AutoCAD 在數(shù)控工程訓(xùn)練中的實(shí)踐應(yīng)用*

加有維，栗茂林，張育林，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）

0 引言

金工實(shí)習(xí)是高等教育中工程實(shí)踐訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，在提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，建立基本工程意識方面有著重要的地位，是高校新工科建設(shè)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)［1］。面對“新工科”［2］、卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃2.0［3］以及工程教育專業(yè)認(rèn)證［4］的工程訓(xùn)練改革需求，實(shí)踐教學(xué)中心（工程坊）作為我校學(xué)生在校內(nèi)集中進(jìn)行工程綜合能力提升的實(shí)踐教學(xué)部門，提出構(gòu)建面向新工科的金工實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)新體系［5］。金工實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)新體系主要包括“繼承傳統(tǒng)”的普車、普銑、鉗工、裝配、焊接和鑄造等傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)踐模塊、“緊跟時(shí)代”的數(shù)控車床、加工中心、電火花線切割、激光切割、機(jī)器人焊接、三維復(fù)雜形貌測量等數(shù)控實(shí)踐模塊，以及“面向未來”的3D 打印、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、虛擬現(xiàn)實(shí)等智能實(shí)踐模塊。

在緊跟時(shí)代的數(shù)控實(shí)踐模塊中，主要是讓學(xué)生了解各類數(shù)控機(jī)床的加工原理，設(shè)計(jì)并動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐加工。其中，數(shù)控車床主要學(xué)習(xí)基本數(shù)控編程，設(shè)計(jì)典型回轉(zhuǎn)體零件并通過手工編程，在數(shù)控車床上實(shí)現(xiàn)加工。線切割機(jī)床加工和激光切割加工，均要求學(xué)生運(yùn)用AutoCAD設(shè)計(jì)精美圖案，并完成切割加工。加工中心的實(shí)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用AutoCAD 設(shè)計(jì)刻畫痕跡圖樣，進(jìn)一步利用SolidWorks等軟件完成零件三維造型設(shè)計(jì)，再用后處理軟件生成程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)加工。

AutoCAD是一款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在機(jī)械加工、土木建筑、裝潢裝飾、電子化工等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用［6-7］。SolidWorks是一款基于實(shí)體建模技術(shù)的三維造型設(shè)計(jì)軟件，以易學(xué)易用、功能強(qiáng)大為全球越來越多的企業(yè)所采用，兩個(gè)軟件在機(jī)械制造領(lǐng)域，二維圖形設(shè)計(jì)及三維實(shí)體建模上都有著優(yōu)異的能力［8-10］。

由于金工實(shí)習(xí)實(shí)踐內(nèi)容較多，給數(shù)控實(shí)習(xí)安排的時(shí)間較短，來參加實(shí)習(xí)的都是低年級學(xué)生，沒有實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)容易使課程開展較慢且無法達(dá)到預(yù)期的實(shí)習(xí)效果。參與實(shí)踐教學(xué)的多位老師長期從事電火花線切割、激光切割、數(shù)控車床、加工中心等數(shù)控機(jī)床的實(shí)踐教學(xué)工作，積累了豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對低年級沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐基礎(chǔ)的學(xué)生，總結(jié)運(yùn)用AutoCAD較快、較好地設(shè)計(jì)出在線切割和激光切割機(jī)床中加工的零件圖，以及設(shè)計(jì)完成加工中心機(jī)床中三維造型圖中的草圖，大大提升了設(shè)計(jì)效率，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，取得了很好的教學(xué)效果。

1 AutoCAD在電火花線切割實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

電火花線切割加工［11］（Wire Electrical Discharge Machining，WEDM），是在電火花加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝形式，其基本原理是用線狀電極靠火花放電對工件進(jìn)行切割，利用移動(dòng)的細(xì)金屬導(dǎo)線（銅絲或鉬絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電、切割成形，故稱電火花線切割，簡稱線切割［12］。電火花線切割主要應(yīng)用于模具加工、成形電極加工以及單件小量零件加工，國內(nèi)外線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床的60%以上。

電火花線切割加工實(shí)踐，通過教師講解指導(dǎo)和學(xué)生自主設(shè)計(jì)加工圖案，了解電火花加工原理、掌握加工操作過程，并學(xué)會(huì)基本加工設(shè)計(jì)，獲取自主設(shè)計(jì)加工紀(jì)念品一枚。其中圖形設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成從檢索圖片——二維矢量圖——后處理軌跡——生成加工程序（G 代碼）——實(shí)物加工全過程。

為確保學(xué)生設(shè)計(jì)及加工圖形的完整，并可以將作品作為工程實(shí)踐紀(jì)念品保存，提供不銹鋼板作為加工材料，在線切割加工設(shè)計(jì)中要求學(xué)生設(shè)計(jì)的二維矢量圖既要滿足美觀，又要符合單一封閉輪廓等要求，即要求是一筆畫成的封閉輪廓圖，且加工起終點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際加工情況設(shè)置在任意位置。

具體的設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）檢索圖片。上網(wǎng)搜索圖案外輪廓較清楚的圖片，可直接復(fù)制圖片，也可將圖片保存到計(jì)算機(jī)文件中，再復(fù)制圖片。保存為圖片時(shí)，建議將圖片名稱修改為簡短的數(shù)字或字母。

（2）復(fù)制粘貼圖片。打開軟件AutoCAD，在“編輯”下拉菜單中選擇“選擇性粘貼”，以“位圖”形式將圖片粘貼在AutoCAD畫圖區(qū)域，如圖1 所示，復(fù)制粘貼海豚圖片。圖片粘貼的位置可由鼠標(biāo)直接在AutoCAD 畫圖區(qū)域單擊確定。

圖1 復(fù)制粘貼至AutoCAD的圖片

（3）編輯圖片及描圖。①尺寸測量——選擇“工具”下拉菜單“查詢”中的“測量”，對圖片大小進(jìn)行測量，一般只需測量X 或Y 軸中最大尺寸即可。②尺寸調(diào)整——選擇“修改”下拉菜單中的“縮放”功能，對圖片進(jìn)行尺寸縮放。根據(jù)中心機(jī)床臺(tái)套數(shù)、學(xué)生人數(shù)及加工時(shí)長情況，要求學(xué)生設(shè)計(jì)的圖形限定為30 mm×30 mm，圖形較復(fù)雜的允許適當(dāng)大一些，但最大不要超過40 mm，確保所有學(xué)生在實(shí)踐操作時(shí)間內(nèi)都能完成加工。③描圖——用繪圖下拉菜單中“直線”、“圓弧”等功能對縮放后的圖片輪廓進(jìn)行描繪，受到圖文件大小的限制，不建議使用樣條曲線或多段線等功能描圖。另外，為保證描繪圖形為封閉輪廓，建議描圖前打開“對象捕捉”功能，避免出現(xiàn)斷點(diǎn)。針對多個(gè)封閉的輪廓，建議采用線段進(jìn)行連接，并使用“修改”菜單中“修剪”功能將其串連，如海豚的外輪廓和眼睛原本是兩個(gè)輪廓，進(jìn)行了串連修改。④刪除原圖片并修改線條圖——描圖結(jié)束后，選中原圖點(diǎn)擊“Delete”按鍵將圖片刪除，留下描繪的線條輪廓，并進(jìn)行適當(dāng)修改。

（4）創(chuàng)意設(shè)計(jì)。學(xué)生可利用“繪圖”、“修改”等功能在圖形中加入自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，仍需滿足一筆畫成的封閉輪廓圖的要求，如圖2 所示，增加了“海豚戲球”的設(shè)計(jì)。也可以在線切割加工的作品上，利用鉗工實(shí)習(xí)時(shí)的鉆床在合適的位置打孔，當(dāng)作鑰匙扣使用，既易保存且有著很好的紀(jì)念意義。

圖2 最終設(shè)計(jì)

（5）后處理及加工。由于線切割機(jī)床識別的圖文件為DXF文件，將設(shè)計(jì)好的圖保存為“XX. DXF”格式。為了好區(qū)分，建議學(xué)生選擇學(xué)號后3 位或名字的拼音縮寫作為文件名稱進(jìn)行保存。在線切割機(jī)床中，導(dǎo)入圖文件，利用機(jī)床自帶后處理軟件可生成綠色的加工軌跡，如果有尺寸及公差要求，可以根據(jù)需求設(shè)置加工軌跡偏移實(shí)際輪廓線一定的量。另外，需要根據(jù)加工材料在工作臺(tái)上固定的位置和鉬絲的位置，確定鉬絲的切入點(diǎn)和終點(diǎn)，切入點(diǎn)和終點(diǎn)可相同也可不同。如圖3 所示，從海豚下邊的鰭切入、切出，此切入和終點(diǎn)為同一點(diǎn)。最后，通過設(shè)置線切割機(jī)床中的脈沖電壓、脈沖電流、絲速等加工參數(shù)，運(yùn)行程序，大約需要12 min 完成加工。圖4 所示為使用不銹鋼板線切割加工完成的海豚圖案。

圖3 生成加工軌跡

圖4 線切割加工作品

通過AutoCAD軟件幫助學(xué)生快速設(shè)計(jì)線切割加工圖案，完成線切割加工自主設(shè)計(jì)及加工，快速體驗(yàn)線切割加工的樂趣。同樣的方法，也可以設(shè)計(jì)激光切割加工的圖案，體驗(yàn)激光切割加工的樂趣。

2 AutoCAD在激光切割實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

激光切割機(jī)將激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束，照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，隨著光束與工件相對位置的移動(dòng)，最終使材料形成切縫，達(dá)到切割和雕刻的目的［13］。激光切割加工是用不可見的光束代替了傳統(tǒng)的機(jī)械刀，具有精度高，切割快速，切口平滑，加工成本低等特點(diǎn)，將逐漸改進(jìn)或取代于傳統(tǒng)的金屬切割工藝設(shè)備。

學(xué)生在激光切割機(jī)床的實(shí)踐學(xué)習(xí)中，通過教師講解指導(dǎo)，了解激光切割的加工原理、掌握加工操作流程，學(xué)習(xí)自帶軟件對圖形的處理，包括位置擺放、加工順序等操作［14］。完成從檢索圖片——二維矢量圖——?jiǎng)?chuàng)意設(shè)計(jì)——實(shí)物加工整個(gè)過程，獲取自主設(shè)計(jì)加工紀(jì)念品一枚，提供加工材料為有機(jī)玻璃。

在激光切割中自主設(shè)計(jì)加工圖案，步驟同線切割。與線切割不同的是，對圖形設(shè)計(jì)要求更加靈活，并不要求單一封閉輪廓，保證外圍單一封閉輪廓的基礎(chǔ)上，中間可以多個(gè)輪廓線，且可以是更加復(fù)雜精美的圖案。另外，根據(jù)激光切割加工的設(shè)置，可以通過不同顏色線條設(shè)計(jì)區(qū)分不同的圖層，從而控制不同的激光切割參數(shù)，實(shí)現(xiàn)切割和掃描的不同效果。如圖5 所示激光切割作品，中間獵狗圖案線條復(fù)雜，采用掃描加工效果，外圍圓形輪廓切透，從大板材料上實(shí)現(xiàn)分割。

圖5 激光切割作品

3 AutoCAD在加工中心實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

加工中心作為較普及的機(jī)械加工設(shè)備，實(shí)踐教學(xué)過程從了解加工中心的基本結(jié)構(gòu)、加工特點(diǎn)和加工對象開始，逐步掌握加工中心的基本操作、對刀操作，掌握仿真軟件的使用、加工中心程序的編制、導(dǎo)入和調(diào)試運(yùn)行，并自主設(shè)計(jì)完成簡單零件設(shè)計(jì)、程序編制、仿真軟件調(diào)試以及實(shí)際加工［15］。要求學(xué)生完成兩項(xiàng)認(rèn)務(wù)：①掌握基本操作和手工編程：采用AutoCAD 設(shè)計(jì)刻畫圖案，進(jìn)行手動(dòng)編程設(shè)計(jì)及刻畫加工；②掌握計(jì)算機(jī)編程方法：通過SolidWorks 設(shè)計(jì)形狀，并采用MasterCAM 插件進(jìn)行人機(jī)交互，自動(dòng)生成程序代碼并進(jìn)行校驗(yàn)，最后將自動(dòng)生成的代碼導(dǎo)入加工中心完成加工，對于程序量較大的，可采用在線方式完成加工［16］。

刻畫圖案與線切割圖案設(shè)計(jì)一樣，此處不再闡述，計(jì)算機(jī)三維造型設(shè)計(jì)及編程的過程：從檢索圖——二維矢量圖作為三維模型的草圖——三維實(shí)體圖——后處理軌跡——生成加工程序（G 代碼）——實(shí)物加工。其中，從檢索圖——二維草圖設(shè)計(jì)可用AutoCAD 實(shí)現(xiàn)，后續(xù)三維實(shí)體的設(shè)計(jì)運(yùn)用SolidWorks 軟件來實(shí)現(xiàn)，后處理及生成G代碼程序用的是MasterCAM，具體步驟如下。

（1）AutoCAD中進(jìn)行二維草圖設(shè)計(jì)。重復(fù)線切割設(shè)計(jì)步驟中（1）～（4），將設(shè)計(jì)好的草圖保存為默認(rèn)格式“XX.DWG”。需要特別注意的是：草圖設(shè)計(jì)完成，一定要將草圖中心移至AutoCAD 坐標(biāo)原點(diǎn)上，即為后續(xù)設(shè)計(jì)建立坐標(biāo)原點(diǎn)；同時(shí)描繪圖時(shí)要考慮后續(xù)加工時(shí)的刀具大小，即切削凹形處的圓角大于等于銑刀半徑；可以設(shè)計(jì)多個(gè)封閉輪廓，如圖6 所示。

圖6 AutoCAD描繪的輪廓圖

（2）SolidWorks 中打開CAD 草圖。打開SolidWorks軟件，在“文件”下拉菜單中選擇打開文件，將對話框中的打開類型選為“所有文件”，選擇AutoCAD 中設(shè)計(jì)完成的二維草圖“XX.DWG”，確認(rèn)后使用一個(gè)空模板，在彈出的圖7 所示的“選擇打開此DXF／DWG 文件的方式”對話框中選擇輸入到新零件為“2D 草圖”，確認(rèn)后即完成將AutoCAD二維草圖文件在SolidWorks 作為草圖并打開。

圖7 DXF／DWG文件打開方法設(shè)置對話框

（3）SolidWorks 中應(yīng)用特征建模。采用“特征”中的拉伸、旋轉(zhuǎn)切除等功能，對AutoCAD 設(shè)計(jì)的不同封閉的草圖輪廓分別進(jìn)行處理。另外，可以加入毛坯設(shè)置，也可加入學(xué)生的設(shè)計(jì)和想法，完善和美化三維造型。設(shè)計(jì)完成的太陽花笑臉如圖8 所示，在太陽光芒設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加了眼睛和嘴巴的設(shè)計(jì)。

圖8 利用特征建模完成三維造型設(shè)計(jì)

（4）MasterCAM后處理生成加工代碼。在三維實(shí)體圖的基礎(chǔ)上用后處理軟件MasterCAM 生成加工軌跡，如圖9 所示。

圖9 用MasterCAM生成加工軌跡

（5）實(shí)際加工。將后處理程序?qū)爰庸ぶ行倪M(jìn)行加工，采用尼龍塊作為毛坯料，加工完成的作品如圖10所示。

圖10 加工中心作品

在加工中心實(shí)踐訓(xùn)練中，學(xué)生利用前面線切割或激光切割實(shí)踐中學(xué)習(xí)的AutoCAD 設(shè)計(jì)二維圖形，并將其作為草圖導(dǎo)入SolidWorks 中，進(jìn)一步進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，解決了前期直接進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)的困難，讓初學(xué)者快速完成基本造型設(shè)計(jì)，進(jìn)一步開展后處理程序生成和實(shí)際加工，這樣既學(xué)習(xí)了加工中心實(shí)踐操作，簡化了學(xué)生的設(shè)計(jì)流程，增加了學(xué)習(xí)的樂趣。尤其是復(fù)雜輪廓的設(shè)計(jì)，在CAD草圖基礎(chǔ)上再去增加其他特征，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

4 結(jié)束語

在數(shù)控實(shí)踐實(shí)習(xí)中，針對缺少實(shí)踐經(jīng)歷和圖形設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的低年級學(xué)生，充分利用AutoCAD 在處理二維矢量圖的強(qiáng)大優(yōu)勢，獲得了很好的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。在線切割和激光切割實(shí)踐實(shí)習(xí)中，從圖片檢索到運(yùn)用AutoCAD 軟件描繪輪廓，再到加入自己的創(chuàng)作和想法，獲得屬于自己的設(shè)計(jì)圖，最后經(jīng)過后理軟件生成加工軌跡及程序，完成作品加工。在加工中心實(shí)踐實(shí)習(xí)中，利用AutoCAD 描繪輪廓，加入自己的設(shè)計(jì)完成草圖，再用SolidWorks 特征功能，獲得三維造型圖，最后經(jīng)過后處理生成程序代碼，完成作品加工。經(jīng)過多批次學(xué)生的實(shí)踐實(shí)習(xí)，證明該方法有效、可行，能使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)，提高實(shí)踐實(shí)習(xí)的參與感，獲得很強(qiáng)的成就感，增加了學(xué)生對于金工實(shí)習(xí)的興趣，獲得了很好的實(shí)踐效果。