AutoCAD 在數控工程訓練中的實踐應用*

加有維，栗茂林，張育林，李黨超，張 銘

（西安交通大學實踐教學中心（工程坊），西安 710049）

0 引言

金工實習是高等教育中工程實踐訓練的重要基礎環節，在提高學生實踐動手能力和創新創業能力，建立基本工程意識方面有著重要的地位，是高校新工科建設中不可缺少的一個環節［1］。面對“新工科”［2］、卓越人才培養計劃2.0［3］以及工程教育專業認證［4］的工程訓練改革需求，實踐教學中心（工程坊）作為我校學生在校內集中進行工程綜合能力提升的實踐教學部門，提出構建面向新工科的金工實習實踐教學新體系［5］。金工實習實踐教學新體系主要包括“繼承傳統”的普車、普銑、鉗工、裝配、焊接和鑄造等傳統基礎實踐模塊、“緊跟時代”的數控車床、加工中心、電火花線切割、激光切割、機器人焊接、三維復雜形貌測量等數控實踐模塊，以及“面向未來”的3D 打印、機器人、物聯網、智能制造、虛擬現實等智能實踐模塊。

在緊跟時代的數控實踐模塊中，主要是讓學生了解各類數控機床的加工原理，設計并動手進行實踐加工。其中，數控車床主要學習基本數控編程，設計典型回轉體零件并通過手工編程，在數控車床上實現加工。線切割機床加工和激光切割加工，均要求學生運用AutoCAD設計精美圖案，并完成切割加工。加工中心的實習要求學生運用AutoCAD 設計刻畫痕跡圖樣，進一步利用SolidWorks等軟件完成零件三維造型設計，再用后處理軟件生成程序實現自動加工。

AutoCAD是一款計算機輔助設計軟件，在機械加工、土木建筑、裝潢裝飾、電子化工等行業均有廣泛的應用［6-7］。SolidWorks是一款基于實體建模技術的三維造型設計軟件，以易學易用、功能強大為全球越來越多的企業所采用，兩個軟件在機械制造領域，二維圖形設計及三維實體建模上都有著優異的能力［8-10］。

由于金工實習實踐內容較多，給數控實習安排的時間較短，來參加實習的都是低年級學生，沒有實踐設計經驗，自主設計環節容易使課程開展較慢且無法達到預期的實習效果。參與實踐教學的多位老師長期從事電火花線切割、激光切割、數控車床、加工中心等數控機床的實踐教學工作，積累了豐富的實踐教學經驗，針對低年級沒有設計經驗和實踐基礎的學生，總結運用AutoCAD較快、較好地設計出在線切割和激光切割機床中加工的零件圖，以及設計完成加工中心機床中三維造型圖中的草圖，大大提升了設計效率，提高了學生學習的熱情，取得了很好的教學效果。

1 AutoCAD在電火花線切割實踐教學中的應用

電火花線切割加工［11］（Wire Electrical Discharge Machining，WEDM），是在電火花加工基礎上發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行切割，利用移動的細金屬導線（銅絲或鉬絲）作電極，對工件進行脈沖火花放電、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用于模具加工、成形電極加工以及單件小量零件加工，國內外線切割機床已占電加工機床的60%以上。

電火花線切割加工實踐，通過教師講解指導和學生自主設計加工圖案，了解電火花加工原理、掌握加工操作過程，并學會基本加工設計，獲取自主設計加工紀念品一枚。其中圖形設計要求學生完成從檢索圖片——二維矢量圖——后處理軌跡——生成加工程序（G 代碼）——實物加工全過程。

為確保學生設計及加工圖形的完整，并可以將作品作為工程實踐紀念品保存，提供不銹鋼板作為加工材料，在線切割加工設計中要求學生設計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，且加工起終點可根據實際加工情況設置在任意位置。

具體的設計步驟如下。

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

（2）復制粘貼圖片。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畫圖區域，如圖1 所示，復制粘貼海豚圖片。圖片粘貼的位置可由鼠標直接在AutoCAD 畫圖區域單擊確定。

圖1 復制粘貼至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”，對圖片大小進行測量，一般只需測量X 或Y 軸中最大尺寸即可。②尺寸調整——選擇“修改”下拉菜單中的“縮放”功能，對圖片進行尺寸縮放。根據中心機床臺套數、學生人數及加工時長情況，要求學生設計的圖形限定為30 mm×30 mm，圖形較復雜的允許適當大一些，但最大不要超過40 mm，確保所有學生在實踐操作時間內都能完成加工。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，避免出現斷點。針對多個封閉的輪廓，建議采用線段進行連接，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輪廓，進行了串連修改。④刪除原圖片并修改線條圖——描圖結束后，選中原圖點擊“Delete”按鍵將圖片刪除，留下描繪的線條輪廓，并進行適當修改。

（4）創意設計。學生可利用“繪圖”、“修改”等功能在圖形中加入自己的創意設計，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”的設計。也可以在線切割加工的作品上，利用鉗工實習時的鉆床在合適的位置打孔，當作鑰匙扣使用，既易保存且有著很好的紀念意義。

圖2 最終設計

（5）后處理及加工。由于線切割機床識別的圖文件為DXF文件，將設計好的圖保存為“XX. DXF”格式。為了好區分，建議學生選擇學號后3 位或名字的拼音縮寫作為文件名稱進行保存。在線切割機床中，導入圖文件，利用機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，可以根據需求設置加工軌跡偏移實際輪廓線一定的量。另外，需要根據加工材料在工作臺上固定的位置和鉬絲的位置，確定鉬絲的切入點和終點，切入點和終點可相同也可不同。如圖3 所示，從海豚下邊的鰭切入、切出，此切入和終點為同一點。最后，通過設置線切割機床中的脈沖電壓、脈沖電流、絲速等加工參數，運行程序，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軟件幫助學生快速設計線切割加工圖案，完成線切割加工自主設計及加工，快速體驗線切割加工的樂趣。同樣的方法，也可以設計激光切割加工的圖案，體驗激光切割加工的樂趣。

2 AutoCAD在激光切割實踐教學中的應用

激光切割機將激光器發射出的激光，經光路系統，聚焦成高功率密度的激光束，照射到工件表面，使工件達到熔點或沸點，隨著光束與工件相對位置的移動，最終使材料形成切縫，達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的機械刀，具有精度高，切割快速，切口平滑，加工成本低等特點，將逐漸改進或取代于傳統的金屬切割工藝設備。

學生在激光切割機床的實踐學習中，通過教師講解指導，了解激光切割的加工原理、掌握加工操作流程，學習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——創意設計——實物加工整個過程，獲取自主設計加工紀念品一枚，提供加工材料為有機玻璃。

在激光切割中自主設計加工圖案，步驟同線切割。與線切割不同的是，對圖形設計要求更加靈活，并不要求單一封閉輪廓，保證外圍單一封閉輪廓的基礎上，中間可以多個輪廓線，且可以是更加復雜精美的圖案。另外，根據激光切割加工的設置，可以通過不同顏色線條設計區分不同的圖層，從而控制不同的激光切割參數，實現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雜，采用掃描加工效果，外圍圓形輪廓切透，從大板材料上實現分割。

圖5 激光切割作品

3 AutoCAD在加工中心實踐教學中的應用

加工中心作為較普及的機械加工設備，實踐教學過程從了解加工中心的基本結構、加工特點和加工對象開始，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、導入和調試運行，并自主設計完成簡單零件設計、程序編制、仿真軟件調試以及實際加工［15］。要求學生完成兩項認務：①掌握基本操作和手工編程：采用AutoCAD 設計刻畫圖案，進行手動編程設計及刻畫加工；②掌握計算機編程方法：通過SolidWorks 設計形狀，并采用MasterCAM 插件進行人機交互，自動生成程序代碼并進行校驗，最后將自動生成的代碼導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計一樣，此處不再闡述，計算機三維造型設計及編程的過程：從檢索圖——二維矢量圖作為三維模型的草圖——三維實體圖——后處理軌跡——生成加工程序（G 代碼）——實物加工。其中，從檢索圖——二維草圖設計可用AutoCAD 實現，后續三維實體的設計運用SolidWorks 軟件來實現，后處理及生成G代碼程序用的是MasterCAM，具體步驟如下。

（1）AutoCAD中進行二維草圖設計。重復線切割設計步驟中（1）～（4），將設計好的草圖保存為默認格式“XX.DWG”。需要特別注意的是：草圖設計完成，一定要將草圖中心移至AutoCAD 坐標原點上，即為后續設計建立坐標原點；同時描繪圖時要考慮后續加工時的刀具大小，即切削凹形處的圓角大于等于銑刀半徑；可以設計多個封閉輪廓，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 中設計完成的二維草圖“XX.DWG”，確認后使用一個空模板，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文件打開方法設置對話框

（3）SolidWorks 中應用特征建模。采用“特征”中的拉伸、旋轉切除等功能，對AutoCAD 設計的不同封閉的草圖輪廓分別進行處理。另外，可以加入毛坯設置，也可加入學生的設計和想法，完善和美化三維造型。設計完成的太陽花笑臉如圖8 所示，在太陽光芒設計基礎上，增加了眼睛和嘴巴的設計。

圖8 利用特征建模完成三維造型設計

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

圖9 用MasterCAM生成加工軌跡

（5）實際加工。將后處理程序導入加工中心進行加工，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

在加工中心實踐訓練中，學生利用前面線切割或激光切割實踐中學習的AutoCAD 設計二維圖形，并將其作為草圖導入SolidWorks 中，進一步進行三維造型設計，解決了前期直接進行三維造型設計的困難，讓初學者快速完成基本造型設計，進一步開展后處理程序生成和實際加工，這樣既學習了加工中心實踐操作，簡化了學生的設計流程，增加了學習的樂趣。尤其是復雜輪廓的設計，在CAD草圖基礎上再去增加其他特征，節省了設計時間。

4 結束語

在數控實踐實習中，針對缺少實踐經歷和圖形設計經驗的低年級學生，充分利用AutoCAD 在處理二維矢量圖的強大優勢，獲得了很好的設計體驗。在線切割和激光切割實踐實習中，從圖片檢索到運用AutoCAD 軟件描繪輪廓，再到加入自己的創作和想法，獲得屬于自己的設計圖，最后經過后理軟件生成加工軌跡及程序，完成作品加工。在加工中心實踐實習中，利用AutoCAD 描繪輪廓，加入自己的設計完成草圖，再用SolidWorks 特征功能，獲得三維造型圖，最后經過后處理生成程序代碼，完成作品加工。經過多批次學生的實踐實習，證明該方法有效、可行，能使學生在較短時間內完成設計，提高實踐實習的參與感，獲得很強的成就感，增加了學生對于金工實習的興趣，獲得了很好的實踐效果。