论文基于虚拟仿真技术的五轴加工实训教学模式，本文是教学模式有关本科论文范文跟虚拟仿真技术和教学模式和实训方面在职研究生论文范文.
李杰谭积明
（天津职业技术师范大学天津300222）
摘 要：随着制造业的飞速发展和装备水平的不断提升,机械制造业迫切需要大量高水平的五轴加工技术人员.结合行业需求及五轴加工的特点,提出一种基于虚拟仿真技术的五轴加工实训教学模式.
关键词：虚拟仿真技术：五轴加工：实训课程：教学模式
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727(2016)04-0073-03
作者简介：李杰（1986-）,男,硕士,天津职业技术师范大学助理实验师,研究方向为数字制造技术.
基金项目：天津市“职业技能培训包”项目——数控铣工职业培训包（项目编号：101301_WrIXM0213202[TJXBl_21）
近年来,我国加工制造业得到了空前发展,高端数控设备的使用已经成为制造业发展的必然趋势.五轴数控机床作为高端设备的代表,在我国制造业得到了广泛使用.然而,能够操作五轴数控设备的技术人员却严重短缺.培养技术人员的职业院校在五轴加工课程建设方面的不科学,是造成技术人员短缺的主要原因.当然,许多职业院校的教育工作者亦发现了此问题,并进行了相关改革和研究.但目前大多数与五轴加工教学模式相关的研究都仅适用于各学校自身,推广性和复制性不强.因此,建立一种适用于大多数职业院校的五轴加工实训教学模式具有重大意义.
一、五轴加工实训课程的特点
实训的最终目的是全面提高学生的职业素质,最终达到学生满意就业,企业满意用人.然而,五轴加工实训教学对硬件配置的要求较高,开展此类高新技术领域的实训课程一般很难模拟实际工作环境,配置昂贵的实训设备.因此,五轴加工实训课程具有设备昂贵,不易实现大范围教学；课程难度大,技术不易掌握；涉及知识面广,不易入门等特点.这使得开展五轴加工实训课程必须首先解决这些问题.
一般数字制造类实训课程由编程和操作加工两大部分组成,由于五轴机床昂贵,学校配置数量很少,因此,课程教学中与机床依赖关系较弱的“编程训练环节”可在课堂上完成,以减少对机床的需求.首先,数控编程分为手工编程和自动编程两部分,由于五轴机床轴数较多,其中自动编程CAM技术为主要训练环节,手工编程为基础训练环节,因此,手工编程与自动编程CAM技术宜分开进行训练.其次,五轴加工分“定向加工”和“联动加工”两大类,无论是哪一类加工方式,都容易产生机床的碰撞和干涉问题.因此,五轴加工程序在执行前,需要脱离机床进行仿真,以验证加工程序的正确性,避免由于程序错误造成机床碰撞,所以需要设置加工仿真环节.
二、五轴加工实训教学模式的建立
(一)虚拟仿真系统与教学模式的建立
由于五轴机床的体积大,购置、维护及运行成本都很高,且与其他数控设备相比,危险程度高,一旦不能正确操作,轻则损坏刀具、刀柄,重则损坏机床,甚至发生人身事故.虚拟仿真技术在五轴加工实训中的合理采用,在一定程度上可以解决设备数量短缺问题,并避免安全事故的发生.然而,单一仿真软件教学与实际机床操作不符,且完全依靠计算机操作,也不能有效地训练学生的操作和编程能力.因此,需要将虚拟仿真技术与五轴机床的操作加工进行合理整合,构建一套科学的实训教学模式.
五轴加工虚拟仿真系统由三部分组成,如图1所示,分别是海德汉iTNC530系统编程仿真工作站,CAD/CAM编程与加工软件及Vericut加工仿真工作站.在仿真系统中,这三个部分之间可以进行NC程序的交互验证和切削仿真训练.其中,基础教学可采用海德汉iTNC530系统编程仿真工作站完成仿真训练.高级教学由于程序和加工内容的难度较高,需要增加另外两部分内容进行仿真训练,首先,可在CAD/CAM软件内进行编程及仿真训练,然后,将编辑的程序传人Vericut加工仿真工作站进行仿真训练.其次,每一个教学环节的设置都有其目的和意义．iTNC530系统编程仿真工作站为基础环节,该环节主要完成手工程序编辑训练,当手工编程训练完成后,学生可以进行五轴机床操作及加工训练,从而完成基础教学.如果学生需要进行高级学习,则需要在虚拟仿真系统中完成CAD/CAM编程及Vericut仿真的训练,具体教学流程如图2所示.
(二)课程内容的构建
以虚拟仿真系统为基础,将虚拟仿真系统与五轴机床操作进行合理整合,可在不增加机床数量和课程开设成本的前提下,最大限度地提升学生对五轴加工技术的理解和熟练程度.以此为课程内容构建目标,可建立如图3所示的五轴加工实训课程内容.
五轴加工实训课程的内容,包括理论知识与编程、五轴加工仿真、五轴操作与加工三个部分,与教学模式流程相对应.基础教学需要进行理论知识与编程和五轴操作与加工两部分知识的学习,高级教学在此基础上进行手工编程、CAM软件、五轴加工仿真、五轴操作几个部分的学习.
(三)教学模式有效性的对比
为验证新教学模式的有效性,可开展实验性教学.实验教学设置A、B两个组,每组15名学生,A组教学按传统模式．B组教学采用新模式.实验要求A、B两组的30名学生经过基础、综合两项测试进行选拔,这两项测试主要对学生的专业基础知识及综合能力进行判定,依照测试成绩将30名学生进行分组,保证两个组学生的基础和能力基本一致.依照表1进行实验准备,表中设施为我校目前五轴加工实训教学设备的配备标准,该实验强调在不增加实训设备的前提下改善五轴教学的效果并验证新教学模式的有效性.
教学实验通过对比学生的测试成绩分析两种教学模式的区别.由于学生人数较多,分别对比离散数据难度较大,因此,通过每科平均数和每人平均数对比的方式对实验数据进行处理,以柱状图的形式得出对比结果.根据实验源数据,得到处理后的平均数,分别包括每人平均数和每科平均数两栏数值,最后,将两栏数值进行柱状比较和方差分析处理,见如图4和下页表2所示.
通过对比A、B两组学生从选拔考试开始至学习结束整个过程中所有的测试成绩可知,选拔基础考试和选拔综合考试A、B两组学生的成绩基本一致,从而说明学生开始学习课程前的基础不存在大的差异.从第一次测试开始．B组的测试成绩呈平缓上升的趋势,且每次测试平均分数均高于A组的平均分数,另外,A组的平均分数存在不规则突变,表明学生每次测试时表现很不稳定,不是一个循序渐进的学习过程,受测试难易程度影响较大.
为检验A、B两组教学效果之间的差异,采用方差齐性检验对两个班每人的平均成绩进行对比.方差齐性检验又称作F检验法,是英国统计学家Fisher提出的,主要通过比较几组数据的方差,以确定对检验对象检验的精密度是否有显著性差异,从而可得出哪一组教学效果较优.先将A、B两组的平均分数和样本标准差求出（见表2）．然后假设两组教学效果无明显差异,并进行F值检验,过程如下：
其中Ho为条件假设,dfb、dfto为自由度,k为对象个数,nA、nb、ne为对象人数,SSb、SSm为方差估计值.
根据dfb等于1,dfw等于28,查F值表,找到F(1,28)0.05等于4.2,由于F等于6.38>F(1,28)0.05等于4.2,则假设不成立,即A、B两组教学效果存在较大差异．B组教学效果优于A组教学效果.实验结果表明,基于虚拟仿真系统的五轴课程内容及教学模式更加有效.
建立基于虚拟仿真技术的实训教学仿真系统,将虚拟仿真系统应用到实训课程中,构建五轴加工实训教学模式,根据教学模式完善五轴课程内容,并对课程内容进行合理安排,最后开展教学对比实验.实验数据的分析结果表明,新教学模式在不增加五轴机床数量的前提下,有效地提高了教学效果.
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（责任编辑：王恒）
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参考文献：
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