網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控實(shí)驗(yàn)室的探索與研究

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命、或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)-信息物理系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

某學(xué)院工程訓(xùn)練中心結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，建設(shè)了數(shù)控智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)系統(tǒng)中，學(xué)生能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)操作、監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的加工，完成產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)制造的整個(gè)現(xiàn)代化生產(chǎn)流程。同時(shí)，該系統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)讓學(xué)生能夠?qū)W到現(xiàn)代制造方面的管理知識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀與建設(shè)目標(biāo)

目前該學(xué)院工程訓(xùn)練中心有數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心等多種數(shù)控設(shè)備，以及CAD/CAM/CAPP等軟件系統(tǒng)；但是硬件設(shè)備與軟件設(shè)備相對(duì)獨(dú)立，數(shù)控車床程序和加工中心程序采用計(jì)算機(jī)編程并通過串口傳輸NC程序，NC程序的管理和通訊比較混亂，不具備遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)交換，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)信息化系統(tǒng)的要求。

為此，訓(xùn)練中心采用數(shù)字加工網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)精心設(shè)計(jì)，選擇了一批硬件與軟件，圍繞著申報(bào)課題時(shí)提出的建設(shè)目標(biāo)和課程的需求，打造了一個(gè)小型的實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)，由實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)教師授課系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)構(gòu)成[1-3]，較好地體現(xiàn)了模塊化、分層次的工程訓(xùn)練培養(yǎng)計(jì)劃。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)是：1.實(shí)驗(yàn)室電腦與車間機(jī)床同步。通過網(wǎng)絡(luò)，電腦可以控制機(jī)床的各種操作，機(jī)床的操作可以同步顯示在電腦屏上，也可以顯示在實(shí)驗(yàn)室的大屏上。2.實(shí)驗(yàn)室的電腦與機(jī)床之間可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)機(jī)床執(zhí)行的各種參數(shù)實(shí)行修改。3.讓參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提前進(jìn)入到企業(yè)的管理角色。通過機(jī)床網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，查詢機(jī)床相關(guān)信息，如：機(jī)床狀態(tài)、使用效率、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、相關(guān)的報(bào)表分析、統(tǒng)計(jì)、排產(chǎn)、訂單等，根據(jù)學(xué)校的需求可以映射給外網(wǎng)（需要有用戶名和密碼）。這樣學(xué)院特定人群的手機(jī)和電腦上都能查詢到機(jī)床實(shí)時(shí)的相關(guān)信息。4.管理數(shù)據(jù)都可以通過實(shí)驗(yàn)室電腦或大屏幕以實(shí)時(shí)狀態(tài)圖的形式顯示。如：（1）所有機(jī)床狀態(tài)，斷電的、正在加工的、報(bào)修的、閑置的等；（2）開機(jī)率，每臺(tái)機(jī)床加工總時(shí)/通電時(shí)間的比值；（3）按時(shí)間段統(tǒng)計(jì)效率，年、月、日、時(shí)；（4）即時(shí)信息，打開機(jī)床的即時(shí)畫面，每8秒鐘刷新一次，顯示機(jī)床的即時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)、刀具狀態(tài)、利用率等表格；（5）歷史記錄查詢，機(jī)床若干時(shí)間每天的狀態(tài)記錄；(6)生產(chǎn)查詢，查詢每臺(tái)機(jī)床在一定時(shí)間范圍內(nèi)的加工數(shù)量、加工的程序名。

二、中心網(wǎng)絡(luò)方案

根據(jù)該學(xué)院中心數(shù)控機(jī)床的功能、運(yùn)行狀況，由于需遠(yuǎn)程控制機(jī)床，帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，考慮到無線信號(hào)的抗干擾能力差，因此，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃還是按照有線的方案來設(shè)計(jì)。建立了局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)卡通過光纖經(jīng)交換機(jī)與服務(wù)器相連，某一數(shù)控設(shè)備的故障不會(huì)影響其他數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行，確保了在惡劣環(huán)境下的正常工作。

每臺(tái)數(shù)控機(jī)床有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭和一組電流電壓采集設(shè)備，服務(wù)器電腦通過電流電壓采集設(shè)備來進(jìn)行機(jī)床的數(shù)據(jù)采集。服務(wù)器統(tǒng)一控制和管理數(shù)控設(shè)備，軟件采用廣州數(shù)控監(jiān)控與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)版，實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生電腦通過攝像頭和裝上電腦上的控制軟件來控制車間內(nèi)的機(jī)床，包括參數(shù)修改、傳輸文件、真實(shí)加工等。學(xué)生通過客戶端訪問車間的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，模擬車間的生產(chǎn)管理，如機(jī)床的使用效率，機(jī)床的生產(chǎn)情況，訂單的生產(chǎn)情況。

圖1 局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

三、數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制

1.遠(yuǎn)程控制。軟件在客戶端的屏幕上顯示與機(jī)床的控制系統(tǒng)界面一樣的虛擬操作界面，而且能夠同步，即機(jī)床上操作時(shí)，在電腦上的界面上的參數(shù)同樣跟著變化，同樣，在電腦虛擬操作界面中操作機(jī)床，這個(gè)操作也會(huì)在機(jī)床上發(fā)生作用（如圖2所示）。通過遠(yuǎn)程控制，可以完成輸入?yún)?shù)、對(duì)刀、換刀、運(yùn)行數(shù)控機(jī)床等操作。

圖2 計(jì)算機(jī)虛擬操作界面和機(jī)床操作系統(tǒng)

2.文件傳輸。具有相應(yīng)權(quán)限的操作人員，能夠通過網(wǎng)絡(luò)將電腦的文件放到機(jī)床中，也能把機(jī)床中的加工文件復(fù)制到電腦中，并顯示文件的大小、修改日期等，在加工時(shí)，選用相應(yīng)的加工文件，以加工出合格的產(chǎn)品。

3.數(shù)控程序經(jīng)CAD/CAM/CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生后，編輯、仿真、管理到最后發(fā)送到機(jī)床進(jìn)行加工，整個(gè)過程可遠(yuǎn)程完成，大大提高了效率。

四、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理

本系統(tǒng)包括監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和生產(chǎn)管理三大部分。每臺(tái)數(shù)控設(shè)備、每個(gè)客戶端均有單獨(dú)的代碼，加工的零件、圖紙和加工程序也有相應(yīng)的代碼，這些數(shù)據(jù)均保存在服務(wù)器中，由用戶在客戶端對(duì)這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，機(jī)床只是作為一個(gè)終端用于加工。每臺(tái)數(shù)控設(shè)備均可以按要求調(diào)用所需的加工程序,這樣可以提高各部門的工作效率[4]。

系統(tǒng)的每個(gè)用戶均有不同的權(quán)限，必須在登陸時(shí)輸入用戶名和密碼，只有系統(tǒng)管理員具有分配管理任務(wù)的權(quán)限，對(duì)不同崗位的人的操作權(quán)限進(jìn)行管理，也可以根據(jù)不同產(chǎn)品給予某些崗位特定的操作權(quán)限，使不同崗位的人員對(duì)不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)或程序具有與其責(zé)任相對(duì)應(yīng)的操作權(quán)限[5]，比如，有的崗位能進(jìn)行編輯文件，有的只能調(diào)用；有的能遠(yuǎn)程控制，有的則不行。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地知道數(shù)控設(shè)備的狀態(tài)、加工的產(chǎn)品、加工的進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無縫連接，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，有利于建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的柔性生產(chǎn)模式[6-7]。

五、教學(xué)實(shí)踐效果

網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程制造實(shí)驗(yàn)室的投入使用，使該學(xué)院的數(shù)控教學(xué)的水平有了很大的提高，也使學(xué)生受益良多。

1.培養(yǎng)出適應(yīng)先進(jìn)制造教學(xué)的教師隊(duì)伍。通過網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程制造實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，教師學(xué)習(xí)了現(xiàn)代工程的設(shè)計(jì)、制造理念，把握先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向，在學(xué)科理論與工程實(shí)踐能力有了較大的提高，有利于提高工程訓(xùn)練的教學(xué)水平。

2.采用了新的教學(xué)模式。網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程制造實(shí)驗(yàn)室使得產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)、工藝、制造等的教學(xué)成為可能，使學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)就能學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。

（1）設(shè)計(jì)：運(yùn)用CAD、Mastercam和Proe等繪圖軟件，學(xué)生可以完成零部件的設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)和數(shù)字組裝等，在設(shè)計(jì)過程中，可以提供國(guó)標(biāo)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)文檔和共享平臺(tái)。

（2）工藝：可以提供工藝文檔，如：CAD工藝圖表和工藝匯總，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上建立工藝檔案、材料清單和工藝參數(shù)等方面的內(nèi)容。

（3）制造：數(shù)控設(shè)備自動(dòng)編程的Mastercam軟件，包括數(shù)控車軟件、線切割軟件、雕刻軟件、數(shù)控銑軟件等。并且兼容不同數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床的無線網(wǎng)絡(luò)通信和聯(lián)接，如Fanuc、西門子等操作系統(tǒng)。

學(xué)生運(yùn)用軟件自動(dòng)編程，改變了數(shù)控實(shí)習(xí)中傳統(tǒng)的手工編程、手工輸入的固定模式，大大提高了效率。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有仿真的功能，程序在使用前，學(xué)生可對(duì)程序進(jìn)行實(shí)體仿真加工，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改，避免在實(shí)際加工中出現(xiàn)問題。數(shù)控程序經(jīng)檢查無問題后，傳送到數(shù)控機(jī)床，就可以進(jìn)行加工。網(wǎng)絡(luò)軟件還可以完成在線加工、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)軟硬件的無縫結(jié)合。

3.在數(shù)控教學(xué)中，初步構(gòu)建了課堂理論教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和數(shù)控實(shí)訓(xùn)的三段式的培養(yǎng)培訓(xùn)模式。教學(xué)內(nèi)容既可安排獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或技能訓(xùn)練項(xiàng)目，也可安排綜合的操作加工訓(xùn)練，靈活多樣，突出能力培養(yǎng)的訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

數(shù)字加工網(wǎng)絡(luò)智能實(shí)驗(yàn)室，打造了一個(gè)現(xiàn)代制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)，使同學(xué)們能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的運(yùn)用有一定的認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)出具有現(xiàn)代制造意識(shí)，能運(yùn)用現(xiàn)代科技知識(shí)解決工程問題的高素質(zhì)、有創(chuàng)新意識(shí)的人才。

4.在數(shù)控教學(xué)中增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不斷提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力[8]。在工程實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容中，大大增加了數(shù)控教學(xué)的設(shè)計(jì)比重，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新欲望，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，建立適應(yīng)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的柔性教學(xué)平臺(tái)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，在完成基本操作技能訓(xùn)練的情況下，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品、選取工藝參數(shù)及完成加工，系統(tǒng)地運(yùn)用他們學(xué)習(xí)的知識(shí)，驗(yàn)證自己的構(gòu)思，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，有利于培養(yǎng)他們的創(chuàng)造能力和綜合能力，提高了實(shí)踐教學(xué)的效果。

學(xué)生在實(shí)踐過程中對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝的選擇、制造流程有更深的認(rèn)識(shí)，教學(xué)效果不斷提高，從而使學(xué)生的綜合能力得到全面培養(yǎng)。

5.建立真實(shí)、先進(jìn)和充滿活力的工業(yè)環(huán)境。充分利用多學(xué)科工程滲透和集成，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)集創(chuàng)新思維和大工程意識(shí)為一體的綜合工程環(huán)境，加強(qiáng)了學(xué)生現(xiàn)代工業(yè)意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

生產(chǎn)管理軟件的運(yùn)用使學(xué)生有機(jī)會(huì)了解企業(yè)的運(yùn)營(yíng)，在真實(shí)的產(chǎn)品的制造中獲得實(shí)踐的機(jī)會(huì)，不但學(xué)習(xí)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造知識(shí)，還對(duì)企業(yè)的管理與運(yùn)營(yíng)有初步的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生在得到現(xiàn)代制造工程方面的訓(xùn)練的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)代生產(chǎn)管理體系有一定的了解，豐富了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

六、結(jié)語

該學(xué)院工程訓(xùn)練中心網(wǎng)絡(luò)化制造實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)集監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和生產(chǎn)管理為一體的系統(tǒng)，在教學(xué)過程中，為提高該學(xué)院的數(shù)控教學(xué)水平起到了積極的作用，使學(xué)生能夠在對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的運(yùn)用有一定的認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)出具有現(xiàn)代制造意識(shí)，能運(yùn)用現(xiàn)代科技知識(shí)解決工程問題的高素質(zhì)、有創(chuàng)新意識(shí)的人才。

工程訓(xùn)練中心網(wǎng)絡(luò)化制造實(shí)驗(yàn)室的建立，使該學(xué)院的工程訓(xùn)練教學(xué)充分體現(xiàn)了“三個(gè)轉(zhuǎn)化”和“一個(gè)結(jié)合”，即：由常規(guī)的金工實(shí)習(xí)和電子工藝實(shí)習(xí)向現(xiàn)代工程實(shí)踐教學(xué)的方向轉(zhuǎn)化；由單機(jī)技能的實(shí)踐教學(xué)向網(wǎng)絡(luò)條件下的實(shí)踐教學(xué)方向轉(zhuǎn)化；由單一的操作技能培訓(xùn)向綜合實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的方向轉(zhuǎn)化；以及工程訓(xùn)練的教學(xué)過程與教學(xué)產(chǎn)品相結(jié)合。這些方面的轉(zhuǎn)變都有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高工程訓(xùn)練的教學(xué)水平。

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