虛擬三維技術在數控專業課程教學中的應用論文

　　【摘要】介紹現代計算機虛擬三維技術在數控專業課程教學中的應用，提出了幫助職業教育院校數控專業學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，通過范例對教法進行了講解，并對教法所產生的效果進行了探討和總結。

　　【關鍵詞】虛擬三維技術;計算機輔助設計;數控加工;機械設計

　　數控加工技術以很高的加工精度和穩定的加工質量，自動化的操作過程，生產準備周期短，適應產品快速更新換代需求等優勢，正在逐步替代傳統機床。所以，各大學，中等和高等技術學校中廣泛地開設了與數控機床加工技術有關的課程。在學習數控機床加工技術前，必須學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院校的學生，由于學制時期短，學生基礎參差不齊，如何能夠使學生快速的熟知機械設計和機械加工基礎知識成為學生能否快速掌握數控機床加工技術的必要前提。而現代計算機輔助設計技術，特別是虛擬三維仿真技術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虛擬仿真平臺下進行的機械部件總成設計為例，介紹這一教法的內容，并探討其優勢所在。

　　本文以達索公司的Solidworks軟件為主要教學平臺，教授學生繪制并虛擬組裝某型沖擊鉆為例，讓學生在繪制機械部件和部件虛擬總裝的過程中學習機械零件的構造和基本性質，以及加工的工藝要求。本課程要求學生在修完機械制圖課后開始。

　　1.實體樣機部件分解介紹

　　首先在課堂上將沖擊鉆的實體樣機展示給學生，然后將樣機部件逐一分解，向學生介紹每個部件的名稱和構造特點，讓學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初步的認識。樣機分解時，要注意部件拆卸的合理順序，并向學生說明這一重要性，使學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課時的時間通過教授繪制簡單的零部件，在學生掌握軟件的基本應用方法后，開始教授學生繪制沖擊鉆的零部件，建立沖擊鉆的模型庫。盡快地進入課程學習的角色中。

　　SolidWorks是Windows原創的三維實體設計軟件，全面支持微軟的OLE技術。眾所周知，基于Windows的設計系統的市場形成和發展與SolidWorks無不相關。當各種軟件產品開始進入這條突然擁擠的跑道時，SolidWorks憑借其特有的創新精神，堅實地鞏固了三維CAD的領先地位。又因其在關鍵技術上的突破、深層功能的開發和工程應用的不斷拓展，而成為CAD市場中的主流產品。它支持OLE 2.0的API后繼開發工具，并且已經改變了CAD/CAE/CAM領域傳統的集成方式，使不同的應用軟件能集成到同一個窗口，共享同一數據信息，以相同的方式操作，沒有文件傳輸的煩惱。“基于Windows的CAD/大慶職業學院梁文財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體建模。它具有強大的實體建模功能和直觀的用戶界面，設計與繪圖是在同一界面下同時進行的。SolidWorks中，對于結構、形狀稍為復雜的產品模型進行建模的思路是將整個產品分解為多個特征，通過特征之布爾運算逐步得到完整準確的產品模型。

　　其中，往往將整個產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，很容易為學生所掌握。

　　同時該軟件也是目前機械設計領域內采用較為廣泛的優秀設計平臺之一，使學生掌握了一項新的就業技能，對有興趣的學生可重點輔導，幫助其進一步學習，也可鼓勵其報考該軟件的技能等級證書考試，獲取相應的就業技能證書。

　　3.模型的虛擬裝配

　　在繪制完所有沖擊鉆的零部件模型后，開始教授學生在計算機虛擬環境下的總裝，SolidWorks軟件提供了十分便捷清晰地裝配手段，學生可以通過選擇正確的裝配約束來裝配沖擊鉆整體。教師應該盡量以真實的組裝過程指導學生虛擬裝配，如應首先讓學生清理零件模型庫，確定是否零部件繪制齊全，對實體樣機中所采用的標準件，可指導學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;其次指導學生對總成中的需要優先組裝的分總成建立裝配體文件，進行虛擬組裝。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，同時調整好各部分的位置和姿態，使之處于工作初始狀態。

　　SolidWorks軟件可以真實地模擬零部件間的運動接觸關系，對于要求具有活動能力的連接處，利用標準件庫內提取的連接銷軸，單獨進行配合裝配，裝配時要嚴格要求軸孔的同軸心配合，不然將無法實現仿真運動，同時這也是對整個機構設計與繪制的檢驗過程，因為如果尺寸設計不合理，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實踐所產生的結果將是基本吻合的，由此也就避免了物理實體樣機實踐造成浪費材料和時間的情況。經裝配調整后，沖擊鉆的整體結構在軟件平臺下表現十分清晰，學生在虛擬裝配過程中，可以像在真實組裝環境下，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，這樣既有助于學生理解機械加工裝配的工藝要求，同時能夠認清零部件加工要求的本質意義，使學生今后在實際數控加工作業中有正確的工作意識。

　　4.結合數控加工CAM軟件

　　實現零件的虛擬加工SolidWorks軟件還有一個最大的優勢是其與數控加工軟件SolidCAM的無縫結合，在學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，使學生在虛擬環境下親身體會數控加工的過程與工作原理，同時初步掌握數控加工編程的作業規程，為以后的實踐課程打下基礎。

　　如選擇沖擊鉆內一銷孔座為例，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，確立三維坐標系，選擇刀口的位置，接下來定義毛坯和目標模型(在加工過程中，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域然后在進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入毛坯。

　　對于封閉的區域，則不可以從外部進刀，需要通過螺旋進刀插入坯料點OK-確認按鈕進行確認點擊Data-數據按鈕定義輪廓參數，將顯示Contour parameters—輪廓參數對話框。把默認方向從Climb—順銑更改為Conventional—逆銑點OK-確認按鈕確認Contour parameters-輪廓參數。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—開始進行仿真。

　　模型的加工過程可以在SolidWorks窗口下進行仿真，這中仿真模式使學生在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，還可以根據學生的掌握情況，進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，使學生對數控加工有了一個感官的認識，為實機操作課程打下良好的基礎。

　　5.總結

　　教學實踐證明，通過教授學生三維虛擬設計軟件的辦法，學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學期的選擇計算機三維設計課程不同班級的學生進行了跟蹤統計，數據結果表明，順利完成這一課程的學生，在數控加工實踐課程環節里及格率明顯提高，解決了以往因為職業院校學生文化基礎低，掌握技能慢的難題，其優勢就在于通過感官利用計算機虛擬手段直接接觸讓學生快速對機械零部件產生思維意識，為實際加工操縱提供思想基礎，提高了學生掌握技能的速度。

　　也使學生同時掌握了一門新的就業技能。

　　實踐證明這種教學法非常符合現代職業教育數控加工專業的發展方向，是職業教育數控加工專業教學發展的必然趨勢。

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