基于計算機軟硬件的實驗實訓系統設計與實現

周趙纓，王吉林

(上海電機學院，上海 201306)

基于計算機軟硬件的實驗實訓系統設計與實現

周趙纓，王吉林

(上海電機學院，上海 201306)

實驗實訓系統基于計算機軟硬件及網絡技術，為學生從事機電設備的實際生產操作及技術管理工作建立了一套靈活實用的信息平臺與環境。論述了實驗實訓系統的概要設計、數據庫設計、各個模塊的內部數據結構和處理流程等內容。該軟件的運行環境面向實訓實驗室的局域網，系統整體采用客戶服務器模式，客戶端采用PC平臺和Windows圖形界面操作環境和C++編程，在服務器端采用SQL Server 2008數據庫服務器軟件和T-SQL編程實現。

數控加工；作業模擬；面向對象編程；數據庫系統

1 仿真軟件的系統設計

1.1 概要設計

軟件系統的設計以需求為基礎，首先從總體的功能劃分和模塊關系的角度概要建立起軟件邏輯架構，以及數據庫平臺中的信息實體及其關聯的關系。

圖1所示為邏輯架構圖，描述主要的功能單元。

該系統的層操作評價管理模塊對用戶在實訓項目中的表現進行評分，該單元調用加工任務管理模塊的接口函數， 同時基于內置的評分指標計算操作評分[1]。

圖1 軟件邏輯架構圖

設備模型管理和工件模型管理模塊的主要數據對象是設備模型和工件模型，通過在數據庫平臺上的數據模型及其屬性來表達對設備和工件對象的創建、參數設置、坐標系的變換和運動軌跡計算等處理過程。

該系統的底層是數據庫平臺，基于通用關系型數據庫系統來設計和實現。該系統中的主要數據實體表達為關系數據表，主要數據實體有設備、工件、項目、任務和操作評價指標等。

1.2 數據庫設計

該數據庫系統的主要數據實體有加工項目信息表、設備信息表、工件信息表、臺面作業信息表、故障信息表、工藝參數表和數控程序表等各項，屬于數據庫中的靜態信息對象。

動態數據對象與加工任務過程中生成信息有關，主要有工件軌跡和刀具軌跡數據表，并通過數控加工模擬程序在計算中生成和插入。其數據庫數據實體—聯系模型如圖2所示。

圖2 系統數據庫E/R圖

1.3 模型管理

模型管理模塊面向設備和工件模型對象進行創建、編輯和調用。該模塊在基礎層次的數據在數據庫平臺上表達，主要數據表中表達靜態和動態信息的數據表[2]。

與該系統在基礎層次的數據管理目的不同，該模塊在較高的層次上為加工項目對象管理加工設備—工件—刀具—數控程序的組合數據模型，也就是說，該模塊的基本單元是設備模型，該模型是一種復合對象。

每個設備對象的類是EqpModCls，包含設備坐標系子對象EqpXYZLS和數控程序子對象NCP，與數控程序子對象NCP直接相關的是數控模擬函數NCPSim。

設備坐標系對象的主要接口函數是計算刀具運動軌跡的函數CutXvsSim，目的是在設備坐標系中計算加工過程的軌跡。設備坐標系對象下屬的子對象主要是工件模型對象，工件模型對象根據用戶的選擇從基礎層次的數據庫系統加載數據，通過設備坐標系對象的屬性BsCmptDfm關聯到該對象。

工件模型對象的主要下屬子對象有工件材料對象和工件坐標系對象。工件材料對象MtrsCmptn的屬性主要表示工件材料的扭矩系數、剛度參數和熱變形參數，以計算加工切削量和加工過程中的變形量。

工件坐標系對象CmptnUVT的數據結構與設備坐標系類似，用來表達工件的固聯系在設備坐標系中的位置和主軸方向。

和工件模型對象主要相關的接口函數是加工量計算函數ActsUPM和工件的運動軌跡計算函數CmptnTrsBnz，后者通過調用數控過程模擬函數的輸出數據將其轉換為工件坐標系中的數據來完成其功能。

模塊內部管理的設備模型和工件模型的邏輯數據結構以及子對象之間的復合關系如圖3所示。

圖3 設備—工件復合模型數據結構

1.4 設備操作模擬過程

設備操作模擬過程是核心功能，其實質是對設備加載的數控程序的解釋和模擬過程及算法邏輯。

首先，讀入指令數組，并將其解釋為針對設備刀具的運動指令或針對工件對象的方位指令；然后，將指令目標碼和參數存入數組NCPLX，開始進入加工作業的初始化處理，該過程基于用戶在模擬的機床鍵盤界面上的設定信息來進行；最后，進入循環處理和軌跡坐標點計算。

程序首先檢查是否存在緊急停機信號，若發生該事件(故障模擬情況)則進入停機處理(在目前的設計中是回到初始化狀態)，反之則進入一個循環周期；然后根據當前數控指令及其參數計算一步運動坐標的變化量；最后檢查模擬中斷信號。

模擬中斷信息主要模擬加工過程中的機床外部設備的異步事件，如果存在該事件則程序進入對應的事件處理分支然后返回；否則更新控制器對象的當前狀態后，根據當前指令的模式類型(如插補模式和手動模式等)直接進行下一步周期處理。

上述步驟對每條加工指令重復執行，直到出現終止指令。算法邏輯流程如圖4所示。

圖4 設備加工模擬主流程

上述算法處理主要面向數據計算，所直接生成的是每條加工指令導致的運動坐標的變化增量。在上述計算完成后，該函數最后再按照順序將每項坐標分量換算成為完整的坐標數值并寫入軌跡坐標的臨時數組[3]。

軌跡臨時數組有2個簡單的相關接口函數：一個供圖形顯示單元調用；另一個供工件運動和刀具運動計算單元調用。兩者的區別在于前者是適應圖形函數要求而進行必要的數據類型轉換。

1.5 加工任務管理

該模塊以加工任務對象為核心。一項加工任務有1組工件和1組項目指標(例如加工精度和材料耗用量)組成。工件子對象下屬的子對象是1組工序任務，每個工序任務下屬1個設備對象和1個數控程序對象。用戶選擇設備對象，設定設備參數，制定數控程序文件作為加工工序的工藝程序。

該模塊的加工項目數據結構如圖5所示。該對象的主要接口函數是數控模擬計算函數NCPrjSim和項目評分函數NCPPrjEvl。函數NCPrjSim對每項工序任務調用上一節的計算流程進行計算。在完成模擬加工過程后，根據模擬的加工效果調用評分函數計算評分。

圖5 加工任務模型數據結構

1.6 故障和其他模塊

故障功能模擬非正常運行狀態，使用戶了解設備典型故障和其造成的后果以及正確的處理方法。該功能包括的具體子功能有故障設置，主要面向教師用戶來創建設備對象的非正常運行狀態。該模塊調用上述討論的函數來進行故障狀態下的加工運行計算，模擬這種情形下的加工過程，同時計算工件材料消耗。該模塊主要為界面交互式的參數設定處理模式。

其他模塊功能主要圍繞圖形顯示。基于調用數控機床供應商的基礎圖形接口進行實現，支持圖形標準接口OpenGL和主流圖形軟件接口標準。

2 實驗實訓系統的主要功能

軟件運行環境是局域網，系統整體采用客戶服務器模式，客戶端采用PC平臺和Windows圖形界面操作環境，服務器端采用SQL Server 2008數據庫服務器軟件，基礎網絡架構采用交換式寬帶以太網。該系統支持80名學生同時進行實訓，教師負責在服務器上編輯加工項目，在終端上對學生編制的加工方案進行分析、指導。

網絡部署方案如圖6所示。網絡架構采用100 Mbps帶寬交換式以太網，中心交換機連接2臺應用服務器進行仿真計算和圖形生成。軟件采用C++開發面向加工過程計算的主要程序，計算加工軌跡坐標和圖形顯示等方面，基于SQL存儲程序實現面向數據存取的主要事務。SQL程序在數據庫服務器端運行，通過客戶端的程序進行訪問和調用[4]。

2.1 模型管理

主要處理對象是設備模型、工件模型和加工項目，軟件采用面向對象編程技術的C++語言。

軟件系統如要升級或變更軟件功能，需要重新開發實現對應功能算法的對象，或者增加實現新功能的類。只要對象的外部訪問接口的涵義不發生變化，其他對象仍然按照原有的方式與涵義存取新對象的數據與調用該對象的功能，整體軟件的內部邏輯關系不發生任何影響，這就是基于面向對象實現的軟件對象重用的原理。

生產實訓系統網絡部署環境如圖6所示，在該系統中設備對象的基本類是EqpModCls，包含一組屬性和子對象。

圖6 生產實訓系統網絡部署環境

2.2 數控模擬和加工項目管理

數控程序對象NCP最主要的接口函數是數控模擬函數NCPSim，該函數解析數控指令，并根據所關聯的坐標系和工件對象的屬性計算加工過程的運動軌跡。該函數直接生成每條加工指令導致的運動坐標變化增量。

在上述計算完成后，該函數按照順序將每項坐標分量換算成完整的坐標數值，并寫入軌跡坐標的臨時數組，軌跡臨時數組有2個簡單的相關接口函數。

加工項目管理功能主要在數據庫服務器內通過存儲程序來實現。

2.3 圖形功能接口

主要功能是在內部進行設備對象的建模和模型管理，工件對象的建模及模型管理，以及數控加工程序的模擬和計算。除此之外，為了向用戶提供接近真實的加工模擬環境，該軟件通過圖形界面和標準的三維動態圖形庫來顯示和輸出所計算的加工過程的軌跡數據以生成動態的三維圖形顯示。該部分的程序主要基于標準圖形庫來實現。

3 系統實現

系統重點實現目標見表1。

表1 系統重點實現目標

4 結語

本文從軟件工程角度較為系統地論述了該實訓平臺的設計和實現，同時也發現了很多新的有待完善的方面，數控仿真技術主要表現在智能化方面，如果能結合人工智能、知識庫和專家系統等技術，將更有實用價值。

[1] Schuman M. 軟件工程[R]. 北京: 機械工業出版社,2008.

[2] 周慶.基于面向對象方法的中間件集成技術[J].計算機應用研究,2007,28(12):104-106.

[3] 熊忠陽.Windows/DNA架構平臺開發指南[J].計算機科學,2009,31(4):41-46.

[4] 周恩哲. 基于UML的軟件工程方法[M].大連:大連海事大學出版社，2008.

責任編輯鄭練

DesignandRealizationofExperimentSystembasedonComputerSoftwareandHardware

ZHOU Zhaoying, WANG Jilin

(Shanghai DianJi University, Shanghai 201306, China)

Based on computer software, hardware and networking technology, the production training system builds a sery of flexible and practical information platform and environment for the students to conduct electromechanical equipments manufacturing operation and technical management work. This paper discusses the outline design of experiment and practical training system，database design and each module’s internal data structure with processing flow, etc. The system is developed in the mode of Client/Server architecture with windows graphical environment at client side programmed in C++ and SQL Server 2008 DBMS at server side programmed in T-SQL for storage routines, running in the environment of the institute’s local networks.

numerical processing, operation simulation, object-oriented programming, database system

TG 659

：A

周趙纓(1980-)，女，碩士，工程師，主要從事數控技術等方面的研究。

2014-12-15