栗茂林 加有維 李黨超 張 銘

（西安交通大學 實踐教學中心（工程坊），西安 710049）

工程實踐課程是高等學校工科專業(yè)工程教育的第一步，是引導學生進入工程殿堂的基礎，也是促使學生了解工程科學、探知工程奧秘的原動力。工程實踐課程開設的目的是通過學習工藝知識，培養(yǎng)學生的工程意識，增強學生的工程實踐能力，提高工程素質(zhì)，培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力[1]，體現(xiàn)了課程的基礎性、實踐性和制造性特點。各個高等院校都建立了工程訓練中心，并引進了各種傳統(tǒng)和先進的加工設備開設工程實踐課程[2]，對學生理解、鞏固、深化和應用所學理論，培養(yǎng)分析和解決問題能力，樹立工程觀念和勞動觀點，具有重要作用[3]。

為了更好地培養(yǎng)學生，西安交通大學實踐教學中心開設多門實踐課程，分為實習類課程和開放實驗課兩大類[4-5]。實習類課程是工程實訓的基礎必修課，面向大部分理工科類學生開設，主要是使學生了解工藝流程，制定零件加工的工藝規(guī)程，再根據(jù)工藝規(guī)程進行加工準備。開放實驗課作為工程實訓的綜合訓練課，主要針對有金工實習基礎的學生開展，重點在于培養(yǎng)學生綜合設計和制造的創(chuàng)新性思維，使其接觸和了解更先進的制造設備和工藝。

1 基于加工中心的綜合實踐課程內(nèi)容設計

加工中心是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的、適用于加工復雜零件的高效率自動化機床，是應用最廣泛的數(shù)控機床之一。加工中心具有自動換刀功能。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換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現(xiàn)多種加工功能。

基于加工中心的綜合創(chuàng)新實踐課程就是利用軟件實現(xiàn)產(chǎn)品設計，通過工藝規(guī)劃、程序編制和仿真加工檢驗，最后使用加工中心完成加工。SolidWorks是一款三維設計軟件，是現(xiàn)代3D機械設計的國際主流軟件。MasterCAM是廣泛應用于機械、汽車以及航空等行業(yè)的計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件，能夠輔助使用者完成產(chǎn)品“設計—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，實現(xiàn)程序檢查和模擬加工。一系列軟件提供了產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃和仿真加工，可為后續(xù)的實際加工提供必要的基礎。

課程難點在于創(chuàng)意產(chǎn)品的造型設計、加工工藝安排和程序編制，創(chuàng)新點是多媒體教學方式應用、教師演示示范與學生練習相結(jié)合、虛實結(jié)合、作品案例的實現(xiàn)全過程展示。課程在任務開展中教學，在解決問題中學習，在完成任務中提高。

基于加工中心的綜合實踐開放課程安排了24學時，要求學生進行平面刻劃作品設計、手動編程和刻劃加工、三維造型作品設計、自動刀路生成和實際機床加工。課程目的是讓學生了解加工中心的加工原理、加工對象和基本操作，掌握手動編程和自動編程基本方法，學會三維造型軟件SolidWorks和后處理軟件MasterCAM，最后通過自行設計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)容和學時安排如表1所示。

表1 實訓具體內(nèi)容和學時安排

2 刻劃作品設計與手動編程

2.1 手動編程

為了讓學生盡快了解掌握G00快速定位、G01直線插補、G02順時針圓弧插補以及G03逆時針圓弧插補等指令的含義，設計布置線條圖繪制編程和刻劃的教學任務。要求每一位同學自行繪制線條圖，確定坐標系手動完成程序編制，進行模擬仿真加工和實際加工。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。確定坐標系時，對于圓形材料，一般建議XY坐標原點確定在材料中心。如果是方形材料，坐標原點可選在中心，也可在某個角點，方便后續(xù)對刀。確定好坐標系后，編寫相應的程序代碼。

針對圖1（a）即示例一，編寫的程序代碼為

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

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。注意對刀點位置要和確定的工件坐標系一致。

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償問題，在銑削內(nèi)外輪廓時，必須要考慮刀具半徑補償問題，需要掌握G41刀具半徑左補償、G42刀具半徑右補償和G40取消刀具半徑補償?shù)戎噶?。在?shù)控銑床或加工中心上進行輪廓加工時，因為銑刀有一定的半徑，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指定值的功能即刀具半徑補償功能。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確的。半徑補償功能包括G41刀具半徑左補償、G42刀具半徑右補償和G40取消刀具半徑補償?shù)戎噶?。G41與G42的判斷方法是迎著垂直于補償平面坐標軸的正方向向刀具的移動方向看過去：當?shù)毒咛幵谇邢鬏喞髠?cè)時，稱為刀具半徑左補償，用G41表示；當?shù)毒咴谇邢鬏喞挠覀?cè)時，稱為刀具半徑右補償，用G42表示。

使用刀具補償功能，要求學生完成內(nèi)外輪廓加工。首先手動編程，其次在仿真軟件中檢驗程序，最后在機床上完成實際加工。

4 三維造型設計及加工

在SolidWorks軟件中完成三維造型設計?；O計大小為直徑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計。圖3為學生設計的滑稽笑臉。圖4為使用MasterCAM進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零點對在圓塊的中間，使用G54工件坐標系，將Z零點對在材料上表面，并記錄在長度補償中。運行程序，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計，且實際刀路中需要新增球頭銑刀加工圓角。

圖3 三維造型設計圖

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 實訓課程的效果

在綜合實訓課程中，同學們發(fā)揮想象力，借鑒生活學習中各種喜歡的物品，動手設計完成多種精彩圖案造型，有卡通米老鼠頭像、安卓機器人，還有學校特色?；铡㈠X學森圖書館造型等，并通過軟件后處理生成代碼，再去機床上動手完成加工。圖7為部分學生的作品展示。

圖7 部分學生加工作品

6 結(jié)語

經(jīng)過綜合實訓課程的學習，學生了解了加工中心的基本操作，并通過平面設計、手動編程和刻劃加工完成精美圖案刻劃加工，通過三維造型設計、后處理和模擬實際加工完成造型加工。此外，綜合實訓課程大大激發(fā)了學生對平面和三維設計的興趣，提升了設計能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)進一步開展五軸加工和智能產(chǎn)線綜合實踐課程奠定了良好的基礎。