數控機床硬件連接實訓系統的設計

張 熒 張延杰 楊 釗 乞英煥

（云南機電職業技術學院，昆明 650203）

隨著高校的擴招，實訓設備緊缺的問題日益凸顯。一些需要頻繁拆接線路的設備，易出現各類機械和電氣方面的故障問題，嚴重縮短了其使用壽命。在“工業4.0”“中國制造2025”兩個戰略指引下，虛擬儀器及虛擬仿真軟件成為當前重要的發展方向。基于高職生對手機和計算機等信息化設備依賴性和應用能力強的特點，利用LabVIEW軟件圖形化的編程語言（G語言）和開發環境簡單易用的特點，設計一種數控機床硬件連接實訓系統，以解決高校實訓設備緊缺和容易損壞的問題，實現“育訓結合”的跨越式數字化教學改革的目的。

1 實訓系統的設計目標

通過構建數控技術專業群高水平人才培養體系，設計基于LabVIEW的數控機床硬件連接實訓系統，使學生能建立有關數控機床控制原理的基本框架，能識讀一套完整的數控機床控制系統原理圖，熟悉數控機床電氣裝調維修工職業標準，且能描述各部分之間的電氣聯系，并熟練安裝數控系統組件，提高學生的團結協作能力、有關專業技術的表達能力和獨立思考能力。

2 實訓系統的設計思路

2.1 實訓系統的基本結構

該實訓系統主要針對LabVIEW軟件的前面板進行設計，使其達到學生對于數控機床實訓所需的基本要求。為方便用戶與系統的交互，人機界面劃分為不同功能的板塊，包括登錄界面、系統硬件人機界面、電氣元件人機界面和成績管理查詢人機界面4個板塊。每一板塊具有特定的功能，以使簡化編程、便于查錯和調用和修改數據等，且使界面整潔美觀、方便操作。另外，充分考慮到學生學習知識的連續性和遞進性，軟件按照模塊化進行設計，包括登錄界面模塊、數控系統硬件功能認知模塊、數控系統硬件虛擬連接練習模塊、電氣元件功能認知模塊、電氣線路虛擬連接練習模塊和成績管理查詢模塊[1]，如圖1所示。

圖1 數控機床硬件連接實訓系統基本結構

2.2 登錄界面模塊和成績管理查詢模塊的設計

登錄界面采用簡潔的提示方式，方便用戶輸入，且能實現重置密碼的功能。為方便實訓管理、防止程序被盜用、人為故意修改以及保證系統的安全性，登錄界面模塊需要學生輸入用戶名和密碼，驗證正確后才能登錄系統進行后續操作。

成績管理查詢模塊主要是利用LabVIEW程序中的TDMS 1.0 版本來實現數據的存儲和調用，文件格式為*.tdms數據文件和*.tdms_index索引文件。當用戶登錄賬號時，數據調用功能被觸發。單擊關閉程序或保存時，數據存儲功能被觸發。成績按照操作的單次成績和操作次數進行綜合評定，這里取模塊核定成績的最高分，即：

由此可見，并非練習越多成績越高，而應該保證正確率，以督促學生認真細心對待[2]。

2.3 系統硬件模塊設計

系統硬件的人機界面以YL-558型0i mate-TD/MD系列數控機床系統硬件的基本布置為參照，由CNC裝置、MDI鍵盤、操作面板、I/O單元、伺服放大器單元、主軸電機和伺服電機等部分組成，包括數控系統硬件功能認知模塊和數控系統硬件虛擬連接練習模塊。兩個模塊的功能通過系統的各個接口功能實現。接口主要包括CB10A、JD36A、JD1A、JD1B、CP1、JYA2、JYA3、JF1、JF2和 JF3等。

設計數控系統硬件功能認知模塊時，必須將各個接口位置與機床實物一一對應。學生比對實物查找和學習后，將各接口的代號、名稱及作用輸入實訓系統。此模塊需要利用LabVIEW程序中的字符串數據和比較函數功能[3]。當學生將所有接口的字符串數據輸入完畢后，點擊提交按鈕，系統將自動比對字符數據進行加減分核算。

學生通過數控系統硬件功能認知模塊的學習考核后，才能進入數控系統硬件虛擬連接練習模塊。此模塊不再要求學生輸入各接口的名稱及作用，使得實訓系統直接進入標有接口代號的界面。學生依次單擊選中兩個接口，即可實現接口之間的連線。當依次正確單擊選中兩個接口時，連線正確指示燈亮起，系統進行加分計算；當依次錯誤單擊選中兩個接口時，連線正確指示燈不會亮起，系統進行扣分計算[4]。

2.4 電氣元件模塊設計

電氣元件模塊以YL-558型0i mate-TD/MD系列數控機床電氣安裝板的基本布置為參照，由電源總開關、熔斷器、熱繼電器、各功能開關、接觸器、變壓器、繼電器板、急停繼電器、端子排和直流開關電源等電氣元件組成，包括電氣元件功能認知模塊和電氣線路虛擬連接練習模塊。

電氣元件功能認知模塊和電氣線路虛擬連接練習模塊的功能，通過電氣安裝板上的各個電氣元件來實現。設計電氣元件功能認知模塊時，必須將各個電氣元件位置與電氣安裝板實物一一對應。學生需對比提供的數控機床電氣原理圖和數控機床電氣安裝板實物進行查找和學習，并將各電氣元件的代號、名稱及作用輸入實訓系統。

3 教學方法的改革設計

將數控機床硬件連接實訓系統用于數控技術專業群的教學，并充分考慮專業交叉實訓的特點，將數控機床硬件連接實訓系統融入“數控機床連接與調試技術”“機床電氣控制實訓”兩門課程，并將信息化技術用于教學項目，以實現“育訓結合”的跨越式數字化教學改革。

3.1 FANUC數控系統認識項目

通過使用和操作實訓系統整體模塊，強化學生學習認知數控系統的組成、分類和軟件結構的特點。

3.2 數控系統硬件綜合連接項目

通過使用和操作實訓系統數控系統硬件功能認知模塊和數控系統硬件虛擬連接練習模塊，并比對數控機床實物，強化學生對數控系統主板結構接口、電源模塊接口、主軸放大器接口、伺服放大器接口以及I/O單元接口的學習認知，以完成系統硬件綜合虛擬連接。

3.3 數控機床電氣控制系統連接項目

通過使用和操作實訓系統電氣元件功能認知模塊和電氣線路虛擬連接練習模塊，培育學生查閱給定設備電氣原理圖和比對數控機床實物的能力，以完成數控機床電氣控制系統的虛擬接線練習，為后續課程的數控系統故障分析、故障診斷、線路檢查和故障點確定等提供基礎支撐。

4 結語

在傳統的數控機床機械拆裝實訓中，一般采用真實機床進行機械拆裝訓練，硬件價格高、接口多和線路復雜，導致其教學成本高，很難開展大范圍拆裝教學。基于LabVIEW的數控機床硬件連接實訓系統奠定了虛擬仿真實訓基礎，提高了設備的使用壽命，促進了信息化教學改革，減輕了教師工作量，并使學生學會了查閱數控機床提供的硬件接線圖和電氣原理圖等，提高了教學效果。