基于“開放式數控系統”的機械工程專業碩士實踐教學設計

彭寶營

摘 要：較強的機械裝備研發能力是機械工程專業碩士培養的重要目標，開放式系統具有二次可開發性、柔性及良好的適應性，在機械裝備的開發中應用日益廣泛。將開放式系統應用于機械類專業碩士實踐教學，從復雜零件數控編程、PLC控制、數控插補、傳感器伺服控制、控制界面二次開發等角度，開展實踐型實驗教學設計。為提高機械工程專業碩士研發能力、培養“產學研”一體化人才、完善機械工程專業碩士實踐教學體系提供基礎。

關鍵詞：開放式數控系統 機械工程 專業碩士 實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0120-03

隨著我國經濟社會的快速發展，由于缺乏實踐能力，傳統的學術型碩士的培養已經無法滿足經濟設備的發展需求，社會在工程等專業領域對高層次、 應用型專門人才的需求越來越強烈。在這種情況下，專業碩士應運而生。專業學位研究生教育的核心目標是培養高層次應用型人才， 滿足經濟社會發展對高級專門人才的迫切需要。專業學位研究生教育是以職業為依據，培養從事實際工作的高層次應用型、復合型“實用專家級”人才[1] 。而機械工程學科是最具綜合性和工程實踐特征的工科學科之一，“機械工程”專業碩士主要目標是培養具有專業基礎知識與專業技能， 能在生產一線從事機械工程專業產品的設計制造、控制開發、應用研究和生產管理等工作的應用型高級專門人才[2]。要達到這樣一個培養目標，專業實踐是必不可少的重要環節，充分的、高質量的專業實踐是專業學位教育質量的最重要保證[3]。

數控機床是機、電、液、氣、光高度一體化的產品[4]，數控技術是機械技術、電工電子技術、微電子技術、信息技術、傳感器技術、接口技術、信號變換技術等多種技術進行有機地結合，數控系統又是數控技術的核心。因此，基于數控系統的研究和教學是十分必要的。傳統的數控系統僅能進行數控編程，結構封閉、柔性差、不具備二次開發功能，即限制其在高端、柔性數控機床上的使用，也不利于機械工程專業碩士階段的實踐教學。開放式數控系統具有開放、柔性高、成本低、升級擴展容易、投資風險性小和可以引入最新的PC軟硬件技術等優點[5]，已成為新一代數控技術的主流。在開放式數控系統中，工業PC機+開放式運動控制器形式的開放式數控系統是當前應用最為廣泛的開放式數控系統。在現在市場上該類開放式數控系統中，美國Delta Tau公司的PMAC[（Programmable Multiple-Axis Controller）運動控制器，基于PC 機平臺，是一個完全開放的系統，是目前功能最為強大，開放性最高、靈活性最好的一種控制系統 [6]。利用PMAC開放式數控系統的優勢，將其應用于機械類專業碩士現代制造工程技術實踐教學，為提高機械類專業碩士的實踐能力及研發能力提供基礎。

1 開放式數控系統實踐教學環節設計

根據機械工程專業碩士的培養計劃、開放式數控系統及機械工程行業特點，從復雜零件數控編程、PLC控制、數控插補、傳感器伺服控制、控制界面二次開發等角度，開展實踐型實驗教學設計。使學生在掌握實際設備開發技能的同時，掌握科學研究的方法，提高學生獨立思考及解決實際問題的能力。

1.1 復雜零件數控編程實驗

數控加工是機械工程專業最具實踐性的課程，是多學科知識的融合。在研究生階段，數控編程學習的重點已經不是由直線和圓弧構成的簡單輪廓加工編程，而是復雜輪廓零件的計算機輔助編程模塊開發。為鍛煉專業碩士的實踐能力，將微分幾何、數值計算相結合，利用開放式數控系統，開展復雜型線零件自動編程模塊開發實踐教學環節設計。

凸輪具有型線復雜、種類繁多的特點，是復雜零件的典型代表。利用高級語言，根據凸輪設計參數完成凸輪廓型計算，生成加工坐標。運用PMAC系統自帶的Pmac Plot32 Pro采集軟件，采集凸輪加工實際坐標，得到凸輪廓形曲線如圖1所示，可根據該圖形驗算自動編程計算的準確性。

1.2 PLC控制編程實驗

與應用于過程自動化的專用型PLC不同，數控系統的PLC屬于內嵌式，主要處理設備本身的邏輯運動控制。而開放式數控的PLC進一步縮小了PLC程序與運動之間的區別，PLC可以實現復雜的運動、在線參數設置、過程計算及運動程序觸發等功能。

PMAC開放式數控系統自帶的PLC功能，其工作原理同于在工業控制領域應用廣泛的PLC。但它又不同于其他PLC，它的編程方式不是其他PLC的梯圖編程，而是采用類似于BASIC等高級語言的編程方式，無須專用編程器，更加靈活、方便，易于存儲，打印觀看和調試，并且起執行速度遠超過普通PLC。通過該環節實踐學習，可大大提高研究生的邏輯思維能力和機械裝備研發能力。運用VC++，開發開放式數控系統PLC控制編程界面如圖2所示。在該界面下，調整軟撥碼開關，可實現輸入信號狀態的切換，界面上的指示燈可以表示輸出的狀態，在程序窗口輸入PLC控制程序，可實現邏輯控制、運動控制、參數設置、程序調用等多項PLC高級功能的開發實訓。

1.3 數控插補實驗

對數控系統輸入的基本數據，運用一定的算法計算，由數控系統實時地算出各個中間點的坐標。即需要“插入補上”運動軌跡各個中間點的坐標，通常將這個過程稱為“插補”，插補是數控系統的重要功能指標。目前，新的插補算法層出不窮，已成為數控技術的研究熱點。針對插補開展實踐教學，將有力地加強研究生對數控系統、運動控制的理解能力。

PMAC系統具有直線插補、圓弧插補、樣條插補和PVT插補功能，插補算法是已經封裝好的，只需一條指令即可實現。但為了讓學生能夠更清楚地了解插補的原理，設計插補原理教學環節，采用編制一個運動程序的方法來分解插補原理，圖3為，利用PMAC系統，開發、采集的逐點比較法直線插補軌跡。

1.4 傳感器伺服控制實驗

隨著對設備工藝要求的提高，需要運動控制系統還要控制設備運行的力、轉矩、加速度等信息的直接控制，以及這些被控量的混合控制。例如，數控加工過程中的切削力控制、紡織行業的張力控制、機器人控制、液壓行業的液力伺服控制等。位置、速度以外傳感器閉環伺服控制，是開放式數控系統的重要功能，該功能涉及控制工程、伺服技術、傳感器技術、信號處理技術等多個環節，可提高研究生的綜合實踐能力。

傳感器伺服控制主要有伺服環級聯與自定義伺服算法兩種方式實現。由于張力傳感器應用場合較多，因此選擇張力作為控制目標，根據PMAC系統傳感器伺服控制原理，開展研究生傳感器伺服控制實驗設計。將張力信號作為系統輸入，通過對運行速度進行調節，最終達到力與速度的混合控制，并保持系統張力的穩定。利用PMAC系統，進行的張力控制效果如圖4所示。

1.5 上位控制軟件開發實驗

與傳統數控系統相比，開放是系統最大的優勢是可以方便地運用高級語言二次開發，用戶可以嵌入自己的CAM算法，便于復雜工藝裝備的開發。PMAC系統支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高級語言二次開發[7]。

進行基于開放式數控系統的控制界面二次開發，將有效鍛煉專業碩士研究生的高級語言編程的能力、提高其對數控系統軟硬件的理解和認識。為提高學生的自主性，上位編程語言不指定，由學生根據自身特長任選。添加系統自帶動態鏈接庫后，調用系統函數，可方便的開發出具有顯示、下載、編輯、加工坐標計算等功能的控制界面，圖5為利用Visual C++6.0開發的開放式數控系統二次開發控制界面。

2 結語

開放式數控系統功能強大，是未來數控技術發展的重要方向，將其應用于機械工程專業碩士實踐教學，將有效提高專業碩士的綜合實踐能力和實際設備開發能力。但開放式數控系統應用復雜，短時間掌握難度較大，相關教學方法及教學體系有待進一步完善。

參考文獻

[1] 李明磊，王銘.專業學位研究生的培養與質量保障——第五屆中國研究生教育學術論壇綜述[J].學位與研究生教育，2012（12）：25-28.

[2] 鄭鵬，吳建權，沈會祥，等. “機械工程”專業型碩士研究生校企聯合培養創新模式研究[J].科技創新導報，2015，10（22）：207-209.

[3] 韓寶坤，張悅刊，孫雪顏.機械工程領域全日制專業學位研究生實踐能力的培養[J].教書育人：高教論壇，2014（10）：26-27.

[4] 朱嘵春.數控技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5] 王婧，于鐳.開放式教學型數控系統研制 [J].機電產品開發與創新，2010（10）：26-27.

[6] 賴國庭，吳玉厚，富大偉.基于PMAC的開放式數控系統研究[J].制造業自動化，2002（9）：34-36.

[7] DELTA TAU Data System Inc.Turbo PMAC2-Eth-Lite Hardware Reference Manual[S].USA：2006.