數控電火花機床IETM設計方法研究

姜巍巍，尚 研，王春艷

（1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 北京理工大學 工程訓練中心，北京 100081）

0 引言

數控實訓是一門實踐性很強的課程，目的在于提高學生的實際操作能力。通過“211”工程建設，我校工程訓練中心購置了數控線切割、數控電火花機床等先進設備，為學生數控實訓提供了物質基礎。但數控電火花機床實訓中存在以下問題：1）實訓時間短，數控線切割及數控電火花加工只有一天時間。并且學習理論知識的時間比較多，幾乎占總課時的百分之七十，而試驗、實際操作的時間僅占了百分之三十。2）數控設備相對較少。3）學生在機床上加工時，設備容易出現故障，例如斷絲。4）實習消耗過大：傳統的實習模式，要求學校提供充足的資金來保障實習工位和材料消耗，但實習消耗過大，一直是困擾學校實習教學的因素之一。怎樣在時間緊、培訓內容多、設備少、故障多的情況下，快速維修、提高實訓效果、培養學生的動手能力，是數控實訓中急需解決的問題。

目前數控電火花機床發生故障時，大多數情況下是請生產廠家派維修人員來現場維修，待機時間長，費用高，所以我們應提高自修能力，尤其應訓練學生修理簡單故障的能力。雖然生產廠家為我們提供了一些技術資料，如說明書、維護手冊、技術圖紙、故障手冊等，但這些技術資料大多是紙質手冊或是較簡單的PDF電子文檔。這些手冊在實際使用中存在著攜帶不方便、難于查找，且查資料必須中斷維修行為，更新困難、時效性差，媒體種類少，不易于理解等諸多問題，所以急需一種能夠進行現場維修快速指導、快速培訓的技術信息資源。

交互式電子技術手冊（IETM）是一個可用于裝備操作、維修、訓練且能夠為電子顯示系統的終端用戶提供精心設計的、規格化的交互式視頻顯示內容的信息包[3]。這種手冊的應用將會提高數控電火花機床的維修效率，減少停機時間，提供給學生更多的訓練時間，提高學生的實操水平。

本文采用交互式電子技術手冊（IETM）技術設計數控電火花機床IETM系統，創建IETM的結構框架，提出數控電火花機床IETM的設計方法，來消除傳統數控實訓教學中存在的弊端，促使實踐教學進行一系列的改革，使課程安排更合理，教學方法更科學，提高機床利用率。

1 數控電火花機床IETM系統的特點

作為交互式電子顯示系統，數控電火花機床IETM系統具備以下幾個特征[4]：

1）形象性。采用多種格式顯示技術信息，易于學生操作，提高學生對知識的理解能力。由于線切割加工時間較長，學習實習已結束而工件還未加工出來。現在通過數控電火花機床IETM系統進行實訓能創造一個與實際近乎相同的特性環境，學生可以從任意角度觀察數控電火花機床加工過程，毛坯變為成品的過程形象生動，并且節約了大量的時間。

2）交互性。以往的電化教學學生是被動式、單向式，雖然直觀但不具備交互性。采用數控電火花機床IETM系統，技術信息的元素之間相互關聯，學生可通過多種途徑訪問到自己所請求的信息，具有交互的信息支持和操作向導，能引導學生熟悉數據傳輸的過程及數控機床的操作步驟。在此過程中學生可以獨立操作模擬機床，出現問題，可以快速查詢IETM，找到解決方法，培養他們的動手能力，而不必擔心學生的安全。

3）安全性。采用數控電火花機床IETM系統進行模擬實訓不會因為學生操作失誤，對操作對象如儀表、元件、工件、刀具等造成實質性損害，如撞刀、毛坯報廢等；更不會對學生造成人身危害。而且，IETM中集成多媒體信息，多媒體中的聲、光、文字警報，完全可以對學生操作錯誤進行提醒和糾正。

4）方便性。IETM可存儲于光碟或硬盤上，減少了技術資料的存放空間，提高了攜帶的便利性。IETM能夠通過無線電、網絡等通信媒介進行傳遞，使技術資料的更新、運輸和分發更加容易和快捷，并可以實現數控電火花機床的遠程技術培訓。

5）高效性。IETM可代替一些過去需要在院校課堂培訓的有關數控火花機床原理、使用、維修的內容。由于IETM 技術提供的信息快捷、準確、針對性強，即使是缺乏專門經驗和技能的人員也能在其引導下完成復雜機床的某些操作和維修任務，完成的效率遠高于使用紙張型技術手冊且經驗豐富的技術人員，從而可縮短整個培訓周期，縮減培訓機構的數量和規模，并且可以在很大程度上消除地理區域上的培訓約束，可以邊工作邊進行訓練。

以上這5個特征都是紙質技術手冊在信息化時代無法實現的。同樣，IETM的這些特征也構成了它在數控電火花機床數字化實訓與維修中的發展空間。

2 數控電火花機床IETM的設計方法研究

根據數控電火花機床實訓的特點，數控電火花機床IETM的設計采取標準化、互操作性、模塊化設計方法，這是現代產品設計的特點和發展方向。

2.1 IETM的設計標準

IETM的核心問題是實現信息共享和產品數據的互操作，而標準是實現信息共享的前提和基本保障。所以，IETM的開發工作必須在相關標準的嚴格指導下才能進行。如果自己隨意設計開發IETM，則易形成信息孤島，無互操作性和共享性[5]。

2007年7月，歐洲宇航與防務工業協會與美國航天工業協會、美國航空運輸協會聯合發布了S1000D規范的最新版本3.0版。S1000D規范采用了ISO國際標準和CALS及W3C的標準，內部信息以中立格式（XML）產生，使用模塊化概念，通用性強，適用于所有武器裝備和民用裝備用戶技術資料的出版活動，支持以紙型和電子格式（如IETM）出版發布。該規范已在歐美眾多海、陸、空等武器裝備以及核電站、民用航空等領域的技術支持與服務中得到了應用。由于國內還沒有IETM 方面的標準，所以本文在設計數控電火花機床的IETM時，將按照S1000D規范3.0版的要求，采用標準的數據格式實現數據互操作性和共享性。

S1000D規范的重要特征是為IETM制作提供了一個開放系統描述方法，以數據模塊（DM）和通用源數據庫（CSDB）共同組織管理數據信息。CSDB和DM作為S1000D中的兩個核心概念，用來保證IETM實例間的信息共享和交換。

2.2 數據模塊的設計

圖1 數據模塊的通用結構

模塊化的設計思想貫穿于現代產品制造和產品數據管理，S1000D中數據模塊化理念也是在模塊化思想驅動下應對現代復雜裝備信息管理的一種有效解決方案。S1000D使用數據模塊的概念，能從不同的方面來節省費用，并能縮短IETM制作完成時間。首先DM的重用能夠降低技術手冊的生成費用，傳統上，重用的概念局限于文檔級上，而S1000D強調的重點是獨立的部件和零件，它能在零部件級的DM上進行重用，這樣DM可以從一個項目復用到另一個項目中去，即在DM全部制作完成之前，已經有大量的可用DM存在。當裝備保障需求改變時，僅修改其中一個DM，即可影響到生成的技術文檔，這正符合了CALS戰略中“一次創建，多次使用”思想。其次，文檔的共享交換費用也能夠被降低到最低，因為文檔的交換能夠在零件級上以DM交換的方式進行，而不是在整個產品級上交換整個技術文檔。

根據結構決定功能的原則，以實現技術信息交互、共享、中性為目標，設計了數據模塊的二維結構。DM在使用過程中要能夠實現下面的功能要求：一是DM能夠便于數據庫管理；二是便于信息內容的檢索與查找；三是能夠被賦予變量來增強適用性；四是體現裝備保障主題的組合與排列。這些要求的實現必須使DM具備自我描述的能力。所以，每個數據模塊包含兩部分結構：

第一部分為標識狀態段，包含了DM的元數據信息，即DM的標識信息(如編號、標題、發行號、發行日期、所用語言等)和狀態信息(如保密等級、適用性、質量保證狀態、更新原因等)。這些數據可以用于文檔類型管理、適用性管理、質量控制程序管理、檢索和查詢管理等。在向用戶提供技術信息時，這部分內容并不顯示。

第二部分為內容段，包含了要顯示給用戶的文本信息，是文檔內容的主體。S1000D3.0版根據文檔中所描述的信息內容，將數據模塊分為13個類型，并為每個類型分別定義了DTD和Schema。

設計數控電火花機床IETM數據模塊時結合數控電火花機床實訓的需要，以及考慮S1000D規范在我國的適用性，有選擇地采用了七類數據模塊，分別是描述信息、人員信息、故障信息、程序信息、零部件信息、維修計劃、過程信息。不同類型的數據模塊擁有不同結構的內容段，但擁有相同結構的標識狀態段，數據模塊的結構如圖1所示。各個數據模塊之間使用數據模塊編碼（DMC）相互區分，可利用DMC管理整個產品的數據模塊。

2.3 CSDB數據庫的設計

所有的數據模塊均存儲在后臺數據庫中，數控電火花機床IETM系統的后臺數據庫采用通用源數據庫(CSDB)。S1000D規范中通用源數據庫是技術信息存儲與管理工具，它也被用于媒體輸出，用于生成紙質或電子格式的出版物，它是實現信息“一次創作，多次使用”的核心基礎。CSDB存儲的信息對象主要包括：數據模塊（DM）、圖形與多媒體模塊、信息集與出版物模塊（PM）、配置與管理數據等。

本文使用Microsoft SQL Server 2000作為CSDB數據庫管理系統。它具有強大的XML數據操作能力，使用OPENXML語言解析XML文檔中的數據，自動將其存入數據庫中，也可以從數據庫中檢索XML元素，并重新組合為XML文檔。多個用戶都可以使用通用源數據庫，可以對CSDB中存放的產品技術信息進行添加、刪減或修改，這樣既滿足了用戶多樣化的需求，又保證了數據來源的惟一性。

圖2 部分實體類及類屬關系

圖3 系統界面

XML數據模塊存入CSDB，存儲規范，統計、并發事務處理技術成熟，但需要對XML文檔的數據進行重新組織，主要是通過增加一個映射層來管理XML數據的存儲，它是XML與數據庫之間轉換的橋梁。本文設計的數據庫部分實體及聯系如圖2所示。

2.4 數控電火花機床IETM用戶界面設計

用戶界面借鑒成熟的顯示軟件，采用文字、表格、圖形、聲音、視頻、動畫及虛擬現實技術等多種形式顯示相關信息。界面采用左側目錄樹，右側對應相應的顯示內容方式，實現出版物模塊或數據模塊與相應內容的一一對應，同時結合顯示要求，實現上下步導航、數據顯示隱藏、超鏈接等功能。依托web頁面靈活顯示技術信息，以此增強IETM技術信息的理解和交互能力。本文設計的數控電火花機床交互式電子技術手冊系統界面如圖3所示。

3 結論

數控電火花機床IETM系統可以作為圖文并茂、聲像俱全的維修支持系統和進行虛擬維修教學的交互式機床維修培訓系統，用于現場維修的指導和操作與維修人員的培訓，可使數控電火花機床的操作過程更加直觀、通俗，提高維修效率與質量、培訓效果與質量，縮短維修與培訓時間；IETM體積小、重量輕、便于攜帶，也可以通過無線電、網絡等通信媒介進行傳遞，實現數控電火花機床維修的遠程技術支持。數控電火花機床IETM的應用對于提高數控電火花機床實訓水平具有重大意義。

[1] 朱森第.加速制造業的自動化進程,努力提升制造業的競爭力[J].制造業自動化,2000,22(3):1-4.

[2] 蘇德清.可靠性技術標準手冊.北京:中國標準出版社,1994.

[3] 陳信欽.交互式電子技術手冊( IETM) 的技術研究[D].武漢:海軍工程大學,2003:13-14.

[4] 杜曉明,王丹,常雷.集成化的交互式電子技術手冊技術研究[J].裝備指揮技術學院學報,2006,6.

[5] 顧秀君,解洪成.制作交互式電子技術手冊標準化要求.江蘇船舶,2004,21(5):38–41.