數(shù)控電火花機(jī)床IETM設(shè)計(jì)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(xué) 工程訓(xùn)練中心，北京 100081）

0 引言

數(shù)控實(shí)訓(xùn)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，目的在于提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。通過“211”工程建設(shè)，我校工程訓(xùn)練中心購(gòu)置了數(shù)控線切割、數(shù)控電火花機(jī)床等先進(jìn)設(shè)備，為學(xué)生數(shù)控實(shí)訓(xùn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。但數(shù)控電火花機(jī)床實(shí)訓(xùn)中存在以下問題：1）實(shí)訓(xùn)時(shí)間短，數(shù)控線切割及數(shù)控電火花加工只有一天時(shí)間。并且學(xué)習(xí)理論知識(shí)的時(shí)間比較多，幾乎占總課時(shí)的百分之七十，而試驗(yàn)、實(shí)際操作的時(shí)間僅占了百分之三十。2）數(shù)控設(shè)備相對(duì)較少。3）學(xué)生在機(jī)床上加工時(shí)，設(shè)備容易出現(xiàn)故障，例如斷絲。4）實(shí)習(xí)消耗過大：傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)模式，要求學(xué)校提供充足的資金來保障實(shí)習(xí)工位和材料消耗，但實(shí)習(xí)消耗過大，一直是困擾學(xué)校實(shí)習(xí)教學(xué)的因素之一。怎樣在時(shí)間緊、培訓(xùn)內(nèi)容多、設(shè)備少、故障多的情況下，快速維修、提高實(shí)訓(xùn)效果、培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，是數(shù)控實(shí)訓(xùn)中急需解決的問題。

目前數(shù)控電火花機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，大多數(shù)情況下是請(qǐng)生產(chǎn)廠家派維修人員來現(xiàn)場(chǎng)維修，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，所以我們應(yīng)提高自修能力，尤其應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生修理簡(jiǎn)單故障的能力。雖然生產(chǎn)廠家為我們提供了一些技術(shù)資料，如說明書、維護(hù)手冊(cè)、技術(shù)圖紙、故障手冊(cè)等，但這些技術(shù)資料大多是紙質(zhì)手冊(cè)或是較簡(jiǎn)單的PDF電子文檔。這些手冊(cè)在實(shí)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(shí)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修快速指導(dǎo)、快速培訓(xùn)的技術(shù)信息資源。

交互式電子技術(shù)手冊(cè)（IETM）是一個(gè)可用于裝備操作、維修、訓(xùn)練且能夠?yàn)殡娮语@示系統(tǒng)的終端用戶提供精心設(shè)計(jì)的、規(guī)格化的交互式視頻顯示內(nèi)容的信息包[3]。這種手冊(cè)的應(yīng)用將會(huì)提高數(shù)控電火花機(jī)床的維修效率，減少停機(jī)時(shí)間，提供給學(xué)生更多的訓(xùn)練時(shí)間，提高學(xué)生的實(shí)操水平。

本文采用交互式電子技術(shù)手冊(cè)（IETM）技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)，創(chuàng)建IETM的結(jié)構(gòu)框架，提出數(shù)控電火花機(jī)床IETM的設(shè)計(jì)方法，來消除傳統(tǒng)數(shù)控實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的弊端，促使實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行一系列的改革，使課程安排更合理，教學(xué)方法更科學(xué)，提高機(jī)床利用率。

1 數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)的特點(diǎn)

作為交互式電子顯示系統(tǒng)，數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)具備以下幾個(gè)特征[4]：

1）形象性。采用多種格式顯示技術(shù)信息，易于學(xué)生操作，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解能力。由于線切割加工時(shí)間較長(zhǎng)，學(xué)習(xí)實(shí)習(xí)已結(jié)束而工件還未加工出來?，F(xiàn)在通過數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)能創(chuàng)造一個(gè)與實(shí)際近乎相同的特性環(huán)境，學(xué)生可以從任意角度觀察數(shù)控電火花機(jī)床加工過程，毛坯變?yōu)槌善返倪^程形象生動(dòng)，并且節(jié)約了大量的時(shí)間。

2）交互性。以往的電化教學(xué)學(xué)生是被動(dòng)式、單向式，雖然直觀但不具備交互性。采用數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)，技術(shù)信息的元素之間相互關(guān)聯(lián)，學(xué)生可通過多種途徑訪問到自己所請(qǐng)求的信息，具有交互的信息支持和操作向?qū)?，能引?dǎo)學(xué)生熟悉數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程及數(shù)控機(jī)床的操作步驟。在此過程中學(xué)生可以獨(dú)立操作模擬機(jī)床，出現(xiàn)問題，可以快速查詢IETM，找到解決方法，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力，而不必?fù)?dān)心學(xué)生的安全。

3）安全性。采用數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)訓(xùn)不會(huì)因?yàn)閷W(xué)生操作失誤，對(duì)操作對(duì)象如儀表、元件、工件、刀具等造成實(shí)質(zhì)性損害，如撞刀、毛坯報(bào)廢等；更不會(huì)對(duì)學(xué)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(bào)，完全可以對(duì)學(xué)生操作錯(cuò)誤進(jìn)行提醒和糾正。

4）方便性。IETM可存儲(chǔ)于光碟或硬盤上，減少了技術(shù)資料的存放空間，提高了攜帶的便利性。IETM能夠通過無(wú)線電、網(wǎng)絡(luò)等通信媒介進(jìn)行傳遞，使技術(shù)資料的更新、運(yùn)輸和分發(fā)更加容易和快捷，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控電火花機(jī)床的遠(yuǎn)程技術(shù)培訓(xùn)。

5）高效性。IETM可代替一些過去需要在院校課堂培訓(xùn)的有關(guān)數(shù)控火花機(jī)床原理、使用、維修的內(nèi)容。由于IETM 技術(shù)提供的信息快捷、準(zhǔn)確、針對(duì)性強(qiáng)，即使是缺乏專門經(jīng)驗(yàn)和技能的人員也能在其引導(dǎo)下完成復(fù)雜機(jī)床的某些操作和維修任務(wù)，完成的效率遠(yuǎn)高于使用紙張型技術(shù)手冊(cè)且經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，從而可縮短整個(gè)培訓(xùn)周期，縮減培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的數(shù)量和規(guī)模，并且可以在很大程度上消除地理區(qū)域上的培訓(xùn)約束，可以邊工作邊進(jìn)行訓(xùn)練。

以上這5個(gè)特征都是紙質(zhì)技術(shù)手冊(cè)在信息化時(shí)代無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。同樣，IETM的這些特征也構(gòu)成了它在數(shù)控電火花機(jī)床數(shù)字化實(shí)訓(xùn)與維修中的發(fā)展空間。

2 數(shù)控電火花機(jī)床IETM的設(shè)計(jì)方法研究

根據(jù)數(shù)控電火花機(jī)床實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)，數(shù)控電火花機(jī)床IETM的設(shè)計(jì)采取標(biāo)準(zhǔn)化、互操作性、模塊化設(shè)計(jì)方法，這是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和發(fā)展方向。

2.1 IETM的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

IETM的核心問題是實(shí)現(xiàn)信息共享和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的互操作，而標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)信息共享的前提和基本保障。所以，IETM的開發(fā)工作必須在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格指導(dǎo)下才能進(jìn)行。如果自己隨意設(shè)計(jì)開發(fā)IETM，則易形成信息孤島，無(wú)互操作性和共享性[5]。

2007年7月，歐洲宇航與防務(wù)工業(yè)協(xié)會(huì)與美國(guó)航天工業(yè)協(xié)會(huì)、美國(guó)航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布了S1000D規(guī)范的最新版本3.0版。S1000D規(guī)范采用了ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和CALS及W3C的標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部信息以中立格式（XML）產(chǎn)生，使用模塊化概念，通用性強(qiáng)，適用于所有武器裝備和民用裝備用戶技術(shù)資料的出版活動(dòng)，支持以紙型和電子格式（如IETM）出版發(fā)布。該規(guī)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(lǐng)域的技術(shù)支持與服務(wù)中得到了應(yīng)用。由于國(guó)內(nèi)還沒有IETM 方面的標(biāo)準(zhǔn)，所以本文在設(shè)計(jì)數(shù)控電火花機(jī)床的IETM時(shí)，將按照S1000D規(guī)范3.0版的要求，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互操作性和共享性。

S1000D規(guī)范的重要特征是為IETM制作提供了一個(gè)開放系統(tǒng)描述方法，以數(shù)據(jù)模塊（DM）和通用源數(shù)據(jù)庫(kù)（CSDB）共同組織管理數(shù)據(jù)信息。CSDB和DM作為S1000D中的兩個(gè)核心概念，用來保證IETM實(shí)例間的信息共享和交換。

2.2 數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)

圖1 數(shù)據(jù)模塊的通用結(jié)構(gòu)

模塊化的設(shè)計(jì)思想貫穿于現(xiàn)代產(chǎn)品制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，S1000D中數(shù)據(jù)模塊化理念也是在模塊化思想驅(qū)動(dòng)下應(yīng)對(duì)現(xiàn)代復(fù)雜裝備信息管理的一種有效解決方案。S1000D使用數(shù)據(jù)模塊的概念，能從不同的方面來節(jié)省費(fèi)用，并能縮短IETM制作完成時(shí)間。首先DM的重用能夠降低技術(shù)手冊(cè)的生成費(fèi)用，傳統(tǒng)上，重用的概念局限于文檔級(jí)上，而S1000D強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是獨(dú)立的部件和零件，它能在零部件級(jí)的DM上進(jìn)行重用，這樣DM可以從一個(gè)項(xiàng)目復(fù)用到另一個(gè)項(xiàng)目中去，即在DM全部制作完成之前，已經(jīng)有大量的可用DM存在。當(dāng)裝備保障需求改變時(shí)，僅修改其中一個(gè)DM，即可影響到生成的技術(shù)文檔，這正符合了CALS戰(zhàn)略中“一次創(chuàng)建，多次使用”思想。其次，文檔的共享交換費(fèi)用也能夠被降低到最低，因?yàn)槲臋n的交換能夠在零件級(jí)上以DM交換的方式進(jìn)行，而不是在整個(gè)產(chǎn)品級(jí)上交換整個(gè)技術(shù)文檔。

根據(jù)結(jié)構(gòu)決定功能的原則，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)信息交互、共享、中性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)模塊的二維結(jié)構(gòu)。DM在使用過程中要能夠?qū)崿F(xiàn)下面的功能要求：一是DM能夠便于數(shù)據(jù)庫(kù)管理；二是便于信息內(nèi)容的檢索與查找；三是能夠被賦予變量來增強(qiáng)適用性；四是體現(xiàn)裝備保障主題的組合與排列。這些要求的實(shí)現(xiàn)必須使DM具備自我描述的能力。所以，每個(gè)數(shù)據(jù)模塊包含兩部分結(jié)構(gòu)：

第一部分為標(biāo)識(shí)狀態(tài)段，包含了DM的元數(shù)據(jù)信息，即DM的標(biāo)識(shí)信息(如編號(hào)、標(biāo)題、發(fā)行號(hào)、發(fā)行日期、所用語(yǔ)言等)和狀態(tài)信息(如保密等級(jí)、適用性、質(zhì)量保證狀態(tài)、更新原因等)。這些數(shù)據(jù)可以用于文檔類型管理、適用性管理、質(zhì)量控制程序管理、檢索和查詢管理等。在向用戶提供技術(shù)信息時(shí)，這部分內(nèi)容并不顯示。

第二部分為內(nèi)容段，包含了要顯示給用戶的文本信息，是文檔內(nèi)容的主體。S1000D3.0版根據(jù)文檔中所描述的信息內(nèi)容，將數(shù)據(jù)模塊分為13個(gè)類型，并為每個(gè)類型分別定義了DTD和Schema。

設(shè)計(jì)數(shù)控電火花機(jī)床IETM數(shù)據(jù)模塊時(shí)結(jié)合數(shù)控電火花機(jī)床實(shí)訓(xùn)的需要，以及考慮S1000D規(guī)范在我國(guó)的適用性，有選擇地采用了七類數(shù)據(jù)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(jì)劃、過程信息。不同類型的數(shù)據(jù)模塊擁有不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)容段，但擁有相同結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)狀態(tài)段，數(shù)據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。各個(gè)數(shù)據(jù)模塊之間使用數(shù)據(jù)模塊編碼（DMC）相互區(qū)分，可利用DMC管理整個(gè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模塊。

2.3 CSDB數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

所有的數(shù)據(jù)模塊均存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用通用源數(shù)據(jù)庫(kù)(CSDB)。S1000D規(guī)范中通用源數(shù)據(jù)庫(kù)是技術(shù)信息存儲(chǔ)與管理工具，它也被用于媒體輸出，用于生成紙質(zhì)或電子格式的出版物，它是實(shí)現(xiàn)信息“一次創(chuàng)作，多次使用”的核心基礎(chǔ)。CSDB存儲(chǔ)的信息對(duì)象主要包括：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)等。

本文使用Microsoft SQL Server 2000作為CSDB數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。它具有強(qiáng)大的XML數(shù)據(jù)操作能力，使用OPENXML語(yǔ)言解析XML文檔中的數(shù)據(jù)，自動(dòng)將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索XML元素，并重新組合為XML文檔。多個(gè)用戶都可以使用通用源數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)CSDB中存放的產(chǎn)品技術(shù)信息進(jìn)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(shù)據(jù)來源的惟一性。

圖2 部分實(shí)體類及類屬關(guān)系

圖3 系統(tǒng)界面

XML數(shù)據(jù)模塊存入CSDB，存儲(chǔ)規(guī)范，統(tǒng)計(jì)、并發(fā)事務(wù)處理技術(shù)成熟，但需要對(duì)XML文檔的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新組織，主要是通過增加一個(gè)映射層來管理XML數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，它是XML與數(shù)據(jù)庫(kù)之間轉(zhuǎn)換的橋梁。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)部分實(shí)體及聯(lián)系如圖2所示。

2.4 數(shù)控電火花機(jī)床IETM用戶界面設(shè)計(jì)

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(dòng)畫及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種形式顯示相關(guān)信息。界面采用左側(cè)目錄樹，右側(cè)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的顯示內(nèi)容方式，實(shí)現(xiàn)出版物模塊或數(shù)據(jù)模塊與相應(yīng)內(nèi)容的一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)結(jié)合顯示要求，實(shí)現(xiàn)上下步導(dǎo)航、數(shù)據(jù)顯示隱藏、超鏈接等功能。依托web頁(yè)面靈活顯示技術(shù)信息，以此增強(qiáng)IETM技術(shù)信息的理解和交互能力。本文設(shè)計(jì)的數(shù)控電火花機(jī)床交互式電子技術(shù)手冊(cè)系統(tǒng)界面如圖3所示。

3 結(jié)論

數(shù)控電火花機(jī)床IETM系統(tǒng)可以作為圖文并茂、聲像俱全的維修支持系統(tǒng)和進(jìn)行虛擬維修教學(xué)的交互式機(jī)床維修培訓(xùn)系統(tǒng)，用于現(xiàn)場(chǎng)維修的指導(dǎo)和操作與維修人員的培訓(xùn)，可使數(shù)控電火花機(jī)床的操作過程更加直觀、通俗，提高維修效率與質(zhì)量、培訓(xùn)效果與質(zhì)量，縮短維修與培訓(xùn)時(shí)間；IETM體積小、重量輕、便于攜帶，也可以通過無(wú)線電、網(wǎng)絡(luò)等通信媒介進(jìn)行傳遞，實(shí)現(xiàn)數(shù)控電火花機(jī)床維修的遠(yuǎn)程技術(shù)支持。數(shù)控電火花機(jī)床IETM的應(yīng)用對(duì)于提高數(shù)控電火花機(jī)床實(shí)訓(xùn)水平具有重大意義。

[1] 朱森第.加速制造業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程,努力提升制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2000,22(3):1-4.

[2] 蘇德清.可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè).北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.

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

[4] 杜曉明,王丹,常雷.集成化的交互式電子技術(shù)手冊(cè)技術(shù)研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,6.

[5] 顧秀君,解洪成.制作交互式電子技術(shù)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)化要求.江蘇船舶,2004,21(5):38–41.