基于“開放式數(shù)控系統(tǒng)”的機(jī)械工程專業(yè)碩士實踐教學(xué)設(shè)計

彭寶營

摘 要：較強(qiáng)的機(jī)械裝備研發(fā)能力是機(jī)械工程專業(yè)碩士培養(yǎng)的重要目標(biāo)，開放式系統(tǒng)具有二次可開發(fā)性、柔性及良好的適應(yīng)性，在機(jī)械裝備的開發(fā)中應(yīng)用日益廣泛。將開放式系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)碩士實踐教學(xué)，從復(fù)雜零件數(shù)控編程、PLC控制、數(shù)控插補(bǔ)、傳感器伺服控制、控制界面二次開發(fā)等角度，開展實踐型實驗教學(xué)設(shè)計。為提高機(jī)械工程專業(yè)碩士研發(fā)能力、培養(yǎng)“產(chǎn)學(xué)研”一體化人才、完善機(jī)械工程專業(yè)碩士實踐教學(xué)體系提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)械工程 專業(yè)碩士 實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0120-03

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，由于缺乏實踐能力，傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)型碩士的培養(yǎng)已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)設(shè)備的發(fā)展需求，社會在工程等專業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω邔哟巍?應(yīng)用型專門人才的需求越來越強(qiáng)烈。在這種情況下，專業(yè)碩士應(yīng)運而生。專業(yè)學(xué)位研究生教育的核心目標(biāo)是培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才， 滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高級專門人才的迫切需要。專業(yè)學(xué)位研究生教育是以職業(yè)為依據(jù)，培養(yǎng)從事實際工作的高層次應(yīng)用型、復(fù)合型“實用專家級”人才[1] 。而機(jī)械工程學(xué)科是最具綜合性和工程實踐特征的工科學(xué)科之一，“機(jī)械工程”專業(yè)碩士主要目標(biāo)是培養(yǎng)具有專業(yè)基礎(chǔ)知識與專業(yè)技能， 能在生產(chǎn)一線從事機(jī)械工程專業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計制造、控制開發(fā)、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理等工作的應(yīng)用型高級專門人才[2]。要達(dá)到這樣一個培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)實踐是必不可少的重要環(huán)節(jié)，充分的、高質(zhì)量的專業(yè)實踐是專業(yè)學(xué)位教育質(zhì)量的最重要保證[3]。

數(shù)控機(jī)床是機(jī)、電、液、氣、光高度一體化的產(chǎn)品[4]，數(shù)控技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，數(shù)控系統(tǒng)又是數(shù)控技術(shù)的核心。因此，基于數(shù)控系統(tǒng)的研究和教學(xué)是十分必要的。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)僅能進(jìn)行數(shù)控編程，結(jié)構(gòu)封閉、柔性差、不具備二次開發(fā)功能，即限制其在高端、柔性數(shù)控機(jī)床上的使用，也不利于機(jī)械工程專業(yè)碩士階段的實踐教學(xué)。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開放、柔性高、成本低、升級擴(kuò)展容易、投資風(fēng)險性小和可以引入最新的PC軟硬件技術(shù)等優(yōu)點[5]，已成為新一代數(shù)控技術(shù)的主流。在開放式數(shù)控系統(tǒng)中，工業(yè)PC機(jī)+開放式運動控制器形式的開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的開放式數(shù)控系統(tǒng)。在現(xiàn)在市場上該類開放式數(shù)控系統(tǒng)中，美國Delta Tau公司的PMAC[（Programmable Multiple-Axis Controller）運動控制器，基于PC 機(jī)平臺，是一個完全開放的系統(tǒng)，是目前功能最為強(qiáng)大，開放性最高、靈活性最好的一種控制系統(tǒng) [6]。利用PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，將其應(yīng)用于機(jī)械類專業(yè)碩士現(xiàn)代制造工程技術(shù)實踐教學(xué)，為提高機(jī)械類專業(yè)碩士的實踐能力及研發(fā)能力提供基礎(chǔ)。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)碩士的培養(yǎng)計劃、開放式數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)械工程行業(yè)特點，從復(fù)雜零件數(shù)控編程、PLC控制、數(shù)控插補(bǔ)、傳感器伺服控制、控制界面二次開發(fā)等角度，開展實踐型實驗教學(xué)設(shè)計。使學(xué)生在掌握實際設(shè)備開發(fā)技能的同時，掌握科學(xué)研究的方法，提高學(xué)生獨立思考及解決實際問題的能力。

1.1 復(fù)雜零件數(shù)控編程實驗

數(shù)控加工是機(jī)械工程專業(yè)最具實踐性的課程，是多學(xué)科知識的融合。在研究生階段，數(shù)控編程學(xué)習(xí)的重點已經(jīng)不是由直線和圓弧構(gòu)成的簡單輪廓加工編程，而是復(fù)雜輪廓零件的計算機(jī)輔助編程模塊開發(fā)。為鍛煉專業(yè)碩士的實踐能力，將微分幾何、數(shù)值計算相結(jié)合，利用開放式數(shù)控系統(tǒng)，開展復(fù)雜型線零件自動編程模塊開發(fā)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計。

凸輪具有型線復(fù)雜、種類繁多的特點，是復(fù)雜零件的典型代表。利用高級語言，根據(jù)凸輪設(shè)計參數(shù)完成凸輪廓型計算，生成加工坐標(biāo)。運用PMAC系統(tǒng)自帶的Pmac Plot32 Pro采集軟件，采集凸輪加工實際坐標(biāo)，得到凸輪廓形曲線如圖1所示，可根據(jù)該圖形驗算自動編程計算的準(zhǔn)確性。

1.2 PLC控制編程實驗

與應(yīng)用于過程自動化的專用型PLC不同，數(shù)控系統(tǒng)的PLC屬于內(nèi)嵌式，主要處理設(shè)備本身的邏輯運動控制。而開放式數(shù)控的PLC進(jìn)一步縮小了PLC程序與運動之間的區(qū)別，PLC可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動、在線參數(shù)設(shè)置、過程計算及運動程序觸發(fā)等功能。

PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)自帶的PLC功能，其工作原理同于在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的PLC。但它又不同于其他PLC，它的編程方式不是其他PLC的梯圖編程，而是采用類似于BASIC等高級語言的編程方式，無須專用編程器，更加靈活、方便，易于存儲，打印觀看和調(diào)試，并且起執(zhí)行速度遠(yuǎn)超過普通PLC。通過該環(huán)節(jié)實踐學(xué)習(xí)，可大大提高研究生的邏輯思維能力和機(jī)械裝備研發(fā)能力。運用VC++，開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)PLC控制編程界面如圖2所示。在該界面下，調(diào)整軟撥碼開關(guān)，可實現(xiàn)輸入信號狀態(tài)的切換，界面上的指示燈可以表示輸出的狀態(tài)，在程序窗口輸入PLC控制程序，可實現(xiàn)邏輯控制、運動控制、參數(shù)設(shè)置、程序調(diào)用等多項PLC高級功能的開發(fā)實訓(xùn)。

1.3 數(shù)控插補(bǔ)實驗

對數(shù)控系統(tǒng)輸入的基本數(shù)據(jù)，運用一定的算法計算，由數(shù)控系統(tǒng)實時地算出各個中間點的坐標(biāo)。即需要“插入補(bǔ)上”運動軌跡各個中間點的坐標(biāo)，通常將這個過程稱為“插補(bǔ)”，插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)的重要功能指標(biāo)。目前，新的插補(bǔ)算法層出不窮，已成為數(shù)控技術(shù)的研究熱點。針對插補(bǔ)開展實踐教學(xué)，將有力地加強(qiáng)研究生對數(shù)控系統(tǒng)、運動控制的理解能力。

PMAC系統(tǒng)具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)和PVT插補(bǔ)功能，插補(bǔ)算法是已經(jīng)封裝好的，只需一條指令即可實現(xiàn)。但為了讓學(xué)生能夠更清楚地了解插補(bǔ)的原理，設(shè)計插補(bǔ)原理教學(xué)環(huán)節(jié)，采用編制一個運動程序的方法來分解插補(bǔ)原理，圖3為，利用PMAC系統(tǒng)，開發(fā)、采集的逐點比較法直線插補(bǔ)軌跡。

1.4 傳感器伺服控制實驗

隨著對設(shè)備工藝要求的提高，需要運動控制系統(tǒng)還要控制設(shè)備運行的力、轉(zhuǎn)矩、加速度等信息的直接控制，以及這些被控量的混合控制。例如，數(shù)控加工過程中的切削力控制、紡織行業(yè)的張力控制、機(jī)器人控制、液壓行業(yè)的液力伺服控制等。位置、速度以外傳感器閉環(huán)伺服控制，是開放式數(shù)控系統(tǒng)的重要功能，該功能涉及控制工程、伺服技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)等多個環(huán)節(jié)，可提高研究生的綜合實踐能力。

傳感器伺服控制主要有伺服環(huán)級聯(lián)與自定義伺服算法兩種方式實現(xiàn)。由于張力傳感器應(yīng)用場合較多，因此選擇張力作為控制目標(biāo)，根據(jù)PMAC系統(tǒng)傳感器伺服控制原理，開展研究生傳感器伺服控制實驗設(shè)計。將張力信號作為系統(tǒng)輸入，通過對運行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到力與速度的混合控制，并保持系統(tǒng)張力的穩(wěn)定。利用PMAC系統(tǒng)，進(jìn)行的張力控制效果如圖4所示。

1.5 上位控制軟件開發(fā)實驗

與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比，開放是系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是可以方便地運用高級語言二次開發(fā)，用戶可以嵌入自己的CAM算法，便于復(fù)雜工藝裝備的開發(fā)。PMAC系統(tǒng)支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高級語言二次開發(fā)[7]。

進(jìn)行基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的控制界面二次開發(fā)，將有效鍛煉專業(yè)碩士研究生的高級語言編程的能力、提高其對數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的理解和認(rèn)識。為提高學(xué)生的自主性，上位編程語言不指定，由學(xué)生根據(jù)自身特長任選。添加系統(tǒng)自帶動態(tài)鏈接庫后，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，可方便的開發(fā)出具有顯示、下載、編輯、加工坐標(biāo)計算等功能的控制界面，圖5為利用Visual C++6.0開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)控制界面。

2 結(jié)語

開放式數(shù)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大，是未來數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向，將其應(yīng)用于機(jī)械工程專業(yè)碩士實踐教學(xué)，將有效提高專業(yè)碩士的綜合實踐能力和實際設(shè)備開發(fā)能力。但開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用復(fù)雜，短時間掌握難度較大，相關(guān)教學(xué)方法及教學(xué)體系有待進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

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