开放式数控系统实验教学平台的开发
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【摘要】为了提高数控技术实践课程的教学效果和学生的实践动手能力，本文结合数控技术课程中的重要知识点，开发了一种基于运动控制卡的开放式数控教学实验平台，并应用在数控技术实践课程教学中，取得了良好效果。
【关键词】开放式数控 实验教学 课程研究
【中图分类号】G424.31 【文献标识码】A 【文章编号】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
改革开放以来，我国制造业已经取得了显著的成就，但是仍然处于工业现代化的进程中，与发达国家相比还有相当大差距[1]。数控技术是现代制造业的核心技术，是机械制造自动化的重要基础技术，数控机床的品种、水平和生产制造能力，直接反映一个国家工业的综合实力。现阶段我国国产数控机床基本以低档经济型和中档普及型数控机床为主，高档数控机床市场份额的70%～80%、数控系统（普及型、高级型）的90%都被发达国家占领[2]。我国数控技术专业人才的缺乏是导致该现状的主要原因之一，最新调查显示，我国数控工程技术人才严重不足，尤其是专业知识层次较高并且具备一定动手能力的高级工程技术人才更显紧缺[3]。
数控技术课程是本科教学中机械类专业必不可少的重要课程，是一门多学科交叉，涉及机械设计、机械制造、电工电子学、计算机程序设计、自动控制原理、力学等多门学科知识，是一门理论性和实践性要求都很高的课程。其中数控技术实践课对实现课程教学目标起着重要的作用，是学生掌握数控机床基本操作技能，了解数控机床的基本机构原理，熟悉现代CAD/CAM自动加工技术的应用方法和基本流程的有效途径。是培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，以及启迪学生的创新思维、发掘其创新潜力的重要手段[3]。
由于数控技术课程的特殊性，目前本科学校对数控技术专业人才的培养，普遍缺乏一个系统的、全面的培养方案，虽然很多高校对数控技术课程教学模式进行了一系列改革和创新[4-7]，但是仅仅停留在教学模式或授课方式的调整创新层面，对于具体的课程内容规划以及重要专业知识点如何在教学中体现，相关的研究则非常少。
本文针对数控技术课程中数控机床本体结构原理、电气系统原理、控制系统原理、G代码译码、插补原理、运动控制、人机界面等重点知识点的讲授问题，设计搭建了基于运动控制卡的开放式数控系统实验平台，编写了相应的教学用数控软件系统，并应用在数控实践课程教学中。
一、数控实验平台硬件系统设计
1.机床本体结构设计
传统数控技术实验教学中，大多使用商业数控机床演示给学生看，但是商业数控机床机械结构大都有保护外壳，学生无法观看其内部结构组成，所以为了将数控机床机械结构展现给学生，本文自行设计了数控机床的机械本体。学生可以从对机床机械本体的参观和学习中，学习到数控机床坐标系的设置、工作台驱动原理、进给轴限位和回原点原理等基础知识。
数控实验平台机床机械本体采用传统三轴铣床结构，XY轴工作台采用双座标工作台，Z轴工作台采用单轴工作台，每个轴都对应安装了限位开关和原点开关。工作台工作行程150mm，滚珠丝杠导程4mm。工作台滚珠丝杠与伺服电机之间采用联轴器连接。
2. 电气系统设计
PC机和数控系统的结合使数控技术有了很大的发展，给数控系统提供了更多的软件工具和硬件资源，目前基于PC的开放式数控系统的主流结构形式主要有以下几种：PC嵌入NC板卡、NC板卡嵌入PC、PC+SoftCNC。由于本实验平台主要用于本科生和研究生的数控技术实验教学，可以让学生认识并实际编程实现数控系统特定功能，所以开发的实验平台复杂程度要易于教学，还应该保证平台安全可靠防止学生在做实验时造成事故。结合这些因素，对上述三种结构进行了对比分析，认为“NC板卡+PC”结构更适合用来开发实验平台，所以本文选用运动控制卡和普通PC机来搭建实验平台的控制系统。实验平台电气系统结构如图1所示。
图1 电气系统框架图
通过实际对实验平台电气系统的接线练习，学生可以真实地了解到数控系统的控制系统和电机驱动系统的结构组成，从而对数控系统控制信号的产生到执行这一过程有了一个直观的认识，同时锻炼了学生的动手能力。
二、实验平台数控系统软件设计
传统数控实验课程中，多使用校友或企业捐赠的老旧数控机床作为实验平台，使用FANUC、西门子或华中数控等商业数控系统，由于商业数控系统的封闭性，只能教学生学习怎样使用数控系统，而不能对数控系统底层的基本原理进行实验教学。针对这一问题，本文开发了基于运动控制卡的数控实验平台控制系统，从而使学生可以从源代码级别学习了解数控系统程序原理，更加深刻地理解NC代码译码、刀具补偿、插补原理、运动控制等数控系统课程的关键知识点。通过基本算法的编程实验，培养学生的程序思维，在程序编写中培养发现问题，解决问题的能力。
1. NC代码译码模块开发
NC代码的译码是数控系统的关键技术之一，在NC代码译码模块中将涉及到译码方式、代码格式、译码具体流程、错误诊断、刀具长度/半径补偿、机床坐标系、系统参数等数控系统关键知识。本文以模块的开放性为指导思想对该模块进行开发，以便于学生理解和修改，使学生可以将新的G代码指令、新的刀具补偿算法等新功能添加到模块中去，提高模块的可维护性和升级性。
NC代码的译码方式主要有两种模式：解释型和编译型。解释型译码模式实时地逐行翻译、执行G代码，具体流程为译码器翻译完成当前行G代码后将得到的刀具路径信息送去执行，然后再进行下一条G代码的译码，如图2所示;编译型译码模式译码器接受G代码文件后，依次对其每一行进行翻译处理直到文件末尾，最后生成一系列执行步，再经刀具补偿的统一处理后，生成最终的一系列执行步并传递给相应模块进行执行，如图3所示。
图2 解释型译码模式
图3 编译型译码模式
解释类型译码模式下，如果上一运动段已执行完毕，但是当前段还停留在译码阶段，则会破坏加工的连续性，这就要求系统必须有很强的实时性。编译类型译码模式下，译码与任务执行是两个独立的任务，有明确的先后顺序，所以译码是一个非实时的任务，由于本文使用的运动控制卡提供了连续插补功能，编译型更适合本课题的译码任务。
译码模块逐条读取NC代码文件，进行信息提取，并将提取到的信息压入缓存中，其信息提取流程图如图4所示。首先去掉当前行的所有空格，并进行大小写字母转化处理，从而得到格式统一的便于读取的新代码行，然后初始化信息存储结构体，为信息存储做准备。下一步是按顺序读取各个由地址符和地址值组成的功能字[4，2]，首先读取当前行号，即“n”的读取，行号读取结束后，根据函数指针数组和字地址的ASCII码值，调用对应的读取函数，完成功能字的读取，比如接下来的字母为“x”，则调用函数read_x（）来读取该功能字，如此按行号依次执行，直到NC代码文件末尾，将读取信息存储到block结构体中，整个过程伴随着错误诊断。
图4 信息提取流程图
2.刀具补偿模块开发
刀具半径补偿和长度补偿功能不仅解决了使用不同的刀具加工同一工件、刀具磨损等问题，而且方便了按照工件坐标系编制的NC程序的处理执行，可以大大提高编程效率和加工效率，所以刀具补偿功能是数控技术课程中的一个重要知识点。为了让学生更好地理解刀具补偿功能的基本原理和实现方法，本文开发了针对刀具半径补偿的刀具补偿模块。
对当前运动段进行半径补偿时，需要用到下一运动段的信息，二者共同决定了补偿的转接类型。如图5所示，首先从队列中提取相邻两个运动段分别放入缓存器R1、R2中，刀补函数参考R2中运动段对R1中当前运动段进行刀补处理，根据转接类型，求解转接节点坐标，生成新的执行步并压入处理后队列尾端，然后再将缓存器R2中的运动段移入缓存器R1中，如此循环直到运动段队列末尾。
图5 刀具半径补偿的实现方法
3.人机界面的开发
人机界面是将数控系统各个模块连接起来的桥梁，是用户与数控系统信息交互的窗口，是学生学习过程中感受最为直观的模块，为了锻炼学生的编程能力，提高学生对课程的学习兴趣，本文将数控系统各个模块的程序接口都开放出来，使学生可以利用MFC等工具自行编写人机界面，从而实现数控系统的控制。本文开发的人机界面如图6所示。
图6 数控系统人机界面
三、结语
本文紧密结合我国制造业在学校教学过程中的实际需要，对数控技术课程具体教学内容在实践课程中的体现方式进行了研究，开发了基于运动控制卡的数控系统实验教学平台，不仅实现了教学模式的创新，更深入到教学内容层面，将数控技术重要知识点在本文开发的实验平台上实际展现出来，给学生创造了主动参与、自主协作、探索创新的机会，提高了学生的学习兴趣，锻炼了学生的动手、动脑的能力，取得了良好的教学效果。
参考文献：
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