開放式數(shù)控系統(tǒng)實驗教學平臺的開發(fā)

韓德東 付云忠 韓振宇 劉建康

【摘要】為了提高數(shù)控技術實踐課程的教學效果和學生的實踐動手能力，本文結合數(shù)控技術課程中的重要知識點，開發(fā)了一種基于運動控制卡的開放式數(shù)控教學實驗平臺，并應用在數(shù)控技術實踐課程教學中，取得了良好效果。

【關鍵詞】開放式數(shù)控 ?實驗教學 ?課程研究

【中圖分類號】G424.31 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A ? ? ?【文章編號】2095-3089（2015）11-0048-03

The Development of an Open CNC Experimental Teaching Platform

HAN De-dong， FU Yun-zhong， HAN Zhen-yu， LIU Jian-kang

（Mechanical Manufacturing and Automation Department， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

【Abstract】To improve the teaching effect of practical course of numerical control technology， and to promote practical ability of students， an open CNC experimental teaching platform based on motion control card was developed combining important knowledge points in the course of numerical control technology. The developed teaching platform was applied in the teaching of practical course of numerical control technology and achieved good effect.

【Keywords】open CNC; experimental teaching; curriculum research

引言

改革開放以來，我國制造業(yè)已經(jīng)取得了顯著的成就，但是仍然處于工業(yè)現(xiàn)代化的進程中，與發(fā)達國家相比還有相當大差距[1]。數(shù)控技術是現(xiàn)代制造業(yè)的核心技術，是機械制造自動化的重要基礎技術，數(shù)控機床的品種、水平和生產(chǎn)制造能力，直接反映一個國家工業(yè)的綜合實力。現(xiàn)階段我國國產(chǎn)數(shù)控機床基本以低檔經(jīng)濟型和中檔普及型數(shù)控機床為主，高檔數(shù)控機床市場份額的70%～80%、數(shù)控系統(tǒng)（普及型、高級型）的90%都被發(fā)達國家占領[2]。我國數(shù)控技術專業(yè)人才的缺乏是導致該現(xiàn)狀的主要原因之一，最新調(diào)查顯示，我國數(shù)控工程技術人才嚴重不足，尤其是專業(yè)知識層次較高并且具備一定動手能力的高級工程技術人才更顯緊缺[3]。

數(shù)控技術課程是本科教學中機械類專業(yè)必不可少的重要課程，是一門多學科交叉，涉及機械設計、機械制造、電工電子學、計算機程序設計、自動控制原理、力學等多門學科知識，是一門理論性和實踐性要求都很高的課程。其中數(shù)控技術實踐課對實現(xiàn)課程教學目標起著重要的作用，是學生掌握數(shù)控機床基本操作技能，了解數(shù)控機床的基本機構原理，熟悉現(xiàn)代CAD/CAM自動加工技術的應用方法和基本流程的有效途徑。是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，以及啟迪學生的創(chuàng)新思維、發(fā)掘其創(chuàng)新潛力的重要手段[3]。

由于數(shù)控技術課程的特殊性，目前本科學校對數(shù)控技術專業(yè)人才的培養(yǎng)，普遍缺乏一個系統(tǒng)的、全面的培養(yǎng)方案，雖然很多高校對數(shù)控技術課程教學模式進行了一系列改革和創(chuàng)新[4-7]，但是僅僅停留在教學模式或授課方式的調(diào)整創(chuàng)新層面，對于具體的課程內(nèi)容規(guī)劃以及重要專業(yè)知識點如何在教學中體現(xiàn)，相關的研究則非常少。

本文針對數(shù)控技術課程中數(shù)控機床本體結構原理、電氣系統(tǒng)原理、控制系統(tǒng)原理、G代碼譯碼、插補原理、運動控制、人機界面等重點知識點的講授問題，設計搭建了基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)實驗平臺，編寫了相應的教學用數(shù)控軟件系統(tǒng)，并應用在數(shù)控實踐課程教學中。

一、數(shù)控實驗平臺硬件系統(tǒng)設計

1.機床本體結構設計

傳統(tǒng)數(shù)控技術實驗教學中，大多使用商業(yè)數(shù)控機床演示給學生看，但是商業(yè)數(shù)控機床機械結構大都有保護外殼，學生無法觀看其內(nèi)部結構組成，所以為了將數(shù)控機床機械結構展現(xiàn)給學生，本文自行設計了數(shù)控機床的機械本體。學生可以從對機床機械本體的參觀和學習中，學習到數(shù)控機床坐標系的設置、工作臺驅(qū)動原理、進給軸限位和回原點原理等基礎知識。

數(shù)控實驗平臺機床機械本體采用傳統(tǒng)三軸銑床結構，XY軸工作臺采用雙座標工作臺，Z軸工作臺采用單軸工作臺，每個軸都對應安裝了限位開關和原點開關。工作臺工作行程150mm，滾珠絲杠導程4mm。工作臺滾珠絲杠與伺服電機之間采用聯(lián)軸器連接。

2. 電氣系統(tǒng)設計

PC機和數(shù)控系統(tǒng)的結合使數(shù)控技術有了很大的發(fā)展，給數(shù)控系統(tǒng)提供了更多的軟件工具和硬件資源，目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流結構形式主要有以下幾種：PC嵌入NC板卡、NC板卡嵌入PC、PC+SoftCNC。由于本實驗平臺主要用于本科生和研究生的數(shù)控技術實驗教學，可以讓學生認識并實際編程實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)特定功能，所以開發(fā)的實驗平臺復雜程度要易于教學，還應該保證平臺安全可靠防止學生在做實驗時造成事故。結合這些因素，對上述三種結構進行了對比分析，認為“NC板卡+PC”結構更適合用來開發(fā)實驗平臺，所以本文選用運動控制卡和普通PC機來搭建實驗平臺的控制系統(tǒng)。實驗平臺電氣系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電氣系統(tǒng)框架圖

通過實際對實驗平臺電氣系統(tǒng)的接線練習，學生可以真實地了解到數(shù)控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)的結構組成，從而對數(shù)控系統(tǒng)控制信號的產(chǎn)生到執(zhí)行這一過程有了一個直觀的認識，同時鍛煉了學生的動手能力。

二、實驗平臺數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

傳統(tǒng)數(shù)控實驗課程中，多使用校友或企業(yè)捐贈的老舊數(shù)控機床作為實驗平臺，使用FANUC、西門子或華中數(shù)控等商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)，由于商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，只能教學生學習怎樣使用數(shù)控系統(tǒng)，而不能對數(shù)控系統(tǒng)底層的基本原理進行實驗教學。針對這一問題，本文開發(fā)了基于運動控制卡的數(shù)控實驗平臺控制系統(tǒng)，從而使學生可以從源代碼級別學習了解數(shù)控系統(tǒng)程序原理，更加深刻地理解NC代碼譯碼、刀具補償、插補原理、運動控制等數(shù)控系統(tǒng)課程的關鍵知識點。通過基本算法的編程實驗，培養(yǎng)學生的程序思維，在程序編寫中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力。

1. NC代碼譯碼模塊開發(fā)

NC代碼的譯碼是數(shù)控系統(tǒng)的關鍵技術之一，在NC代碼譯碼模塊中將涉及到譯碼方式、代碼格式、譯碼具體流程、錯誤診斷、刀具長度/半徑補償、機床坐標系、系統(tǒng)參數(shù)等數(shù)控系統(tǒng)關鍵知識。本文以模塊的開放性為指導思想對該模塊進行開發(fā)，以便于學生理解和修改，使學生可以將新的G代碼指令、新的刀具補償算法等新功能添加到模塊中去，提高模塊的可維護性和升級性。

NC代碼的譯碼方式主要有兩種模式：解釋型和編譯型。解釋型譯碼模式實時地逐行翻譯、執(zhí)行G代碼，具體流程為譯碼器翻譯完成當前行G代碼后將得到的刀具路徑信息送去執(zhí)行，然后再進行下一條G代碼的譯碼，如圖2所示;編譯型譯碼模式譯碼器接受G代碼文件后，依次對其每一行進行翻譯處理直到文件末尾，最后生成一系列執(zhí)行步，再經(jīng)刀具補償?shù)慕y(tǒng)一處理后，生成最終的一系列執(zhí)行步并傳遞給相應模塊進行執(zhí)行，如圖3所示。

圖2 解釋型譯碼模式

圖3 編譯型譯碼模式

解釋類型譯碼模式下，如果上一運動段已執(zhí)行完畢，但是當前段還停留在譯碼階段，則會破壞加工的連續(xù)性，這就要求系統(tǒng)必須有很強的實時性。編譯類型譯碼模式下，譯碼與任務執(zhí)行是兩個獨立的任務，有明確的先后順序，所以譯碼是一個非實時的任務，由于本文使用的運動控制卡提供了連續(xù)插補功能，編譯型更適合本課題的譯碼任務。

譯碼模塊逐條讀取NC代碼文件，進行信息提取，并將提取到的信息壓入緩存中，其信息提取流程圖如圖4所示。首先去掉當前行的所有空格，并進行大小寫字母轉化處理，從而得到格式統(tǒng)一的便于讀取的新代碼行，然后初始化信息存儲結構體，為信息存儲做準備。下一步是按順序讀取各個由地址符和地址值組成的功能字[4，2]，首先讀取當前行號，即“n”的讀取，行號讀取結束后，根據(jù)函數(shù)指針數(shù)組和字地址的ASCII碼值，調(diào)用對應的讀取函數(shù)，完成功能字的讀取，比如接下來的字母為“x”，則調(diào)用函數(shù)read_x（）來讀取該功能字，如此按行號依次執(zhí)行，直到NC代碼文件末尾，將讀取信息存儲到block結構體中，整個過程伴隨著錯誤診斷。

圖4 信息提取流程圖

2.刀具補償模塊開發(fā)

刀具半徑補償和長度補償功能不僅解決了使用不同的刀具加工同一工件、刀具磨損等問題，而且方便了按照工件坐標系編制的NC程序的處理執(zhí)行，可以大大提高編程效率和加工效率，所以刀具補償功能是數(shù)控技術課程中的一個重要知識點。為了讓學生更好地理解刀具補償功能的基本原理和實現(xiàn)方法，本文開發(fā)了針對刀具半徑補償?shù)牡毒哐a償模塊。

對當前運動段進行半徑補償時，需要用到下一運動段的信息，二者共同決定了補償?shù)霓D接類型。如圖5所示，首先從隊列中提取相鄰兩個運動段分別放入緩存器R1、R2中，刀補函數(shù)參考R2中運動段對R1中當前運動段進行刀補處理，根據(jù)轉接類型，求解轉接節(jié)點坐標，生成新的執(zhí)行步并壓入處理后隊列尾端，然后再將緩存器R2中的運動段移入緩存器R1中，如此循環(huán)直到運動段隊列末尾。

圖5 刀具半徑補償?shù)膶崿F(xiàn)方法

3.人機界面的開發(fā)

人機界面是將數(shù)控系統(tǒng)各個模塊連接起來的橋梁，是用戶與數(shù)控系統(tǒng)信息交互的窗口，是學生學習過程中感受最為直觀的模塊，為了鍛煉學生的編程能力，提高學生對課程的學習興趣，本文將數(shù)控系統(tǒng)各個模塊的程序接口都開放出來，使學生可以利用MFC等工具自行編寫人機界面，從而實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的控制。本文開發(fā)的人機界面如圖6所示。

圖6 數(shù)控系統(tǒng)人機界面

三、結語

本文緊密結合我國制造業(yè)在學校教學過程中的實際需要，對數(shù)控技術課程具體教學內(nèi)容在實踐課程中的體現(xiàn)方式進行了研究，開發(fā)了基于運動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)實驗教學平臺，不僅實現(xiàn)了教學模式的創(chuàng)新，更深入到教學內(nèi)容層面，將數(shù)控技術重要知識點在本文開發(fā)的實驗平臺上實際展現(xiàn)出來，給學生創(chuàng)造了主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的機會，提高了學生的學習興趣，鍛煉了學生的動手、動腦的能力，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 盛斌， 魏方. 中國制造2025[J]. 中國海關， 2014， 8： 053.

[2] 趙秋艷. 2014年數(shù)控機床需高端發(fā)力穩(wěn)固中端[J]. 裝備制造， 2014， 4： 048.

[3] 鄭德星. 高校本科數(shù)控技術教學改革探索[J]. 考試周刊， 2012 （46）： 128-129.

[4] 張紹杰. 項目教學法在數(shù)控教學中的應用[J]. 山東工業(yè)技術， 2014， 18： 217.

[5] 黨寅生. 數(shù)控車一體化教學方法的應用探討[J]. 中國機械， 2015 （2）.

[6] 韓德東. 數(shù)控原理的網(wǎng)絡教學系統(tǒng)開發(fā)[J]. 實驗室研究與探索， 2010， 7： 019.

[7] 韓德東， 付云忠， 韓振宇， 等. 基于開源數(shù)控系統(tǒng)的實驗教學[J]. 課程教育研究， 2014 （33）： 172-174.