AutoCAD 在数控工程训练中的实践应用*

加有维，栗茂林，张育林，李党超，张 铭

（西安交通大学实践教学中心（工程坊），西安 710049）

0 引言

金工实习是高等教育中工程实践训练的重要基础环节，在提高学生实践动手能力和创新创业能力，建立基本工程意识方面有着重要的地位，是高校新工科建设中不可缺少的一个环节［1］。面对“新工科”［2］、卓越人才培养计划2.0［3］以及工程教育专业认证［4］的工程训练改革需求，实践教学中心（工程坊）作为我校学生在校内集中进行工程综合能力提升的实践教学部门，提出构建面向新工科的金工实习实践教学新体系［5］。金工实习实践教学新体系主要包括“继承传统”的普车、普铣、钳工、装配、焊接和铸造等传统基础实践模块、“紧跟时代”的数控车床、加工中心、电火花线切割、激光切割、机器人焊接、三维复杂形貌测量等数控实践模块，以及“面向未来”的3D 打印、机器人、物联网、智能制造、虚拟现实等智能实践模块。

在紧跟时代的数控实践模块中，主要是让学生了解各类数控机床的加工原理，设计并动手进行实践加工。其中，数控车床主要学习基本数控编程，设计典型回转体零件并通过手工编程，在数控车床上实现加工。线切割机床加工和激光切割加工，均要求学生运用AutoCAD设计精美图案，并完成切割加工。加工中心的实习要求学生运用AutoCAD 设计刻画痕迹图样，进一步利用SolidWorks等软件完成零件三维造型设计，再用后处理软件生成程序实现自动加工。

AutoCAD是一款计算机辅助设计软件，在机械加工、土木建筑、装潢装饰、电子化工等行业均有广泛的应用［6-7］。SolidWorks是一款基于实体建模技术的三维造型设计软件，以易学易用、功能强大为全球越来越多的企业所采用，两个软件在机械制造领域，二维图形设计及三维实体建模上都有着优异的能力［8-10］。

由于金工实习实践内容较多，给数控实习安排的时间较短，来参加实习的都是低年级学生，没有实践设计经验，自主设计环节容易使课程开展较慢且无法达到预期的实习效果。参与实践教学的多位老师长期从事电火花线切割、激光切割、数控车床、加工中心等数控机床的实践教学工作，积累了丰富的实践教学经验，针对低年级没有设计经验和实践基础的学生，总结运用AutoCAD较快、较好地设计出在线切割和激光切割机床中加工的零件图，以及设计完成加工中心机床中三维造型图中的草图，大大提升了设计效率，提高了学生学习的热情，取得了很好的教学效果。

1 AutoCAD在电火花线切割实践教学中的应用

电火花线切割加工［11］（Wire Electrical Discharge Machining，WEDM），是在电火花加工基础上发展起来的一种工艺形式，其基本原理是用线状电极靠火花放电对工件进行切割，利用移动的细金属导线（铜丝或钼丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形，故称电火花线切割，简称线切割［12］。电火花线切割主要应用于模具加工、成形电极加工以及单件小量零件加工，国内外线切割机床已占电加工机床的60%以上。

电火花线切割加工实践，通过教师讲解指导和学生自主设计加工图案，了解电火花加工原理、掌握加工操作过程，并学会基本加工设计，获取自主设计加工纪念品一枚。其中图形设计要求学生完成从检索图片——二维矢量图——后处理轨迹——生成加工程序（G 代码）——实物加工全过程。

为确保学生设计及加工图形的完整，并可以将作品作为工程实践纪念品保存，提供不锈钢板作为加工材料，在线切割加工设计中要求学生设计的二维矢量图既要满足美观，又要符合单一封闭轮廓等要求，即要求是一笔画成的封闭轮廓图，且加工起终点可根据实际加工情况设置在任意位置。

具体的设计步骤如下。

（1）检索图片。上网搜索图案外轮廓较清楚的图片，可直接复制图片，也可将图片保存到计算机文件中，再复制图片。保存为图片时，建议将图片名称修改为简短的数字或字母。

（2）复制粘贴图片。打开软件AutoCAD，在“编辑”下拉菜单中选择“选择性粘贴”，以“位图”形式将图片粘贴在AutoCAD画图区域，如图1 所示，复制粘贴海豚图片。图片粘贴的位置可由鼠标直接在AutoCAD 画图区域单击确定。

图1 复制粘贴至AutoCAD的图片

（3）编辑图片及描图。①尺寸测量——选择“工具”下拉菜单“查询”中的“测量”，对图片大小进行测量，一般只需测量X 或Y 轴中最大尺寸即可。②尺寸调整——选择“修改”下拉菜单中的“缩放”功能，对图片进行尺寸缩放。根据中心机床台套数、学生人数及加工时长情况，要求学生设计的图形限定为30 mm×30 mm，图形较复杂的允许适当大一些，但最大不要超过40 mm，确保所有学生在实践操作时间内都能完成加工。③描图——用绘图下拉菜单中“直线”、“圆弧”等功能对缩放后的图片轮廓进行描绘，受到图文件大小的限制，不建议使用样条曲线或多段线等功能描图。另外，为保证描绘图形为封闭轮廓，建议描图前打开“对象捕捉”功能，避免出现断点。针对多个封闭的轮廓，建议采用线段进行连接，并使用“修改”菜单中“修剪”功能将其串连，如海豚的外轮廓和眼睛原本是两个轮廓，进行了串连修改。④删除原图片并修改线条图——描图结束后，选中原图点击“Delete”按键将图片删除，留下描绘的线条轮廓，并进行适当修改。

（4）创意设计。学生可利用“绘图”、“修改”等功能在图形中加入自己的创意设计，仍需满足一笔画成的封闭轮廓图的要求，如图2 所示，增加了“海豚戏球”的设计。也可以在线切割加工的作品上，利用钳工实习时的钻床在合适的位置打孔，当作钥匙扣使用，既易保存且有着很好的纪念意义。

图2 最终设计

（5）后处理及加工。由于线切割机床识别的图文件为DXF文件，将设计好的图保存为“XX. DXF”格式。为了好区分，建议学生选择学号后3 位或名字的拼音缩写作为文件名称进行保存。在线切割机床中，导入图文件，利用机床自带后处理软件可生成绿色的加工轨迹，如果有尺寸及公差要求，可以根据需求设置加工轨迹偏移实际轮廓线一定的量。另外，需要根据加工材料在工作台上固定的位置和钼丝的位置，确定钼丝的切入点和终点，切入点和终点可相同也可不同。如图3 所示，从海豚下边的鳍切入、切出，此切入和终点为同一点。最后，通过设置线切割机床中的脉冲电压、脉冲电流、丝速等加工参数，运行程序，大约需要12 min 完成加工。图4 所示为使用不锈钢板线切割加工完成的海豚图案。

图3 生成加工轨迹

图4 线切割加工作品

通过AutoCAD软件帮助学生快速设计线切割加工图案，完成线切割加工自主设计及加工，快速体验线切割加工的乐趣。同样的方法，也可以设计激光切割加工的图案，体验激光切割加工的乐趣。

2 AutoCAD在激光切割实践教学中的应用

激光切割机将激光器发射出的激光，经光路系统，聚焦成高功率密度的激光束，照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，达到切割和雕刻的目的［13］。激光切割加工是用不可见的光束代替了传统的机械刀，具有精度高，切割快速，切口平滑，加工成本低等特点，将逐渐改进或取代于传统的金属切割工艺设备。

学生在激光切割机床的实践学习中，通过教师讲解指导，了解激光切割的加工原理、掌握加工操作流程，学习自带软件对图形的处理，包括位置摆放、加工顺序等操作［14］。完成从检索图片——二维矢量图——创意设计——实物加工整个过程，获取自主设计加工纪念品一枚，提供加工材料为有机玻璃。

在激光切割中自主设计加工图案，步骤同线切割。与线切割不同的是，对图形设计要求更加灵活，并不要求单一封闭轮廓，保证外围单一封闭轮廓的基础上，中间可以多个轮廓线，且可以是更加复杂精美的图案。另外，根据激光切割加工的设置，可以通过不同颜色线条设计区分不同的图层，从而控制不同的激光切割参数，实现切割和扫描的不同效果。如图5 所示激光切割作品，中间猎狗图案线条复杂，采用扫描加工效果，外围圆形轮廓切透，从大板材料上实现分割。

图5 激光切割作品

3 AutoCAD在加工中心实践教学中的应用

加工中心作为较普及的机械加工设备，实践教学过程从了解加工中心的基本结构、加工特点和加工对象开始，逐步掌握加工中心的基本操作、对刀操作，掌握仿真软件的使用、加工中心程序的编制、导入和调试运行，并自主设计完成简单零件设计、程序编制、仿真软件调试以及实际加工［15］。要求学生完成两项认务：①掌握基本操作和手工编程：采用AutoCAD 设计刻画图案，进行手动编程设计及刻画加工；②掌握计算机编程方法：通过SolidWorks 设计形状，并采用MasterCAM 插件进行人机交互，自动生成程序代码并进行校验，最后将自动生成的代码导入加工中心完成加工，对于程序量较大的，可采用在线方式完成加工［16］。

刻画图案与线切割图案设计一样，此处不再阐述，计算机三维造型设计及编程的过程：从检索图——二维矢量图作为三维模型的草图——三维实体图——后处理轨迹——生成加工程序（G 代码）——实物加工。其中，从检索图——二维草图设计可用AutoCAD 实现，后续三维实体的设计运用SolidWorks 软件来实现，后处理及生成G代码程序用的是MasterCAM，具体步骤如下。

（1）AutoCAD中进行二维草图设计。重复线切割设计步骤中（1）～（4），将设计好的草图保存为默认格式“XX.DWG”。需要特别注意的是：草图设计完成，一定要将草图中心移至AutoCAD 坐标原点上，即为后续设计建立坐标原点；同时描绘图时要考虑后续加工时的刀具大小，即切削凹形处的圆角大于等于铣刀半径；可以设计多个封闭轮廓，如图6 所示。

图6 AutoCAD描绘的轮廓图

（2）SolidWorks 中打开CAD 草图。打开SolidWorks软件，在“文件”下拉菜单中选择打开文件，将对话框中的打开类型选为“所有文件”，选择AutoCAD 中设计完成的二维草图“XX.DWG”，确认后使用一个空模板，在弹出的图7 所示的“选择打开此DXF／DWG 文件的方式”对话框中选择输入到新零件为“2D 草图”，确认后即完成将AutoCAD二维草图文件在SolidWorks 作为草图并打开。

图7 DXF／DWG文件打开方法设置对话框

（3）SolidWorks 中应用特征建模。采用“特征”中的拉伸、旋转切除等功能，对AutoCAD 设计的不同封闭的草图轮廓分别进行处理。另外，可以加入毛坯设置，也可加入学生的设计和想法，完善和美化三维造型。设计完成的太阳花笑脸如图8 所示，在太阳光芒设计基础上，增加了眼睛和嘴巴的设计。

图8 利用特征建模完成三维造型设计

（4）MasterCAM后处理生成加工代码。在三维实体图的基础上用后处理软件MasterCAM 生成加工轨迹，如图9 所示。

图9 用MasterCAM生成加工轨迹

（5）实际加工。将后处理程序导入加工中心进行加工，采用尼龙块作为毛坯料，加工完成的作品如图10所示。

图10 加工中心作品

在加工中心实践训练中，学生利用前面线切割或激光切割实践中学习的AutoCAD 设计二维图形，并将其作为草图导入SolidWorks 中，进一步进行三维造型设计，解决了前期直接进行三维造型设计的困难，让初学者快速完成基本造型设计，进一步开展后处理程序生成和实际加工，这样既学习了加工中心实践操作，简化了学生的设计流程，增加了学习的乐趣。尤其是复杂轮廓的设计，在CAD草图基础上再去增加其他特征，节省了设计时间。

4 结束语

在数控实践实习中，针对缺少实践经历和图形设计经验的低年级学生，充分利用AutoCAD 在处理二维矢量图的强大优势，获得了很好的设计体验。在线切割和激光切割实践实习中，从图片检索到运用AutoCAD 软件描绘轮廓，再到加入自己的创作和想法，获得属于自己的设计图，最后经过后理软件生成加工轨迹及程序，完成作品加工。在加工中心实践实习中，利用AutoCAD 描绘轮廓，加入自己的设计完成草图，再用SolidWorks 特征功能，获得三维造型图，最后经过后处理生成程序代码，完成作品加工。经过多批次学生的实践实习，证明该方法有效、可行，能使学生在较短时间内完成设计，提高实践实习的参与感，获得很强的成就感，增加了学生对于金工实习的兴趣，获得了很好的实践效果。