基于教學環境的數字化車間搭建①

祁曉亮等

摘 要：隨著生產方式不斷發展，學校需要對固有的教學方式作出改變。該校在原有Predator SFC（生產車間集中控制管理系統）的基礎上，將三個實訓教室進行整合而入。在VB6.0和SQL Server的開發環境下，搭建了一個適宜教學的數字化車間管理系統。系統采用C/S架構，并獨具特色的在客服端，即在學生提交加工程序到教師前先對其進行了初步的檢測。在提升教師工作效率的同時，減少了學生在實踐生產中可能產生的危險性。而且簡單實用的管理模式在簡化傳統教學模式的同時，增加了學生機床實踐的機會，讓學生能更加全面的了解到現代制造技術的系統流程。

關鍵詞：數字化車間 生產管理 系統管理 數控加工

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0191-03

隨著該校管理信息化建設的需要，以及為了提高教學質量和管理效率，加快教學進度，提高數控設備綜合利用率，為此計劃搭建目前先進的數字化車間信息管理系統。

目前，我校現代工業實訓中心已經完成了世界領先的Predator SFC（系統解決方案）系統中的Predator DNC（分布式數控）、Predator MDC（生產數據采集系統）、Predator Tool Crib（刀具管理系統）、Predator Traveler（電子工藝管理及派工系統）等系統的實施，并應用于實際教學，Predator MES（制造企業生產過程執行管理系統）-SFC（生產車間管理系統）中的各子系統模塊相互間無縫集成，所以上述系統的建立為此次項目實施搭建了基礎數據平臺。

這一整套的Predator解決方案雖然可以完美的達成要求，但是學習的成本過高不適合在教學中應用。為此需要配合老師的教學方式和使用習慣，編寫既能引導學生習慣數字化車間管理的概念，又能降低教學成本的信息管理系統。

1 網絡搭建

如圖1的布局圖所示，位于左邊的兩個教室本別是數控銑床教室和數控車床教室，其中各自包含了一臺教師機和若干學生機；位于畫面右側的則是AutoCAD教室，其中包含有一臺教室機、若干學生機和一臺Gallop公司提供的服務器，其主要的作用就是對畫面中央的這8臺車床、8臺銑床進行管理。

項目之初，三個教室和被服務器管理著的機床（圖中央）之間是互不相連的，為了項目的實施，需要重新搭建網絡。出于安全性的考慮盡可能的讓學生機與Gallop服務器隔離開，所以在網段劃分上如下圖2所展示的那樣，分成了教師機網段192.168.2.0和學生機網段169.254.0.0并在學生機網段內購置了一臺工作站作為學生獲取課程任務和刀具等信息的渠道。教師機與學生互聯，在取得學生提交加工程序的同時，隔絕學生對服務器直接進行操作的可能。服務器通過交換機與教師機互聯的同時，自身通過AP與機床互聯。至此，將三個教室和機床完全的整合到了一起。

2 系統方案

該系統采用C/S架構，重點運用Gallop公司提供的API進行編程，根據教學需求構建出一個適宜教學環境的數字化車間管理系統。從功能上包含加工程序管理、加工程序檢測、課程任務管理、學生信息管理、刀具庫管理和機床管理六個方面。從結構上分成學生端、教師端和服務端，分別部署在學生機、教師機和服務器上。為了方便理解，該章會先理出一個加工程序管理流程，也是該系統最重要的功能的主體流程，然后再分學生端、教師端、服務端在結構上對系統進行介紹。

2.1 加工程序管理

如圖3流程圖所示，對于主體的流程做了簡單的概括。解釋了加工程序從學生上交開始，經歷了程序檢驗和老師審批上傳至服務器，直至最終學生從機床上調出自己提交的加工程序為止的整個過程。

2.2 學生端

學生端所包含的主要功能有：加工程序檢測、加工程序提交、狀態跟蹤、規范獲取和信息驗證。

學生端的主要任務就是對于加工程序的檢測與提交，同時對加工程序的狀態進行跟蹤。但是為了完成這項任務，必須具備獲取檢測規范的能力，同時出于對加工程序更合理的考慮，所以也必須具有對于學生信息的驗證。

2.3 教師端

教師端主要由加工程序的接收、展示和提交、歷史記錄查詢、課程任務管理、刀具管理、車床/銑床狀態獲取、學生信息管理這幾部分功能組成。

教師端的主要任務是：教師檢測學生上傳的文件是否符合本次任務的要求，并且把符合要求的文件發送到空閑車床和銑床加工以及查看學生上傳文件的歷史記錄；添加每次需求的任務以及每次任務所需要的刀具的信息和管理登錄教師客戶端的賬號信息。

2.4 服務端

服務端由加工程序接收、加工程序發布和車床/銑床狀態采集三個功能組成。加工程序接收與教師端的功能相同所以不再贅述。而后兩者牽扯到了Gallop公司提供的技術支持。加工程序的發布，其實就是將加工程序存儲到相應車床和銑床在服務器中對應的文件夾。由于車床/銑床本身已經通過Predator SFC這一整套管理系統進行管理了，所以服務上的開發主要是對于原有系統的二次開發。車床/銑床的狀態采集也是二次開發，主要是針對Gallop開放的API從數據庫中得到從車床/銑床上獲得的信息。

3 加工程序檢測

學生作為初學者，犯低級錯誤的可能性很大，所以學生寫的加工程序不能直接投入到實踐操作中去。即使這樣做了，也要先對加工程序進行核對，在操作時，也需十分小心謹慎，主要是因為如果只是考慮轉速這類的操作，整個加工程序中出現的頻率不是太多，也比較容易核對，但是如果考慮到進給操作的話。因此老師在教學中不使用學生自己設計的加工程序，這一做法是可以理解的，這也是在考慮到學生安全問題下的無奈之舉。不過大量重復的操作正是計算機發揮才華的地方，所以檢測程序會使這一現狀有顯著的改善。編寫這類檢測程序，自然需要對常用功能指令有所了解并對其使用規則相當熟悉，所以接下來會先介紹一些常用的功能，再對檢測程序作解釋。

3.1 常用功能指令

準備功能又稱G功能或G代碼，它用于指定工作方式，有模態和非模態之分。模態代碼一經指定就一直有效，直到被同組代碼取代它（只有同組代碼才可相互取代）為止，或被M02、M30或緊急停止、按“復位”鍵撤銷。非模態代碼只在該代碼所在的程序段中有效，在下一程序段則自動取消。常用準備功能鍵。

輔助功能又稱M功能或M代碼，它用于指定機床工作時的各種輔助動作及狀態。

F功能用于指定進給速度，單位是mm/r或mm/min。F值指定后一直有效，直到新的F值取代為止。G00執行的是系統設置的速度，但不會撤銷前面所編的F值。

S功能用于指定主軸轉速，單位是r/min，當設定恒速切削時，單位是m/min。

T功能用于指定刀具號，進行自動換刀，如T0101，前面的01為刀具號，后面01為刀補號。

3.2程序示例

O0050 （第50號程序）

N10 S600 M03； （主軸正轉，600r/min）

N20 T0303； （第3號螺紋刀）

N30 G00 X30.Z4.；（快進到循環起點）

N40 G92 X23.4 Z-42. F1.5； （螺紋切削循環1，第一刀切入0.225mm）

N50 X23.； （第二刀切入0.2mm）

N60 X22.7； （第三刀切入0.15mm）

N70 X22.4； （第四刀切入0.15mm）

N80 X22.2； （第五刀切入0.1mm）

N90 X22.05； （第六刀切入0.075mm）

N100 G00 X80.； （徑向退刀）

N110 G00 Z100.； （軸向退刀）

N120 M05； （主軸停轉）

N130 M30；（程序結束，并返回到程序開頭）

3.3 加工程序檢測

可以看出加工程序的檢測主要檢查的是兩個指標：速度和量。也就是轉速S，進給速度F和進給量。通過功能M代碼和刀具T可以先對加工程序進行簡單的拆分，先確保所有檢查的程序段都使用同一刀具。然后以《機械切削加工手冊》作為本軟件的理論和數據依據，這本專門用于數控機床加工手冊中的原理、公式和數據，但是在程序上是不可能死板的照搬公式和數據的，針對不同的場景，使用的情況可能不同。對于使用場景，我們找出了可能影響檢測指標變化的兩個原因，分別來自不同刀具和不同任務。教師通過不同的課程任務，及在任務中使用到的刀具的不同，根據使用場景的需要來選擇不同的檢測指標。這樣做更有助于程序去適應不同的應用場景。

4 結語

該系統的設計，在Gallop提供的Predator SFC基礎上，剔除了企業管理中紛繁復雜的管理模式，針對實際教學場景，以推廣先進制造技術為主要目的，勾勒出一套效率極高、學習成本極低、易用性極強的數字化車間管理方案。主要包含加工程序管理、加工程序檢測、課程任務管理、學生信息管理、刀具庫管理和機床管理這六方面功能，提高了整個制造流程的學習環境，在提升教學質量的同時，清晰了管理的邏輯、增加了授課的效率。為實訓中心的授課內容帶來了新的技術和新的思維。同時為現代化制造技術知識的普及給以新的思路，為如今正飛速發展的制造行業帶來新性的概念，給承擔不起大型制造體系流程的中小型企業提出了一種新的解決方案。

參考文獻

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[3] 張建超，王峰年，楊少霞，等.關于制造業數字化車間的建設思路[J].制造業自動化，2012，16：4-7.

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