虚拟三维技术在数控专业课程教学中的应用论文
【摘要】介绍现代计算机虚拟三维技术在数控专业课程教学中的应用，提出了帮助职业教育院校数控专业学生尽快掌握机械设计基础知识和机械加工工艺基础知识的教法，通过范例对教法进行了讲解，并对教法所产生的效果进行了探讨和总结。
【关键词】虚拟三维技术;计算机辅助设计;数控加工;机械设计
数控加工技术以很高的加工精度和稳定的加工质量，自动化的操作过程，生产准备周期短，适应产品快速更新换代需求等优势，正在逐步替代传统机床。所以，各大学，中等和高等技术学校中广泛地开设了与数控机床加工技术有关的课程。在学习数控机床加工技术前，必须学习基本机械设计和机械加工基础知识，但是对于中高等职业院校的学生，由于学制时期短，学生基础参差不齐，如何能够使学生快速的熟知机械设计和机械加工基础知识成为学生能否快速掌握数控机床加工技术的必要前提。而现代计算机辅助设计技术，特别是虚拟三维仿真技术为解决这一难题提供了有利的工具。下面就以一个在计算机虚拟仿真平台下进行的机械部件总成设计为例，介绍这一教法的内容，并探讨其优势所在。
本文以达索公司的Solidworks软件为主要教学平台，教授学生绘制并虚拟组装某型冲击钻为例，让学生在绘制机械部件和部件虚拟总装的过程中学习机械零件的构造和基本性质，以及加工的工艺要求。本课程要求学生在修完机械制图课后开始。
1.实体样机部件分解介绍
首先在课堂上将冲击钻的实体样机展示给学生，然后将样机部件逐一分解，向学生介绍每个部件的名称和构造特点，让学生初步了解机械零件的基本特征和装配特性，在大脑中对机加工零部件有一个初步的认识。样机分解时，要注意部件拆卸的合理顺序，并向学生说明这一重要性，使学生形成正确的机械装配意识。
2.讲授三维设计软件的应用，
建立模型库初始阶段可利用5-10课时的时间通过教授绘制简单的零部件，在学生掌握软件的基本应用方法后，开始教授学生绘制冲击钻的零部件，建立冲击钻的模型库。尽快地进入课程学习的角色中。
SolidWorks是Windows原创的三维实体设计软件，全面支持微软的OLE技术。众所周知，基于Windows的设计系统的市场形成和发展与SolidWorks无不相关。当各种软件产品开始进入这条突然拥挤的跑道时，SolidWorks凭借其特有的创新精神，坚实地巩固了三维CAD的领先地位。又因其在关键技术上的突破、深层功能的开发和工程应用的不断拓展，而成为CAD市场中的主流产品。它支持OLE 2.0的API后继开发工具，并且已经改变了CAD/CAE/CAM领域传统的集成方式，使不同的应用软件能集成到同一个窗口，共享同一数据信息，以相同的方式操作，没有文件传输的烦恼。“基于Windows的CAD/大庆职业学院梁文财CAE/CAM/PDM桌面集成系统”贯穿于设计在SolidWorks的特征管理器中清晰地列出了详细的数据信息。
SolidWorks采用基于特征的参数化实体建模。它具有强大的实体建模功能和直观的用户界面，设计与绘图是在同一界面下同时进行的。SolidWorks中，对于结构、形状稍为复杂的产品模型进行建模的思路是将整个产品分解为多个特征，通过特征之布尔运算逐步得到完整准确的产品模型。
其中，往往将整个产品中最主要或是最大的部分视为基本视图(或称为基体)，首先完成对基体的造型。其它部分作为添加特征，以搭积木的方式，在基本特征的基础上，通过添加、去除和求交的.布尔运算最终得到整个模型。然后再进行一些细小特征的添加，如倒角、倒圆和孔特征等，最后得到准确完整的产品模型。这种基于参数化特征绘制方法的设计软件，部件绘制直观，很容易为学生所掌握。
同时该软件也是目前机械设计领域内采用较为广泛的优秀设计平台之一，使学生掌握了一项新的就业技能，对有兴趣的学生可重点辅导，帮助其进一步学习，也可鼓励其报考该软件的技能等级证书考试，获取相应的就业技能证书。
3.模型的虚拟装配
在绘制完所有冲击钻的零部件模型后，开始教授学生在计算机虚拟环境下的总装，SolidWorks软件提供了十分便捷清晰地装配手段，学生可以通过选择正确的装配约束来装配冲击钻整体。教师应该尽量以真实的组装过程指导学生虚拟装配，如应首先让学生清理零件模型库，确定是否零部件绘制齐全，对实体样机中所采用的标准件，可指导学生利用软件提供的标准件库直接提取相应的标准件，补充到模型库内;其次指导学生对总成中的需要优先组装的分总成建立装配体文件，进行虚拟组装。在完成各部分主要装配体的装配后，在软件平台中建立一个单独的装配体文件，以冲击钻操纵手柄装配体为主体先行插入固定不动，然后依次插入冲击钻主体架、冲击钻传动件装配体和冲击钻动力件装配体，同时调整好各部分的位置和姿态，使之处于工作初始状态。
SolidWorks软件可以真实地模拟零部件间的运动接触关系，对于要求具有活动能力的连接处，利用标准件库内提取的连接销轴，单独进行配合装配，装配时要严格要求轴孔的同轴心配合，不然将无法实现仿真运动，同时这也是对整个机构设计与绘制的检验过程，因为如果尺寸设计不合理，零配件之间将会配合不上或因相互约束而被定义锁死，这与采用物理实体样机实践所产生的结果将是基本吻合的，由此也就避免了物理实体样机实践造成浪费材料和时间的情况。经装配调整后，冲击钻的整体结构在软件平台下表现十分清晰，学生在虚拟装配过程中，可以像在真实组装环境下，对每一个零部件的装配要求，组装特点都会有一个亲身的体会，这样既有助于学生理解机械加工装配的工艺要求，同时能够认清零部件加工要求的本质意义，使学生今后在实际数控加工作业中有正确的工作意识。
4.结合数控加工CAM软件
实现零件的虚拟加工SolidWorks软件还有一个最大的优势是其与数控加工软件SolidCAM的无缝结合，在学生完成冲击钻的部件、整机的设计和绘制后，可选择部分有代表的部件，激活SolidWorks软件中SolidCAM模块，在软件平台下机械虚拟加工，使学生在虚拟环境下亲身体会数控加工的过程与工作原理，同时初步掌握数控加工编程的作业规程，为以后的实践课程打下基础。
如选择冲击钻内一销孔座为例，首先用SolidWorks软件打开销孔座模型，激活SolidCAM模块。然后定义零件的材料性质，确立三维坐标系，选择刀口的位置，接下来定义毛坯和目标模型(在加工过程中，剩余毛坯中的残余量将被切除以达到最终的目标模型)。
建立一个3D粗加工模型操纵文件，选择刀具，并确定刀具的参数：直径=20 mm;圆角半径=2 mm;整体长度=100 mm;外伸长度=80 mm;切削刃长度=75 mm。选择完刀具后，指定粗加工参数在Rough-粗加工选项中选择轮廓加工策略，输入Overlap-重叠为0.5，Stepdown-切深为5mm，Surface offset.-曲面偏移为1。
在清理底面选项中选择粗加工中清除平面选项用来在在每个切深层之间清理底面残余的平缓区域然后在进行下一层切深的加工。在Z-Entry—Z切入选项中选择Helical-螺旋切入，Radius-螺旋半径为5，点击Mode-模式按钮，打开Openpocket mode-开放零件模式对话框，复选Approach open pocket from outside-从外部切入选项，该选项能够是SolidCAM从坯料外部自动计算刀路，刀路切入点从原料外部切入到一定深度然后再进入毛坯。
对于封闭的区域，则不可以从外部进刀，需要通过螺旋进刀插入坯料点OK-确认按钮进行确认点击Data-数据按钮定义轮廓参数，将显示Contour parameters—轮廓参数对话框。把默认方向从Climb—顺铣更改为Conventional—逆铣点OK-确认按钮确认Contour parameters-轮廓参数。点击Save&Calculate—保存并计算按钮保存该操作并计算刀路轨迹，点击Simulation—仿真按钮查看刀路仿真结果，点Zoom to Fit-适合屏幕大小按钮使模型居中并点按钮Play—开始进行仿真。
模型的加工过程可以在SolidWorks窗口下进行仿真，这中仿真模式使学生在SolidWorks窗口下直接查看刀路轨迹，由于所有的SolidWorks视图选项都可以在仿真中激活，学生就可以从不同的方向和视图比例查看模型中的特点刀路。完成仿真后，还可以根据学生的掌握情况，进一步的教授精加工的操作方法，通过对不同零部件的虚拟加工，使学生对数控加工有了一个感官的认识，为实机操作课程打下良好的基础。
5.总结
教学实践证明，通过教授学生三维虚拟设计软件的办法，学生掌握机械加工基础速度有了明显提高，我们连续对三年六个学期的选择计算机三维设计课程不同班级的学生进行了跟踪统计，数据结果表明，顺利完成这一课程的学生，在数控加工实践课程环节里及格率明显提高，解决了以往因为职业院校学生文化基础低，掌握技能慢的难题，其优势就在于通过感官利用计算机虚拟手段直接接触让学生快速对机械零部件产生思维意识，为实际加工操纵提供思想基础，提高了学生掌握技能的速度。
也使学生同时掌握了一门新的就业技能。
实践证明这种教学法非常符合现代职业教育数控加工专业的发展方向，是职业教育数控加工专业教学发展的必然趋势。
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