通用型網絡數控教學系統的研究

摘要：隨著計算技術的發展，尤其是虛擬現實技術和理念的發展，產生了可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態的計算機仿真教學系統。本文通過設計一種通用型的網絡數控教學系統來降低社會使用各種數控系統的難度，同時也滿足學生在本通用型數控系統的使用下，掌握多種不同的數控系統的操作使用，而且通過單片機通信技術，學生的編程可以在某一種數控機床上實際生產出來，更具有通用性和實際生產的效果。這也就是筆者所設計的面向網絡的通用型數控教學系統Network-based General Numerical Control Instruction System，簡稱NGNCI系統。

關鍵詞：通用型；網絡；數控教學

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)30-0646-02

General Network Numerical Control Teaching System's Research

YANG Yin-zhong

(Jiangsu Teachers University of Technology， Changzhou 213001， China)

Abstract: Along with computation technology development， particularly virtual reality technology and idea development， Produced has been possible to simulate the actual device processing environment and the active status computer simulation teaching system. This article through designs one kind of general network numerical control teaching system to reduce the society to use each numerical control system's difficulty， Simultaneously also satisfies the student under this general numerical control system's use， grasps many kinds of different numerical control system's operation use， Moreover through the monolithic integrated circuit communication， student's programming may produce actually on some numerically-controlled machine tool， has versatile and the actual production effect. This is also face network general numerical control teaching system Network-based General Numerical Control Instruction System which the author designs， is called the NGNCI system.

Key words: general; network; numerical control teaching

1 數控教學系統現狀

近年來普通高校，包括不少中、高職學校已大量引入CAD/CAM，通過數控模擬編程軟件和數控車、數控銑、加工中心等數控設備，開展數控教學。

隨著計算技術的發展，尤其是虛擬現實技術和理念的發展，產生了可以模擬實際設備加工環境及其工作狀態的計算機仿真教學系統。這些教學系統既能單機系統獨立運行，又能在線運行。

獨立運行即機床模型方式，只需一臺微機，數控機床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機床模型三維動畫演示，用這種方式進行初步培訓是經濟有效的。

在線運行即機床工作方式，這種方式下教學系統將與實際機床連接，由硬件實現零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機床的真實情況一樣，參與者可以通過與仿真場景的交互來體驗一種接近于真實的場景的感覺。因此能進一步培訓操作者的實際工作技能。

網絡數控教學系統具有完善的圖形和標準數據接口，使用戶既能在真實的環境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數，并能與其他CAD/CAM軟件接口。

網絡型數控教學系統軟件的體系結構如圖1所示。

能不能將虛擬數控機床和實際生產數控系統連接起來，形成一個既可以滿足學生對多種數控系統操作實際界面的需要，又可以滿足對編程結果進行實際生產效果測試的需要，這就是筆者需要解決的問題。

由此，本課題嘗試通過設計一種通用型的網絡數控教學系統來降低社會使用各種數控系統的難度，同時也滿足學生在本通用型數控系統的使用下，掌握多種不同的數控系統的操作使用，而且通過單片機通信技術，學生的編程可以在某一種數控機床上實際生產出來，更具有通用性和實際生產的效果。這也就是筆者所設計的面向網絡的通用型數控教學系統Network-based General Numerical Control Instruction System ，簡稱NGNCI系統。

2 NGNCI系統的目標

根據數控教學的實際，NGNCI系統目標主要是實現如下內容：

1) 實現多數控系統在專用數控機床上加工運行

通過虛擬國內外大部分數控系統的人機界面，包括Fanuc、西門子、Senter數控、華中數控、廣州數控系統等，然后通過網絡傳輸，實現在專用的數控機床上加工實現。也就是使專用的數控機床具有了多系統接口，同時，也可以使學生能在專用的數控機床上實際操作多種數控系統，完成加工練習，具有最強的實踐性。這樣，既能讓培訓人員熟悉多種數控系統的操作，又得到實際加工的體驗，這極大的增加了培訓人員的認識面，對將來快速投入到加工行業打下良好的基礎。

2) 完整實現數控GM代碼

支持所有CAD/CAM軟件生成的標準化G代碼，如：CAXA制造工程師、Pro/E、Cimtron、UG等。包括各數控系統專用G代碼。90%以上G代碼支持率，包括循環、直線差補、圓弧差補、子程序調用、宏程序、變量編程等。最大限度滿足了不同用戶的全部編程需求。

3) 模擬加工仿真

在編寫好程序后，像數控機床一樣，進行一系列的數控加工：設定機床、定義毛坯、設定刀具、基準測量、設定工件坐標系、代碼處理、面板操作、測量、自動加工等，最后加工出預想好的零件模型。

4) 模擬刀具庫

數控機床和模擬軟件中提供一些自帶的刀具之外，還可以根據加工的需要自己來設定刀具的參數，這就可以使用戶學習刀具的基本知識，從而起高自身的知識面。

5) 夾具、基準、測量功能

提供夾具包括：虎鉗、壓板、工藝板、三抓卡盤等。支持多種裝夾方式和專用部件。基準對刀功能，測量功能。靈活直觀、清晰精確。

6) 記錄功能

在操作過程中，可以把培訓人員的操作過程全程記錄下來，以備將來檢驗，操作是否正確。這樣，可以隨時發現操作錯誤，提高教學質量。

3 NGNCI系統的總體架構

通用型網絡數控教學系統NGNCI主要是從教學需要出發，將能用于生產加工的數控機床進行擴充，使其通用化，通過網絡來共享使用，從而實現通過仿真國內外常見的數控系統人機界面，不但滿足培訓人員的學習需要，更通過真實的生產操作過程加快其在實際操作數控系統的適應期。

因此，從實質上來講，本課題開發的通用型網絡數控教學系統主要是由培訓人員操作各類仿真數控系統人機界面，然后通過TCP/IP網絡通信，最后控制實際的數控機床進行加工生產這三個環節組成，如圖2所示。

總體構架主要分二部分：

1) 各種數控系統配合單片機，即在PC機中安裝自行設計的Senter數控系統和FUNC/西門子/廣數/華數等數控模擬系統，并能由此解釋生成各數控系統的GM代碼，接著由NGNCI系統轉換生成二進制代碼，通過并行口，傳送到單片機，然后由單片機以高低脈沖控制相關的步進電機動作，進而實現數控機床的機械加工。

2) 學生端的NGNCI系統客戶端主要完成各種其他數控系統的界面模擬、按鍵接受、GM代碼的解釋，以及通過TCP/IP協議與NGNCI服務器系統進行通信，完成GM代碼的傳輸和模擬加工仿真功能等。

4 NGNCI系統的硬件平臺及其實現技術

NGNCI系統的硬件平臺是采用單片機通過執行其存儲器內的加工程序來完成數控要求的全部功能，包括接口電路、伺服驅動等。主要的功能是根據輸入的加工程序GM代碼的二進制指令，由單片機進行插補運算，形成理想的運動軌跡，插補計算出的位置數據輸出到伺服系統，控制伺服電機帶動執行機構，加工出所需要的零件。NGNCI系統的硬件平臺的框圖如圖3所示。

1) 單片機PIC18F452簡介

單片機PIC18F452有5個I/O接口，分別為RA0-5，RB0-7，RC0-7，RD0-7，RE0-2。

在本系統中主要使用了RB接口的一些功能。RB0具有外部中斷功能，可編程設定上升沿還是下降沿中斷；RB4-RB7具有邊沿變化中斷功能，上升沿和下降沿都會產生中斷。依據RB接口的這種邊沿中斷功能，我們設計使用RB4和RB5作為手輪狀態檢測，RB0作為PC并口的數據命令檢測。

RC0-7用于控制數據輸出。

RA0-5用于機床狀態數據輸入。

RE0-2經過74LS138譯碼后用于控制數據輸出和機床狀態數據輸入的選通信號。

RD0-7用于接收并口數據。

2) PC并口與單片機的聯接

并口的數據口接單片機的RD0-7。

并口的控制口接單片機的RB0-3用于PC并口的數據輸出命令的定義，同時接到74LS138譯碼器的輸入端用于PC并口的數據輸入選通。并口的控制口的D0定義讀寫命令，0表示寫數據，1表示讀數據；D1-3定義讀寫數據的含義。

并口的狀態口接邏輯控制單元的數據緩沖器。數據緩沖器的數據是由單片機經過RC0-7和RE0-2輸出的。

3) PC并口與單片機的數據傳輸時序

PC并口與單片機的數據傳輸時序如圖4所示。

PC并口讀取邏輯控制單元的數據時，先將要讀入的數據的地址寫入并口控制寄存器，邏輯控制單元的將選通相應的數據到PC并口的狀態寄存器。然后PC從并口的狀態寄存器讀取數據。

PC并口傳輸數據到邏輯控制單元時，先將要傳輸的數據寫入并口數據寄存器，然后將要傳輸的數據的地址寫入并口控制寄存器。并口控制寄存器的D0位的邊沿變化將觸發邏輯控制單元的單片機中斷，中斷服務程序將讀入數據和地址信息，分析后作出相應的控制操作。

注意：由于PC并口傳輸數據需要并口控制寄存器的D0位的邊沿變化來觸發邏輯控制單元的單片機中斷，在傳輸數據前必須保證并口控制寄存器的D0位為1。也就是要求PC并口的操作必須是先讀數據，然后再寫數據。

5 結束語

NGNCI系統適合應用于中等職業中學、高職院校數控機床的實驗實訓等教學過程。

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