摘要：隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和理念的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)。本文通過設(shè)計(jì)一種通用型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)來降低社會使用各種數(shù)控系統(tǒng)的難度，同時(shí)也滿足學(xué)生在本通用型數(shù)控系統(tǒng)的使用下，掌握多種不同的數(shù)控系統(tǒng)的操作使用，而且通過單片機(jī)通信技術(shù)，學(xué)生的編程可以在某一種數(shù)控機(jī)床上實(shí)際生產(chǎn)出來，更具有通用性和實(shí)際生產(chǎn)的效果。這也就是筆者所設(shè)計(jì)的面向網(wǎng)絡(luò)的通用型數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)Network-based General Numerical Control Instruction System，簡稱NGNCI系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：通用型；網(wǎng)絡(luò)；數(shù)控教學(xué)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)控教學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)狀

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

隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和理念的發(fā)展，產(chǎn)生了可以模擬實(shí)際設(shè)備加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)系統(tǒng)。這些教學(xué)系統(tǒng)既能單機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，又能在線運(yùn)行。

獨(dú)立運(yùn)行即機(jī)床模型方式，只需一臺微機(jī)，數(shù)控機(jī)床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進(jìn)行，而零件切削過程由機(jī)床模型三維動畫演示，用這種方式進(jìn)行初步培訓(xùn)是經(jīng)濟(jì)有效的。

在線運(yùn)行即機(jī)床工作方式，這種方式下教學(xué)系統(tǒng)將與實(shí)際機(jī)床連接，由硬件實(shí)現(xiàn)零件切削過程，這時(shí)除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實(shí)際機(jī)床的真實(shí)情況一樣，參與者可以通過與仿真場景的交互來體驗(yàn)一種接近于真實(shí)的場景的感覺。因此能進(jìn)一步培訓(xùn)操作者的實(shí)際工作技能。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)具有完善的圖形和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，使用戶既能在真實(shí)的環(huán)境中運(yùn)行虛擬機(jī)床，又能觀察它的各種運(yùn)行參數(shù)，并能與其他CAD/CAM軟件接口。

網(wǎng)絡(luò)型數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

能不能將虛擬數(shù)控機(jī)床和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)連接起來，形成一個(gè)既可以滿足學(xué)生對多種數(shù)控系統(tǒng)操作實(shí)際界面的需要，又可以滿足對編程結(jié)果進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)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(shè)計(jì)一種通用型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)來降低社會使用各種數(shù)控系統(tǒng)的難度，同時(shí)也滿足學(xué)生在本通用型數(shù)控系統(tǒng)的使用下，掌握多種不同的數(shù)控系統(tǒng)的操作使用，而且通過單片機(jī)通信技術(shù)，學(xué)生的編程可以在某一種數(shù)控機(jī)床上實(shí)際生產(chǎn)出來，更具有通用性和實(shí)際生產(chǎn)的效果。這也就是筆者所設(shè)計(jì)的面向網(wǎng)絡(luò)的通用型數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)Network-based General Numerical Control Instruction System ，簡稱NGNCI系統(tǒng)。

2 NGNCI系統(tǒng)的目標(biāo)

根據(jù)數(shù)控教學(xué)的實(shí)際，NGNCI系統(tǒng)目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)如下內(nèi)容：

1) 實(shí)現(xiàn)多數(shù)控系統(tǒng)在專用數(shù)控機(jī)床上加工運(yùn)行

通過虛擬國內(nèi)外大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，包括Fanuc、西門子、Senter數(shù)控、華中數(shù)控、廣州數(shù)控系統(tǒng)等，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)在專用的數(shù)控機(jī)床上加工實(shí)現(xiàn)。也就是使專用的數(shù)控機(jī)床具有了多系統(tǒng)接口，同時(shí)，也可以使學(xué)生能在專用的數(shù)控機(jī)床上實(shí)際操作多種數(shù)控系統(tǒng)，完成加工練習(xí)，具有最強(qiáng)的實(shí)踐性。這樣，既能讓培訓(xùn)人員熟悉多種數(shù)控系統(tǒng)的操作，又得到實(shí)際加工的體驗(yàn)，這極大的增加了培訓(xùn)人員的認(rèn)識面，對將來快速投入到加工行業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

2) 完整實(shí)現(xiàn)數(shù)控GM代碼

支持所有CAD/CAM軟件生成的標(biāo)準(zhǔn)化G代碼，如：CAXA制造工程師、Pro/E、Cimtron、UG等。包括各數(shù)控系統(tǒng)專用G代碼。90%以上G代碼支持率，包括循環(huán)、直線差補(bǔ)、圓弧差補(bǔ)、子程序調(diào)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(shù)控機(jī)床一樣，進(jìn)行一系列的數(shù)控加工：設(shè)定機(jī)床、定義毛坯、設(shè)定刀具、基準(zhǔn)測量、設(shè)定工件坐標(biāo)系、代碼處理、面板操作、測量、自動加工等，最后加工出預(yù)想好的零件模型。

4) 模擬刀具庫

數(shù)控機(jī)床和模擬軟件中提供一些自帶的刀具之外，還可以根據(jù)加工的需要自己來設(shè)定刀具的參數(shù)，這就可以使用戶學(xué)習(xí)刀具的基本知識，從而起高自身的知識面。

5) 夾具、基準(zhǔn)、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?；鶞?zhǔn)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(xùn)人員的操作過程全程記錄下來，以備將來檢驗(yàn)，操作是否正確。這樣，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)操作錯(cuò)誤，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 NGNCI系統(tǒng)的總體架構(gòu)

通用型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)NGNCI主要是從教學(xué)需要出發(fā)，將能用于生產(chǎn)加工的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行擴(kuò)充，使其通用化，通過網(wǎng)絡(luò)來共享使用，從而實(shí)現(xiàn)通過仿真國內(nèi)外常見的數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面，不但滿足培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)需要，更通過真實(shí)的生產(chǎn)操作過程加快其在實(shí)際操作數(shù)控系統(tǒng)的適應(yīng)期。

因此，從實(shí)質(zhì)上來講，本課題開發(fā)的通用型網(wǎng)絡(luò)數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)主要是由培訓(xùn)人員操作各類仿真數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面，然后通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信，最后控制實(shí)際的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工生產(chǎn)這三個(gè)環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。

總體構(gòu)架主要分二部分：

1) 各種數(shù)控系統(tǒng)配合單片機(jī)，即在PC機(jī)中安裝自行設(shè)計(jì)的Senter數(shù)控系統(tǒng)和FUNC/西門子/廣數(shù)/華數(shù)等數(shù)控模擬系統(tǒng)，并能由此解釋生成各數(shù)控系統(tǒng)的GM代碼，接著由NGNCI系統(tǒng)轉(zhuǎn)換生成二進(jìn)制代碼，通過并行口，傳送到單片機(jī)，然后由單片機(jī)以高低脈沖控制相關(guān)的步進(jìn)電機(jī)動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工。

2) 學(xué)生端的NGNCI系統(tǒng)客戶端主要完成各種其他數(shù)控系統(tǒng)的界面模擬、按鍵接受、GM代碼的解釋，以及通過TCP/IP協(xié)議與NGNCI服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)的硬件平臺及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)

NGNCI系統(tǒng)的硬件平臺是采用單片機(jī)通過執(zhí)行其存儲器內(nèi)的加工程序來完成數(shù)控要求的全部功能，包括接口電路、伺服驅(qū)動等。主要的功能是根據(jù)輸入的加工程序GM代碼的二進(jìn)制指令，由單片機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，形成理想的運(yùn)動軌跡，插補(bǔ)計(jì)算出的位置數(shù)據(jù)輸出到伺服系統(tǒng)，控制伺服電機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加工出所需要的零件。NGNCI系統(tǒng)的硬件平臺的框圖如圖3所示。

1) 單片機(jī)PIC18F452簡介

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

在本系統(tǒng)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(shè)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(chǎn)生中斷。依據(jù)RB接口的這種邊沿中斷功能，我們設(shè)計(jì)使用RB4和RB5作為手輪狀態(tài)檢測，RB0作為PC并口的數(shù)據(jù)命令檢測。

RC0-7用于控制數(shù)據(jù)輸出。

RA0-5用于機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入。

RE0-2經(jīng)過74LS138譯碼后用于控制數(shù)據(jù)輸出和機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入的選通信號。

RD0-7用于接收并口數(shù)據(jù)。

2) PC并口與單片機(jī)的聯(lián)接

并口的數(shù)據(jù)口接單片機(jī)的RD0-7。

并口的控制口接單片機(jī)的RB0-3用于PC并口的數(shù)據(jù)輸出命令的定義，同時(shí)接到74LS138譯碼器的輸入端用于PC并口的數(shù)據(jù)輸入選通。并口的控制口的D0定義讀寫命令，0表示寫數(shù)據(jù)，1表示讀數(shù)據(jù)；D1-3定義讀寫數(shù)據(jù)的含義。

并口的狀態(tài)口接邏輯控制單元的數(shù)據(jù)緩沖器。數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)是由單片機(jī)經(jīng)過RC0-7和RE0-2輸出的。

3) PC并口與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

PC并口與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖4所示。

PC并口讀取邏輯控制單元的數(shù)據(jù)時(shí)，先將要讀入的數(shù)據(jù)的地址寫入并口控制寄存器，邏輯控制單元的將選通相應(yīng)的數(shù)據(jù)到PC并口的狀態(tài)寄存器。然后PC從并口的狀態(tài)寄存器讀取數(shù)據(jù)。

PC并口傳輸數(shù)據(jù)到邏輯控制單元時(shí)，先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寫入并口數(shù)據(jù)寄存器，然后將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(fā)邏輯控制單元的單片機(jī)中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⒆x入數(shù)據(jù)和地址信息，分析后作出相應(yīng)的控制操作。

注意：由于PC并口傳輸數(shù)據(jù)需要并口控制寄存器的D0位的邊沿變化來觸發(fā)邏輯控制單元的單片機(jī)中斷，在傳輸數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，然后再寫數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

NGNCI系統(tǒng)適合應(yīng)用于中等職業(yè)中學(xué)、高職院校數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等教學(xué)過程。

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