基于开放式数控技术的柔性实验教学平台的构建 - 文章

基于开放式数控技术的柔性实验教学平台的构建

作者：于万成王桂莲

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目前，数控技能人才的匮乏在我国已是不争的事实，这已引起了国家的高度重视，刚刚举办的首届全国数控技能大赛，就是对此最好的诠释。加速培养高技能的数控人才，已经牵动了业界每位有识之士的心，人们在为此探索……

一、引言

数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正朝着开放化、网络化、柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放式数控技术的优势。系统的开发可以在统一的、标准的、通用的软硬件平台上面向用户，通过改变、增加或裁减结构对象，形成系列化，并可方便地将用户的特殊要求和技术集成到控制系统中，它具有以下特性：一是可扩展性，系统可以灵活地增加硬件设备控制接口来实现功能的拓展和性能的提高；二是可互操作性，控制器应能与一个或多个计算机进行信息交流；三是可移植性，在不增加硬件结构的前提下，利用现有的底层结构模块，通过配置和编译控制软件来实现系统的自定义；四是可增减性，系统的性能和功能根据实际需求方便地增减。

数控技术是一个综合性很强的学科，是集精密机械制造技术、工业设计、计算机技术、自动控制技术、传感检测技术、信息处理技术、伺服驱动技术和网络技术于一体，是适用性、实践性很强的一个技术领域。在传统的教学过程中，由于数控系统的封闭性，再加上数控设备价格昂贵，学校购置的设备数量有限，每个学生的独立动手实际操作机会很少，实验教学只能按老师的要求和实验台的功能进行，实验的数量和质量受到极大限制，无法根据社会对人才的需求来培养适销对路的人才。在整个实验教学中缺少一个贯穿于整个数控技术领域中实验、培训、开发的环境，从数控人才培养系统规划的高度来实现数控技术能力素质培养的目标。

本文正是基于开放数控技术的先进理念，针对于数控技术培养模式的局限性，基于开放式数控技术所涉及到的技术层面和社会对数控人才规格的要求，建立一个柔性实验教学平台：可反复重构的硬件、软件构成积木式柔性实验教学平台，为学生营造一个开放式数控实验教学平台。在这里学生可以根据教学要求进行基础性的实验，基本的加工操作，数控机床加工的编程、仿真与操作，机床的维修，数控技能的考核，数控实验的开发，数控系统的工程设计等。系统可根据人才的规格要求和学分制的要求进行不同层次组合。

二、数控技术人才培养的层次和能力要求

根据技术发展的规律和需求，数控技术类人才和其他技术人才一样，人才的培养是根据社会、企业不同的需求而分层次的。由于数控技术的复杂性，一般来讲，数控技术根据企业需求分三个层次，如图1所示。

图1 数控人才规格及知识能力要求

1.“蓝领层”数控技术人才
这一层次的人才要求在生产岗位上承担数控机床的具体操作及日常简单维护工作。要求掌握数控机床结构的基本知识和机械加工与数控加工的工艺知识，具备数控机床的操作、日常维护和手工编程的能力，了解数控加工的自动编程。

2. “灰领层”数控技术人才
这一层次的人才要求承担数控加工工艺的编程，数控机床的维护与维修。要求掌握数控加工工艺专业知识和一定的模具制造基础知识，具备数控机床的操作、日常维护和手工编程的能力，能运用CAD/CAM软件进行三维造型和自动编程；掌握数控机床的工作原理和结构知识，掌握主要数控系统的特点、接口技术、PLC、参数设置和机电联调知识，具备数控机床的操作、手工编程和数控机床的机械和电气的调试和维修能力。

3. “金领层”数控技术人才
这一层次的人才要求在掌握操作和维护的基础上，能对具体的数控系统，根据需要进行必要的二次开发，使现有系统的功能更加完善和具有针对性。精通数控机床的机械结构设计和数控系统的电气设计，掌握数控机床的机电联调的方法。自行完成数控系统的选型、数控机床的安装、改造、维修和精度优化，掌握网络技术。

三、柔性实验教学平台的建立

在数控人才的培养过程中，实验、实训教学起着决定性的作用，学生技能的形成、数控机床的维修、改造以及二次开发，都离不开实验室的支撑。在一些高校，教师基本上都是以实验室为单位来划分工作职能的。因此，搭建好数控技术实验平台显得非常重要，本文从硬件和软件两方面来论述如何搭建柔性实验教学平台。

1.数控技术人才知识结构平台

首先根据人才培养规格来设计数控知识结构模块，然后在此基础上来设计软硬件平台，具体内容如图2所示。

结构平台中各模块的作用：
(1)文化基础模块：主要是培养数控人才的文化基本素质，是学好专业文化知识和技能形成的基础，也是个人提升层次、转岗、变岗的基础，应保证打好文化基础。
(2)机械制造技术模块：是学习领会数控专业知识的基础，它包括金属材料与热处理、切削原理及刀具、机床夹具、机制工艺等方面的知识。
(3)电气控制技术模块：主要包括电气控制的基础知识、电工与电子、气压与液压知识、PLC编程技术知识、传感检测知识等。
(4)数控机床原理与结构模块：主要包括传统数控机床及现代开放式结构数控机床的组成、工作原理、插补原理、控制原理、步进电机与伺服电机的工作原理、主轴变频与调速原理，运动轨迹设计方法和数控机床各部分结构等方面的知识。
(5)数控机床编程与操作模块：主要包括数控机床编程的基本知识、数控加工的工艺分析与处理、数值计算、数控刀具的选用、典型数控系统的编程指令含义、机床操作方法、手工编程与自动编程方法等知识。
(6)数控机床维护与维修模块：主要包括数控机床的日常维护与保养、数控机床的故障诊断方法、数控机床的维修方法、普通机床的数控技术改造等知识。
(7)数控机床开发与设计模块：主要包括数控机床的机械设计和数控系统的电气设计、数控机床机电联调、开放式数控系统的软硬件设计和数控系统的开发等知识。
(8)网络技术应用模块：主要介绍了校园局域网和互联网的开发应用知识、网络管理等知识。

2. 硬件实验平台的搭建

通过对上述人才知识结构的分析，便可构建柔性实验教学硬件结构平台，如图3所示。

各实训室与实验室的功能为：

(1)金工实训室：由台虎钳、普通车床、普通铣床、常用的工检量具等组成，学生可以进行钳工训练，学会锯、锉、钻、铰、攻丝等技术，学会车床、铣床的基本操作，工量具的使用方法等知识。
(2)电气控制实验室：主要由电工实验系统、电子实验系统、电器控制电路板、可编程控制器控制系统、液压传动实验台、气压实验台等。为学生提供电工、电子训练操作，提供液压、气压控制技术训练，提供PLC编程训练和传感器应用技术训练。
(3)计算机应用实训室：由若干台计算机和一台投影机组成，为学生提供常用操作系统和基本软件的使用训练、计算机组装训练、计算机程序设计训练和网络维护训练等。
(4)数控原理与维修实验室：主要由传统FANUC、SIEMENS系统和开放式数控系统实验台组成。学生可以学习数控机床机械本体的组成、结构、原理，学习数控机床的主传动系统、进给传动系统、自动换刀装置的维修与调试；学习数控系统的组成、原理，学习开放式数控系统的软硬设计方法，学习数控系统的插补原理；学习伺服系统工作原理、步进电机、伺服电机、速度控制单元的原理、以及它们的维修与调试。
(5)数控车床实训室：主要由多台FANUC、SIEMENS、TDNC和华中系统的生产用数控车床和教学用模拟车床组成。学生可以进一步了解数控车床的结构，各种数控车床的操作方法，手工编程的方法，有针对性地进行实物加工，并进行数控车床中级技能考试。
(6)数控铣床实训室：主要由多台FANUC、SIEMENS、TDNC和华中系统的生产用数控铣床和教学用模拟铣床组成。学生可以进一步了解数控铣床的结构，各种铣床的操作方法，有针对性地进行实物加工，并进行数控铣床中级技能考试。
(7)加工中心实训室：主要由2台或多台FANUC、SIEMENS系统的小型加工中心组成。学生可以学习加工中心的操作，可以将手工编程或自动编程的程序传给加工中心，进行实物加工，进行技能考试。
(8)数控电加工机床实训室：由一台电火花机床和线切割机床，学生可以学习机床的工作原理、基本结构和操作方法。
(9) CAD/CAM实训室：由50台计算机和一台投影仪等教学仪器组成，由内部局域网联网管理，并配有数控车床、数控铣床、加工中心等自动编程软件和数控仿真加工系统软件，能够配合计算机绘图、机械CAD/CAM 技术应用等课程的理论教学，为学生提供机械CAD/CAM专业软件操作的学习和数控机床的模拟操作等方面的实训环境。数控加工仿真系统以虚拟现实技术来全程模拟数控加工中学生需要掌握的准备、装、夹、测量、检查、加工全过程，为学生提供从数控编程到数控车床、数控铣床、加工中心数控加工的模拟训练。
(10)数控技术研发实验室：由计算机和一些电气控制元件、接口板、控制卡、驱动单元、步进和伺服电机、小型机床本体等组成，主要为教师和水平较高的学生提供开发、设计、改造数控系统和机床的场所，搭建开放式数控系统硬件平台，用VC或VB编写上层具有交互功能的软件和用系统提供的C语言进行下层运动控制软件的编写。同时可进行一些机电一体化实验。

3. 软件实验平台的搭建

为了保证人才培养方案的顺利实施以及硬件实验平台的正常运转，做到统一协调，有条不紊，柔性实验教学软件平台包括以下内容。如图4所示。

图4 柔性实验教学软件平台

(1) 数控教学管理软件：负责理论与实践教学计划的管理，监督整个柔性实验教学平台的运转情况，检查一体化教学执行的情况。每个实验室的工作计划在学期开始之前就输入管理系统中。
(2) 专业应用软件：根据数控技术人才规格培养的要求，应配套相关的正板专业软件，如AutoCAD、CAXA、Master CAM、Pro/ENGINEER、CIMATRON、UG等，到统一管理、随时维护。
(3) 仿真系统软件：根据教学需要配套相关的数控加工仿真系统软件，利用计算机三维造型以及多媒体技术，通过对仿真机床的操作，使学生熟悉机床操作面板上各按键的功能，熟悉数控系统的基本功能和操作。
(4) 学生考核评价软件：本软件主要负责学生考核成绩的管理。根据不同层次人才规格及学分制的要求，给学生建立个人档案，建立一种新型的培养质量评价方法，采取计算机统一考试、统一评分，现场测试、操作、现场打分的考试办法，着重考核学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，鼓励参加技能考试和比赛，并给予奖励和学分。
(5) 数控系统开发软件：是一个基于PC机系统的统一资源管理配置、开发和调试的环境，满足从系统规划、控制策略、人机交互和扩展应用等方面所要求的开发环境，由多个功能模块组成，既包括内嵌的功能单元，又包括可与第三方软件进行通信和数据交换的接口。这样，可以使得系统软件灵活地集成到别的软件中去或将其他的优秀的组件集成到统一的开发环境中来，给开发设计人员提供平台和工具，如SinglaStep on Chip软件。
(6) 网络管理软件：负责管理校园网、局域网的正常运行。

四、柔性实验教学平台的实时控制

数控人才的培养离开了实验教学平台的支撑，将变成一句空话。尤其是在大力倡导一体化教学的今天，单纯的理论授课模式已经成为过去，将理论课程搬到实验室边讲边练将成为时尚。柔性实验教学平台的建立有助于学生在短时间内形成技能，更有助于不同层次数控人才的培养，为他们提供教学、实验、室训、实习场地。如何有效地使用、管理柔性实验平台是教学取得成功的关键。应做到以下几点：
(1) 由于数控人才的规格不同，它所要求的知识结构也不同，因此在启用平台时，应有计划、有目的、有层次，做到柔性组合，避免造成资源的浪费。
(2) 使用教学平台应建立一套完善的运行机制，做到室室有规章、有维护，整个教学活动紧扣主题，提前做好实验室使用的计划，避免发生冲突。
(3) 在实验教学过程中，教学主管领导应随时监控各实验室的运转情况，不断加强考核、加强管理，进行教学质量控制与检测。
在柔性实验平台的运转过程中，应不断提高实验室的利用率，并加强与厂家的合作。一方面利用设备齐全的优势，为企业培养数控人才，另一方面，利用厂家设备先进的优势培养学生、教师，把工厂作为柔性实验平台的一部分，实现优势互补。

五、结束语

基于开放式数控技术的柔性实验平台的建立，给学生和教师提供了一个优化的学习、教学和科研的环境。平台的建立充分考虑了不同层次学生的认知水平以及已有知识、技能、经验和兴趣，使他们能够在一定的程度上根据需求选定具体的目标、学习进度、学习资源和方法。为每个学生提供适应劳动力市场需求和有职业发展前景的、模块化的学习环境，既培养了学生岗位实际工作能力，又为学生今后的就业和发展打下了坚实的基础。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/16/2004)


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