丁仕燕 金祥曙 黃志榮 毛建秋 劉祖朋

常州工學院 江蘇常州 213002

數(shù)控開發(fā)人才培養(yǎng)模式的探討*

丁仕燕 金祥曙 黃志榮 毛建秋 劉祖朋

常州工學院 江蘇常州 213002

本文在深入分析高質(zhì)量數(shù)控技術(shù)人才的社會需求基礎(chǔ)上, 提出了數(shù)控開發(fā)人才培養(yǎng)的教學內(nèi)容和教學方法。

數(shù)控技術(shù)；層次性；教學方法

數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，推動國民經(jīng)濟的各個產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，這些產(chǎn)業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是各行業(yè)發(fā)展的大趨勢，因此國家及各省市都把數(shù)字化裝備制造作為優(yōu)先發(fā)展的行業(yè)。因此，社會對數(shù)控設(shè)備開發(fā)人才的需求量越來越大，質(zhì)量要求越來越高，但是數(shù)控開發(fā)人才的短缺已嚴重制約數(shù)控技術(shù)在各行業(yè)的推廣應(yīng)用。為了提高人才培養(yǎng)速度和質(zhì)量，必須把實踐技能和理論知識相結(jié)合。本文討論了數(shù)控開發(fā)人才培養(yǎng)的教學內(nèi)容及其教學方法。

一、數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床的組成如圖1所示,一般包括輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動及位置檢測、機床電氣控制、機床本體等五大部分組成。其中數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制核心,它根據(jù)輸入的指令,進行譯碼、插補計算和位置控制,以實現(xiàn)數(shù)控功能。以前數(shù)控設(shè)備的數(shù)控功能是用專用計算機的硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),所以稱為硬件數(shù)控(NC)?，F(xiàn)在主要以計算機的系統(tǒng)控制程序來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能,所以稱為軟件數(shù)控(CNC)。

現(xiàn)代數(shù)控機床廣泛采用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置。PLC是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它與先進的微機控制技術(shù)相結(jié)合已發(fā)展成為一種嶄新的工業(yè)控制器，其控制功能已遠遠超出邏輯控制的范疇。它可靠性高、編程簡單、使用方便、靈活性好，并可利用其強大的網(wǎng)絡(luò)功能組成FMC、CIMS。數(shù)控機床的組成是各層次數(shù)控人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，這部分內(nèi)容教學應(yīng)在數(shù)控機床現(xiàn)場進行，增加學生對數(shù)控機床的感性認識，從而提高教學效果。

二、數(shù)控插補原理

數(shù)控機床中的數(shù)控系統(tǒng)根本作用是對機床運動的軌跡進行控制，復(fù)雜形狀零件加工是數(shù)控加工技術(shù)的重要應(yīng)用對象。一般情況下是已加運動軌跡的起點坐標、終點坐標和軌跡方程，由數(shù)控系統(tǒng)實時地計算出各個中間點的坐標。這需要通過數(shù)控系統(tǒng)計算運動軌跡各個中間點的坐標，這就是所謂的“插補”運算。

大部分數(shù)控教材都介紹了直線插補、圓弧插補、螺紋插補等插補算法，并舉例說明了插補運算過程，但是筆者認為，這些僅僅是紙上談兵式教法，為了使學生真正掌握插補原理，有必要讓學生在數(shù)控設(shè)備上自己編寫插補軟件來實現(xiàn)插補算法。在學習數(shù)控技術(shù)之前,學生已經(jīng)掌握C語言、Visual Basic編程軟件。為了提高插補速度，機床數(shù)控系統(tǒng)中插補任務(wù)一般采用匯編語言,因此難度大、工作量大。讓學生采用C語言或Visual Basic實現(xiàn)插補軟件可大大降低編程難度和工作量,同時可使學生加深對插補算法的理解。因此必須有一個插補實驗臺供學生使用,筆者在實驗室已有的XY移動工作臺基礎(chǔ)上設(shè)計了一種簡易插補實驗臺(見圖2),即在計算機中插入一塊I/0卡,通過I/0卡輸出脈沖信號控制驅(qū)動器以控制步進電機；步進電機驅(qū)動X、Y移動平臺移動，進而帶動繪圖筆畫出插補曲線。

該方案已經(jīng)實施并制造出樣機（見圖3），圖4為該樣機畫出的樣條插補曲線，圖中兩條曲線的插補脈沖當量分別用0.005mm、5mm。圖3中采用百分表的表架夾持筆，剛性稍差，導(dǎo)致繪圖過程中筆相對筆架的位置發(fā)生變動，因此筆架需從新設(shè)計。

三、基于PC的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

數(shù)控系統(tǒng)自從1946年在美國誕生了，已經(jīng)歷了三個階段：第一階段稱為數(shù)控（NC）階段，它以晶體管、分立元件數(shù)字電路或集成數(shù)字電路為基礎(chǔ)的硬件數(shù)控，因此系統(tǒng)擴展、修改困難。第二階段稱為計算機數(shù)控（CNC）階段，在該階段小型計算機用于數(shù)控系統(tǒng)，但是它采用的是專用的計算機、封閉式體系結(jié)構(gòu)，這種專用體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)導(dǎo)致各廠商控制系統(tǒng)之間不兼容，系統(tǒng)的封閉性使它的升級、改造困難，不能滿足制造業(yè)信息化的要求。第三階段稱為基于PC的開放式數(shù)控（PCNC）階段，其主要形式是NC嵌入PC，即在PC機的總線上插上具有NC功能的運動控制卡（見圖5）。

圖5中PC機完成數(shù)控系統(tǒng)軟件中的管理任務(wù),運動控制卡完成插補運算、位置控制等實時性任務(wù)。在Windows操作系統(tǒng)上,采用Visual Basic、Visual C++等可視化開發(fā)工具,可快速構(gòu)造出界面友好、功能強大的管理任務(wù)軟件模塊。開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的革命性飛躍，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是開放的,由于可充分利用PC機的軟硬件資源，系統(tǒng)軟硬件可隨著PC技術(shù)的發(fā)展而升級,而且用戶的二次開發(fā)也方便,開發(fā)周期大大縮短。PCNC已成為當今數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,必須把這部分新知識傳授給學生。

圖5 NC嵌入PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)典型構(gòu)成

為了培養(yǎng)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)人才,學校應(yīng)該建立數(shù)控技術(shù)研究室,其任務(wù)是：培養(yǎng)研發(fā)型數(shù)控人才,在此基礎(chǔ)上,逐步形成具有一定競爭優(yōu)勢的核心技術(shù)開發(fā)能力,與企業(yè)合作，走“產(chǎn)、學、研”相結(jié)合的道路。鼓勵教師在實驗室開展教學實驗、科研,并讓學生動手參與普通機床的數(shù)控改造,參與數(shù)控實驗設(shè)備的開發(fā)。

四、結(jié)束語

數(shù)控技術(shù)綜合了機械、電力電子、液壓、控制、軟件等多門學科的知識，因此數(shù)控人才的培養(yǎng)尤其是數(shù)控開發(fā)人才的培養(yǎng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須從上述各門學科基礎(chǔ)知識抓起。這要求：一方面，學生認真學好各門課程，任何急功近利、急于求成的思想都不利于高質(zhì)量數(shù)控人才的培養(yǎng)；另一方面，由于個人的精力、專業(yè)的限制，個人不可能對上述各門學科都精通，因此培養(yǎng)學生的團隊合作精神尤為重要。

[1]魏康民,聶建武.基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系的分析[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2007，5:53～55

[2]陳文革.關(guān)于建立開放式數(shù)控實驗室的思考.[EB/ OL]. (2006-7-8).http://www.zjucnc.com/Article/Class5/ Class19/200607/1390.html

Abstract: Based on analyzing the social demand of high-quality NC talents, teaching contents and teaching methods of the cultivating of NC talents are proposed.

Key words: NC technology;talents training;teaching methods

Discussion on the training model of NC development talents

Ding Shiyan, Jing Xiangshu, Huang Zhirong, Mao Jianqiu, Liu Zupeng
Chang zhou institute of technology, Changzhou, 213002, China

2009-09-22

丁仕燕，博士,副教授。

*本文系江蘇省高校自然科學基金項目(07KJD510008)。