐所產(chǎn)生的結(jié)果將是基本吻合的，由此也就避免了物理實體樣機(jī)實踐造成浪費材料和時間的情況。經(jīng)裝配調(diào)整后，沖擊鉆的整體結(jié)構(gòu)在軟件平臺下表現(xiàn)十分清晰，學(xué)生在虛擬裝配過程中，可以像在真實組裝環(huán)境下，對每一個零部件的裝配要求，組裝特點都會有一個親身的體會，這樣既有助于學(xué)生理解機(jī)械加工裝配的工藝要求，同時能夠認(rèn)清零部件加工要求的本質(zhì)意義，使學(xué)生今后在實際數(shù)控加工作業(yè)中有正確的工作意識。
4.結(jié)合數(shù)控加工CAM軟件
實現(xiàn)零件的虛擬加工SolidWorks軟件還有一個最大的優(yōu)勢是其與數(shù)控加工軟件SolidCAM的無縫結(jié)合，在學(xué)生完成沖擊鉆的部件、整機(jī)的設(shè)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(jī)械虛擬加工，使學(xué)生在虛擬環(huán)境下親身體會數(shù)控加工的過程與工作原理，同時初步掌握數(shù)控加工編程的作業(yè)規(guī)程，為以后的實踐課程打下基礎(chǔ)。
如選擇沖擊鉆內(nèi)一銷孔座為例，首先用SolidWorks軟件打開銷孔座模型，激活SolidCAM模塊。然后定義零件的材料性質(zhì)，確立三維坐標(biāo)系，選擇刀口的位置，接下來定義毛坯和目標(biāo)模型(在加工過程中，剩余毛坯中的殘余量將被切除以達(dá)到最終的目標(biāo)模型)。
建立一個3D粗加工模型操縱文件，選擇刀具，并確定刀具的參數(shù)：直徑=20 mm;圓角半徑=2 mm;整體長度=100 mm;外伸長度=80 mm;切削刃長度=75 mm。選擇完刀具后，指定粗加工參數(shù)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在在每個切深層之間清理底面殘余的平緩區(qū)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，點擊Mode-模式按鈕，打開Openpocket mode-開放零件模式對話框，復(fù)選Approach open pocket from outside-從外部切入選項，該選項能夠是SolidCAM從坯料外部自動計算刀路，刀路切入點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(qū)域，則不可以從外部進(jìn)刀，需要通過螺旋進(jìn)刀插入坯料點OK-確認(rèn)按鈕進(jìn)行確認(rèn)點擊Data-數(shù)據(jù)按鈕定義輪廓參數(shù)，將顯示Contour parameters—輪廓參數(shù)對話框。把默認(rèn)方向從Climb—順銑更改為Conventional—逆銑點OK-確認(rèn)按鈕確認(rèn)Contour parameters-輪廓參數(shù)。點擊Save&Calculate—保存并計算按鈕保存該操作并計算刀路軌跡，點擊Simulation—仿真按鈕查看刀路仿真結(jié)果，點Zoom to Fit-適合屏幕大小按鈕使模型居中并點按鈕Play—開始進(jìn)行仿真。
模型的加工過程可以在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刀路。完成仿真后，還可以根據(jù)學(xué)生的掌握情況，進(jìn)一步的教授精加工的操作方法，通過對不同零部件的虛擬加工，使學(xué)生對數(shù)控加工有了一個感官的認(rèn)識，為實機(jī)操作課程打下良好的基礎(chǔ)。
5.總結(jié)
教學(xué)實踐證明，通過教授學(xué)生三維虛擬設(shè)計軟件的辦法，學(xué)生掌握機(jī)械加工基礎(chǔ)速度有了明顯提高，我們連續(xù)對三年六個學(xué)期的選擇計算機(jī)三維設(shè)計課程不同班級的學(xué)生進(jìn)行了跟蹤統(tǒng)計，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，順利完成這一課程的學(xué)生，在數(shù)控加工實踐課程環(huán)節(jié)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(chǔ)低，掌握技能慢的難題，其優(yōu)勢就在于通過感官利用計算機(jī)虛擬手段直接接觸讓學(xué)生快速對機(jī)械零部件產(chǎn)生思維意識，為實際加工操縱提供思想基礎(chǔ)，提高了學(xué)生掌握技能的速度。
也使學(xué)生同時掌握了一門新的就業(yè)技能。
實踐證明這種教學(xué)法非常符合現(xiàn)代職業(yè)教育數(shù)控加工專業(yè)的發(fā)展方向，是職業(yè)教育數(shù)控加工專業(yè)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。
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