基于加工中心的綜合創(chuàng)新課程實(shí)踐

栗茂林 加有維 李黨超 張 銘

（西安交通大學(xué) 實(shí)踐教學(xué)中心（工程坊），西安 710049）

工程實(shí)踐課程是高等學(xué)校工科專業(yè)工程教育的第一步，是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入工程殿堂的基礎(chǔ)，也是促使學(xué)生了解工程科學(xué)、探知工程奧秘的原動(dòng)力。工程實(shí)踐課程開設(shè)的目的是通過學(xué)習(xí)工藝知識，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提高工程素質(zhì)，培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力[1]，體現(xiàn)了課程的基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和制造性特點(diǎn)。各個(gè)高等院校都建立了工程訓(xùn)練中心，并引進(jìn)了各種傳統(tǒng)和先進(jìn)的加工設(shè)備開設(shè)工程實(shí)踐課程[2]，對學(xué)生理解、鞏固、深化和應(yīng)用所學(xué)理論，培養(yǎng)分析和解決問題能力，樹立工程觀念和勞動(dòng)觀點(diǎn)，具有重要作用[3]。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生，西安交通大學(xué)實(shí)踐教學(xué)中心開設(shè)多門實(shí)踐課程，分為實(shí)習(xí)類課程和開放實(shí)驗(yàn)課兩大類[4-5]。實(shí)習(xí)類課程是工程實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)必修課，面向大部分理工科類學(xué)生開設(shè)，主要是使學(xué)生了解工藝流程，制定零件加工的工藝規(guī)程，再根據(jù)工藝規(guī)程進(jìn)行加工準(zhǔn)備。開放實(shí)驗(yàn)課作為工程實(shí)訓(xùn)的綜合訓(xùn)練課，主要針對有金工實(shí)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生開展，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和制造的創(chuàng)新性思維，使其接觸和了解更先進(jìn)的制造設(shè)備和工藝。

1 基于加工中心的綜合實(shí)踐課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

加工中心是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的、適用于加工復(fù)雜零件的高效率自動(dòng)化機(jī)床，是應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一。加工中心具有自動(dòng)換刀功能。通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可以在一次裝夾中通過自動(dòng)換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實(shí)現(xiàn)多種加工功能。

基于加工中心的綜合創(chuàng)新實(shí)踐課程就是利用軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過工藝規(guī)劃、程序編制和仿真加工檢驗(yàn)，最后使用加工中心完成加工。SolidWorks是一款三維設(shè)計(jì)軟件，是現(xiàn)代3D機(jī)械設(shè)計(jì)的國際主流軟件。MasterCAM是廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車以及航空等行業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件，能夠輔助使用者完成產(chǎn)品“設(shè)計(jì)—工藝規(guī)劃—制造”全過程最核心的問題。廣州超軟仿真軟件是一款數(shù)控加工仿真軟件，實(shí)現(xiàn)程序檢查和模擬加工。一系列軟件提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和仿真加工，可為后續(xù)的實(shí)際加工提供必要的基礎(chǔ)。

課程難點(diǎn)在于創(chuàng)意產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)、加工工藝安排和程序編制，創(chuàng)新點(diǎn)是多媒體教學(xué)方式應(yīng)用、教師演示示范與學(xué)生練習(xí)相結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、作品案例的實(shí)現(xiàn)全過程展示。課程在任務(wù)開展中教學(xué)，在解決問題中學(xué)習(xí)，在完成任務(wù)中提高。

基于加工中心的綜合實(shí)踐開放課程安排了24學(xué)時(shí)，要求學(xué)生進(jìn)行平面刻劃作品設(shè)計(jì)、手動(dòng)編程和刻劃加工、三維造型作品設(shè)計(jì)、自動(dòng)刀路生成和實(shí)際機(jī)床加工。課程目的是讓學(xué)生了解加工中心的加工原理、加工對象和基本操作，掌握手動(dòng)編程和自動(dòng)編程基本方法，學(xué)會三維造型軟件SolidWorks和后處理軟件MasterCAM，最后通過自行設(shè)計(jì)平面和三維造型作品，利用加工中心完成加工。課程的具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排如表1所示。

表1 實(shí)訓(xùn)具體內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排

2 刻劃作品設(shè)計(jì)與手動(dòng)編程

2.1 手動(dòng)編程

為了讓學(xué)生盡快了解掌握G00快速定位、G01直線插補(bǔ)、G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)以及G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)等指令的含義，設(shè)計(jì)布置線條圖繪制編程和刻劃的教學(xué)任務(wù)。要求每一位同學(xué)自行繪制線條圖，確定坐標(biāo)系手動(dòng)完成程序編制，進(jìn)行模擬仿真加工和實(shí)際加工。線條圖可以在AutoCAD軟件中繪制，可使用直線、圓弧等線條繪制規(guī)則對稱圖案，也可采用描圖法描繪精美圖案輪廓，或者可在網(wǎng)格紙上繪制，如圖1所示。確定坐標(biāo)系時(shí)，對于圓形材料，一般建議XY坐標(biāo)原點(diǎn)確定在材料中心。如果是方形材料，坐標(biāo)原點(diǎn)可選在中心，也可在某個(gè)角點(diǎn)，方便后續(xù)對刀。確定好坐標(biāo)系后，編寫相應(yīng)的程序代碼。

針對圖1（a）即示例一，編寫的程序代碼為

編制程序時(shí)需注意，由于機(jī)床剛通電時(shí)數(shù)控裝置處于初始狀態(tài)，G17、G21、G90等默認(rèn)代碼被激活。開機(jī)后狀態(tài)可通過MDI方式更改，也會因程序運(yùn)行而改變。為了保證安全，建議在程序開始處一定要進(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)定的程序段，即第一行的N10 G21 G90 G17 G80 G40 G49，其中G21、G90、G17分別是設(shè)置公制尺寸、絕對坐標(biāo)和XY平面，G80、G40、G49分別是取消固定循環(huán)、半徑補(bǔ)償和長度補(bǔ)償指令。

2.2 刻劃加工

將程序在數(shù)控加工仿真系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，結(jié)果證明程序代碼和刀軌跡均正確，然后在加工中心用中心鉆刻劃加工來完成加工，如圖2所示。注意對刀點(diǎn)位置要和確定的工件坐標(biāo)系一致。

圖2 中心鉆刻劃加工

3 內(nèi)外輪廓加工

在線條圖刻劃的編程中，由于只考慮了刻劃痕跡，沒有涉及刀具半徑補(bǔ)償問題，在銑削內(nèi)外輪廓時(shí)，必須要考慮刀具半徑補(bǔ)償問題，需要掌握G41刀具半徑左補(bǔ)償、G42刀具半徑右補(bǔ)償和G40取消刀具半徑補(bǔ)償?shù)戎噶?。在?shù)控銑床或加工中心上進(jìn)行輪廓加工時(shí)，因?yàn)殂姷队幸欢ǖ陌霃?，刀具中心軌跡和工件輪廓不重合。如果不考慮刀具半徑，直接按照工件輪廓編程比較方便，但加工的零件尺寸比圖樣要求小一圈（加工外輪廓）或大一圈（加工內(nèi)輪廓）。數(shù)控裝置使刀具中心沿工件輪廓的法向偏移一個(gè)指定值的功能即刀具半徑補(bǔ)償功能。使用該功能既可以方便按照輪廓編程，也可以保證銑削的輪廓是準(zhǔn)確的。半徑補(bǔ)償功能包括G41刀具半徑左補(bǔ)償、G42刀具半徑右補(bǔ)償和G40取消刀具半徑補(bǔ)償?shù)戎噶?。G41與G42的判斷方法是迎著垂直于補(bǔ)償平面坐標(biāo)軸的正方向向刀具的移動(dòng)方向看過去：當(dāng)?shù)毒咛幵谇邢鬏喞髠?cè)時(shí)，稱為刀具半徑左補(bǔ)償，用G41表示；當(dāng)?shù)毒咴谇邢鬏喞挠覀?cè)時(shí)，稱為刀具半徑右補(bǔ)償，用G42表示。

使用刀具補(bǔ)償功能，要求學(xué)生完成內(nèi)外輪廓加工。首先手動(dòng)編程，其次在仿真軟件中檢驗(yàn)程序，最后在機(jī)床上完成實(shí)際加工。

4 三維造型設(shè)計(jì)及加工

在SolidWorks軟件中完成三維造型設(shè)計(jì)?；O(shè)計(jì)大小為直徑90 mm的圓臺，上邊可以選擇拉伸凸臺、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、掃描或放樣等特征完成造型設(shè)計(jì)。圖3為學(xué)生設(shè)計(jì)的滑稽笑臉。圖4為使用MasterCAM進(jìn)行后處理的刀路軌跡。圖5為仿真系統(tǒng)模擬加工的結(jié)果。選擇一塊直徑90 mm的尼龍圓形料裝在加工中心工作臺的平口虎鉗上，將XY零點(diǎn)對在圓塊的中間，使用G54工件坐標(biāo)系，將Z零點(diǎn)對在材料上表面，并記錄在長度補(bǔ)償中。運(yùn)行程序，加工完成滑稽笑臉，如圖6所示。另外，可以在原造型圖中加入圓角設(shè)計(jì)，且實(shí)際刀路中需要新增球頭銑刀加工圓角。

圖3 三維造型設(shè)計(jì)圖

圖4 后處理刀路圖

圖5 仿真加工結(jié)果

圖6 加工完成的滑稽笑臉

5 實(shí)訓(xùn)課程的效果

在綜合實(shí)訓(xùn)課程中，同學(xué)們發(fā)揮想象力，借鑒生活學(xué)習(xí)中各種喜歡的物品，動(dòng)手設(shè)計(jì)完成多種精彩圖案造型，有卡通米老鼠頭像、安卓機(jī)器人，還有學(xué)校特色?；?、錢學(xué)森圖書館造型等，并通過軟件后處理生成代碼，再去機(jī)床上動(dòng)手完成加工。圖7為部分學(xué)生的作品展示。

圖7 部分學(xué)生加工作品

6 結(jié)語

經(jīng)過綜合實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了加工中心的基本操作，并通過平面設(shè)計(jì)、手動(dòng)編程和刻劃加工完成精美圖案刻劃加工，通過三維造型設(shè)計(jì)、后處理和模擬實(shí)際加工完成造型加工。此外，綜合實(shí)訓(xùn)課程大大激發(fā)了學(xué)生對平面和三維設(shè)計(jì)的興趣，提升了設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)進(jìn)一步開展五軸加工和智能產(chǎn)線綜合實(shí)踐課程奠定了良好的基礎(chǔ)。