基于加工中心的综合创新课程实践

栗茂林 加有维 李党超 张 铭

（西安交通大学 实践教学中心（工程坊），西安 710049）

工程实践课程是高等学校工科专业工程教育的第一步，是引导学生进入工程殿堂的基础，也是促使学生了解工程科学、探知工程奥秘的原动力。工程实践课程开设的目的是通过学习工艺知识，培养学生的工程意识，增强学生的工程实践能力，提高工程素质，培养工程创新能力[1]，体现了课程的基础性、实践性和制造性特点。各个高等院校都建立了工程训练中心，并引进了各种传统和先进的加工设备开设工程实践课程[2]，对学生理解、巩固、深化和应用所学理论，培养分析和解决问题能力，树立工程观念和劳动观点，具有重要作用[3]。

为了更好地培养学生，西安交通大学实践教学中心开设多门实践课程，分为实习类课程和开放实验课两大类[4-5]。实习类课程是工程实训的基础必修课，面向大部分理工科类学生开设，主要是使学生了解工艺流程，制定零件加工的工艺规程，再根据工艺规程进行加工准备。开放实验课作为工程实训的综合训练课，主要针对有金工实习基础的学生开展，重点在于培养学生综合设计和制造的创新性思维，使其接触和了解更先进的制造设备和工艺。

1 基于加工中心的综合实践课程内容设计

加工中心是由机械设备与数控系统组成的、适用于加工复杂零件的高效率自动化机床，是应用最广泛的数控机床之一。加工中心具有自动换刀功能。通过在刀库上安装不同用途的刀具，可以在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。

基于加工中心的综合创新实践课程就是利用软件实现产品设计，通过工艺规划、程序编制和仿真加工检验，最后使用加工中心完成加工。SolidWorks是一款三维设计软件，是现代3D机械设计的国际主流软件。MasterCAM是广泛应用于机械、汽车以及航空等行业的计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）软件，能够辅助使用者完成产品“设计—工艺规划—制造”全过程最核心的问题。广州超软仿真软件是一款数控加工仿真软件，实现程序检查和模拟加工。一系列软件提供了产品设计、工艺规划和仿真加工，可为后续的实际加工提供必要的基础。

课程难点在于创意产品的造型设计、加工工艺安排和程序编制，创新点是多媒体教学方式应用、教师演示示范与学生练习相结合、虚实结合、作品案例的实现全过程展示。课程在任务开展中教学，在解决问题中学习，在完成任务中提高。

基于加工中心的综合实践开放课程安排了24学时，要求学生进行平面刻划作品设计、手动编程和刻划加工、三维造型作品设计、自动刀路生成和实际机床加工。课程目的是让学生了解加工中心的加工原理、加工对象和基本操作，掌握手动编程和自动编程基本方法，学会三维造型软件SolidWorks和后处理软件MasterCAM，最后通过自行设计平面和三维造型作品，利用加工中心完成加工。课程的具体内容和学时安排如表1所示。

表1 实训具体内容和学时安排

2 刻划作品设计与手动编程

2.1 手动编程

为了让学生尽快了解掌握G00快速定位、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补以及G03逆时针圆弧插补等指令的含义，设计布置线条图绘制编程和刻划的教学任务。要求每一位同学自行绘制线条图，确定坐标系手动完成程序编制，进行模拟仿真加工和实际加工。线条图可以在AutoCAD软件中绘制，可使用直线、圆弧等线条绘制规则对称图案，也可采用描图法描绘精美图案轮廓，或者可在网格纸上绘制，如图1所示。确定坐标系时，对于圆形材料，一般建议XY坐标原点确定在材料中心。如果是方形材料，坐标原点可选在中心，也可在某个角点，方便后续对刀。确定好坐标系后，编写相应的程序代码。

针对图1（a）即示例一，编写的程序代码为

编制程序时需注意，由于机床刚通电时数控装置处于初始状态，G17、G21、G90等默认代码被激活。开机后状态可通过MDI方式更改，也会因程序运行而改变。为了保证安全，建议在程序开始处一定要进行初始状态设定的程序段，即第一行的N10 G21 G90 G17 G80 G40 G49，其中G21、G90、G17分别是设置公制尺寸、绝对坐标和XY平面，G80、G40、G49分别是取消固定循环、半径补偿和长度补偿指令。

2.2 刻划加工

将程序在数控加工仿真系统中进行模拟，结果证明程序代码和刀轨迹均正确，然后在加工中心用中心钻刻划加工来完成加工，如图2所示。注意对刀点位置要和确定的工件坐标系一致。

图2 中心钻刻划加工

3 内外轮廓加工

在线条图刻划的编程中，由于只考虑了刻划痕迹，没有涉及刀具半径补偿问题，在铣削内外轮廓时，必须要考虑刀具半径补偿问题，需要掌握G41刀具半径左补偿、G42刀具半径右补偿和G40取消刀具半径补偿等指令。在数控铣床或加工中心上进行轮廓加工时，因为铣刀有一定的半径，刀具中心轨迹和工件轮廓不重合。如果不考虑刀具半径，直接按照工件轮廓编程比较方便，但加工的零件尺寸比图样要求小一圈（加工外轮廓）或大一圈（加工内轮廓）。数控装置使刀具中心沿工件轮廓的法向偏移一个指定值的功能即刀具半径补偿功能。使用该功能既可以方便按照轮廓编程，也可以保证铣削的轮廓是准确的。半径补偿功能包括G41刀具半径左补偿、G42刀具半径右补偿和G40取消刀具半径补偿等指令。G41与G42的判断方法是迎着垂直于补偿平面坐标轴的正方向向刀具的移动方向看过去：当刀具处在切削轮廓左侧时，称为刀具半径左补偿，用G41表示；当刀具在切削轮廓的右侧时，称为刀具半径右补偿，用G42表示。

使用刀具补偿功能，要求学生完成内外轮廓加工。首先手动编程，其次在仿真软件中检验程序，最后在机床上完成实际加工。

4 三维造型设计及加工

在SolidWorks软件中完成三维造型设计。基座设计大小为直径90 mm的圆台，上边可以选择拉伸凸台、拉伸切除、旋转、扫描或放样等特征完成造型设计。图3为学生设计的滑稽笑脸。图4为使用MasterCAM进行后处理的刀路轨迹。图5为仿真系统模拟加工的结果。选择一块直径90 mm的尼龙圆形料装在加工中心工作台的平口虎钳上，将XY零点对在圆块的中间，使用G54工件坐标系，将Z零点对在材料上表面，并记录在长度补偿中。运行程序，加工完成滑稽笑脸，如图6所示。另外，可以在原造型图中加入圆角设计，且实际刀路中需要新增球头铣刀加工圆角。

图3 三维造型设计图

图4 后处理刀路图

图5 仿真加工结果

图6 加工完成的滑稽笑脸

5 实训课程的效果

在综合实训课程中，同学们发挥想象力，借鉴生活学习中各种喜欢的物品，动手设计完成多种精彩图案造型，有卡通米老鼠头像、安卓机器人，还有学校特色校徽、钱学森图书馆造型等，并通过软件后处理生成代码，再去机床上动手完成加工。图7为部分学生的作品展示。

图7 部分学生加工作品

6 结语

经过综合实训课程的学习，学生了解了加工中心的基本操作，并通过平面设计、手动编程和刻划加工完成精美图案刻划加工，通过三维造型设计、后处理和模拟实际加工完成造型加工。此外，综合实训课程大大激发了学生对平面和三维设计的兴趣，提升了设计能力和创新能力，为后续进一步开展五轴加工和智能产线综合实践课程奠定了良好的基础。