網絡化數控實驗室的探索與研究

（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命、或革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統-信息物理系統相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

某學院工程訓練中心結合網絡技術、控制技術和數控技術的發展趨勢，建設了數控智能網絡實驗室。在這個系統中，學生能夠對產品進行設計、編程，并通過網絡實時操作、監控數控機床的加工，完成產品從設計到網絡制造的整個現代化生產流程。同時，該系統的生產管理系統讓學生能夠學到現代制造方面的管理知識。

一、實驗室現狀與建設目標

目前該學院工程訓練中心有數控車床、數控銑床和加工中心等多種數控設備，以及CAD/CAM/CAPP等軟件系統；但是硬件設備與軟件設備相對獨立，數控車床程序和加工中心程序采用計算機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，不具備遠程控制和數據交換，難以滿足現代工業信息化系統的要求。

為此，訓練中心采用數字加工網絡智能技術精心設計，選擇了一批硬件與軟件，圍繞著申報課題時提出的建設目標和課程的需求，打造了一個小型的實驗室局域網，由實驗基礎數據管理系統、實驗教師授課系統和實驗學生學習系統構成[1-3]，較好地體現了模塊化、分層次的工程訓練培養計劃。

網絡數控實驗室建設目標是：1.實驗室電腦與車間機床同步。通過網絡，電腦可以控制機床的各種操作，機床的操作可以同步顯示在電腦屏上，也可以顯示在實驗室的大屏上。2.實驗室的電腦與機床之間可以實現實時通訊、數據的傳輸，對機床執行的各種參數實行修改。3.讓參加實驗的學生提前進入到企業的管理角色。通過機床網絡系統，查詢機床相關信息，如：機床狀態、使用效率、數量統計、相關的報表分析、統計、排產、訂單等，根據學校的需求可以映射給外網（需要有用戶名和密碼）。這樣學院特定人群的手機和電腦上都能查詢到機床實時的相關信息。4.管理數據都可以通過實驗室電腦或大屏幕以實時狀態圖的形式顯示。如：（1）所有機床狀態，斷電的、正在加工的、報修的、閑置的等；（2）開機率，每臺機床加工總時/通電時間的比值；（3）按時間段統計效率，年、月、日、時；（4）即時信息，打開機床的即時畫面，每8秒鐘刷新一次，顯示機床的即時生產狀態、刀具狀態、利用率等表格；（5）歷史記錄查詢，機床若干時間每天的狀態記錄；(6)生產查詢，查詢每臺機床在一定時間范圍內的加工數量、加工的程序名。

二、中心網絡方案

根據該學院中心數控機床的功能、運行狀況，由于需遠程控制機床，帶有一定的風險性，考慮到無線信號的抗干擾能力差，因此，網絡規劃還是按照有線的方案來設計。建立了局域網網絡，結構如圖1所示，數控設備的網卡通過光纖經交換機與服務器相連，某一數控設備的故障不會影響其他數控設備的運行，確保了在惡劣環境下的正常工作。

每臺數控機床有一個網絡攝像頭和一組電流電壓采集設備，服務器電腦通過電流電壓采集設備來進行機床的數據采集。服務器統一控制和管理數控設備，軟件采用廣州數控監控與控制系統網絡版，實驗室的學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的機床，包括參數修改、傳輸文件、真實加工等。學生通過客戶端訪問車間的生產管理系統，模擬車間的生產管理，如機床的使用效率，機床的生產情況，訂單的生產情況。

圖1 局域網網絡結構

三、數控設備的遠程控制

1.遠程控制。軟件在客戶端的屏幕上顯示與機床的控制系統界面一樣的虛擬操作界面，而且能夠同步，即機床上操作時，在電腦上的界面上的參數同樣跟著變化，同樣，在電腦虛擬操作界面中操作機床，這個操作也會在機床上發生作用（如圖2所示）。通過遠程控制，可以完成輸入參數、對刀、換刀、運行數控機床等操作。

圖2 計算機虛擬操作界面和機床操作系統

2.文件傳輸。具有相應權限的操作人員，能夠通過網絡將電腦的文件放到機床中，也能把機床中的加工文件復制到電腦中，并顯示文件的大小、修改日期等，在加工時，選用相應的加工文件，以加工出合格的產品。

3.數控程序經CAD/CAM/CAPP系統產生后，編輯、仿真、管理到最后發送到機床進行加工，整個過程可遠程完成，大大提高了效率。

四、網絡系統的管理

本系統包括監控、遠程控制和生產管理三大部分。每臺數控設備、每個客戶端均有單獨的代碼，加工的零件、圖紙和加工程序也有相應的代碼，這些數據均保存在服務器中，由用戶在客戶端對這些數據統一管理，機床只是作為一個終端用于加工。每臺數控設備均可以按要求調用所需的加工程序,這樣可以提高各部門的工作效率[4]。

系統的每個用戶均有不同的權限，必須在登陸時輸入用戶名和密碼，只有系統管理員具有分配管理任務的權限，對不同崗位的人的操作權限進行管理，也可以根據不同產品給予某些崗位特定的操作權限，使不同崗位的人員對不同狀態下的數據或程序具有與其責任相對應的操作權限[5]，比如，有的崗位能進行編輯文件，有的只能調用；有的能遠程控制，有的則不行。

生產管理系統可實時地知道數控設備的狀態、加工的產品、加工的進度，實現生產數據的無縫連接，大大提高了生產效率和設備利用率，有利于建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的柔性生產模式[6-7]。

五、教學實踐效果

網絡化遠程制造實驗室的投入使用，使該學院的數控教學的水平有了很大的提高，也使學生受益良多。

1.培養出適應先進制造教學的教師隊伍。通過網絡化遠程制造實驗室的建設，教師學習了現代工程的設計、制造理念，把握先進制造業的發展方向，在學科理論與工程實踐能力有了較大的提高，有利于提高工程訓練的教學水平。

2.采用了新的教學模式。網絡化遠程制造實驗室使得產品全生命周期的設計、工藝、制造等的教學成為可能，使學生通過網絡就能學習相關知識。

（1）設計：運用CAD、Mastercam和Proe等繪圖軟件，學生可以完成零部件的設計，產品的整體設計和數字組裝等，在設計過程中，可以提供國標的設計標準、設計文檔和共享平臺。

（2）工藝：可以提供工藝文檔，如：CAD工藝圖表和工藝匯總，學生在網絡上建立工藝檔案、材料清單和工藝參數等方面的內容。

（3）制造：數控設備自動編程的Mastercam軟件，包括數控車軟件、線切割軟件、雕刻軟件、數控銑軟件等。并且兼容不同數控系統的數控機床的無線網絡通信和聯接，如Fanuc、西門子等操作系統。

學生運用軟件自動編程，改變了數控實習中傳統的手工編程、手工輸入的固定模式，大大提高了效率。同時，該系統還具有仿真的功能，程序在使用前，學生可對程序進行實體仿真加工，能夠及時發現問題并進行修改，避免在實際加工中出現問題。數控程序經檢查無問題后，傳送到數控機床，就可以進行加工。網絡軟件還可以完成在線加工、狀態監測，實現了現代先進制造技術軟硬件的無縫結合。

3.在數控教學中，初步構建了課堂理論教學、仿真實驗實訓和數控實訓的三段式的培養培訓模式。教學內容既可安排獨立的實驗驗證或技能訓練項目，也可安排綜合的操作加工訓練，靈活多樣，突出能力培養的訓練，激發了學生的創新能力。

數字加工網絡智能實驗室，打造了一個現代制造業的網絡制造系統，使同學們能夠對網絡技術在現代制造業的運用有一定的認識，從而培養出具有現代制造意識，能運用現代科技知識解決工程問題的高素質、有創新意識的人才。

4.在數控教學中增加綜合性、設計性實驗，不斷提高學生分析和解決實際問題的能力[8]。在工程實踐教學的內容中，大大增加了數控教學的設計比重，激發學生的創新意識、創新欲望，培養他們的創新能力，建立適應學生個性化發展的柔性教學平臺。在實踐教學過程中，在完成基本操作技能訓練的情況下，鼓勵學生自己設計產品、選取工藝參數及完成加工，系統地運用他們學習的知識，驗證自己的構思，充分調動學生實踐學習的積極性和主動性，有利于培養他們的創造能力和綜合能力，提高了實踐教學的效果。

學生在實踐過程中對產品的設計、工藝的選擇、制造流程有更深的認識，教學效果不斷提高，從而使學生的綜合能力得到全面培養。

5.建立真實、先進和充滿活力的工業環境。充分利用多學科工程滲透和集成，為學生營造一個集創新思維和大工程意識為一體的綜合工程環境，加強了學生現代工業意識和創新能力的培養。

生產管理軟件的運用使學生有機會了解企業的運營，在真實的產品的制造中獲得實踐的機會，不但學習到產品的設計、制造知識，還對企業的管理與運營有初步的認識，使學生在得到現代制造工程方面的訓練的同時，對現代生產管理體系有一定的了解，豐富了學生的知識結構。

六、結語

該學院工程訓練中心網絡化制造實驗室，是一個集監控、遠程控制和生產管理為一體的系統，在教學過程中，為提高該學院的數控教學水平起到了積極的作用，使學生能夠在對網絡技術在現代制造業的運用有一定的認識，從而培養出具有現代制造意識，能運用現代科技知識解決工程問題的高素質、有創新意識的人才。

工程訓練中心網絡化制造實驗室的建立，使該學院的工程訓練教學充分體現了“三個轉化”和“一個結合”，即：由常規的金工實習和電子工藝實習向現代工程實踐教學的方向轉化；由單機技能的實踐教學向網絡條件下的實踐教學方向轉化；由單一的操作技能培訓向綜合實踐、創新實踐相結合的方向轉化；以及工程訓練的教學過程與教學產品相結合。這些方面的轉變都有助于培養學生的綜合素質，提高工程訓練的教學水平。

參考文獻：

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[2] 屈泳,張文詠.高等學校數字化實驗室的研究與實現[J].實驗技術與管理,2007(11):146-148.

[3] 徐朝軍,李藝.數字化實驗室的建設[J].實驗室研究與探索,2003,22(1):9-12.

[4] 王黎輝,周宏根,張勝文.數控車間管理控制系統研究與開發[J].機械設計與制造,2006,2(2):74-76.

[5] 施吉祥,任祖平.基于網絡制造實驗室的數控網絡化技術研究與實現[J].機械制造與自動化,2007,36（4）:77-80.

[6] 鄂明成,張敏,李建勇.網絡化數控教學實驗室的構建[J].實驗室技術與管理,2005,22(6):109-115.

[7] 閆偉國,王敏杰,王敏銳.基于以太網和TCP/IP的DNC通信技術研究[J].大連理工大學學報,2003,43(1):77-81.

[8] 王月英,施吉祥.網絡化制造實驗室探索與研究[J].實驗室研究與探索,2008,27(1):4-6.