基于“开放式数控系统”的机械工程专业硕士实践教学设计

彭宝营

摘 要：较强的机械装备研发能力是机械工程专业硕士培养的重要目标，开放式系统具有二次可开发性、柔性及良好的适应性，在机械装备的开发中应用日益广泛。将开放式系统应用于机械类专业硕士实践教学，从复杂零件数控编程、PLC控制、数控插补、传感器伺服控制、控制界面二次开发等角度，开展实践型实验教学设计。为提高机械工程专业硕士研发能力、培养“产学研”一体化人才、完善机械工程专业硕士实践教学体系提供基础。

关键词：开放式数控系统 机械工程 专业硕士 实践教学

中图分类号：G642.0 文獻标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0120-03

随着我国经济社会的快速发展，由于缺乏实践能力，传统的学术型硕士的培养已经无法满足经济设备的发展需求，社会在工程等专业领域对高层次、 应用型专门人才的需求越来越强烈。在这种情况下，专业硕士应运而生。专业学位研究生教育的核心目标是培养高层次应用型人才， 满足经济社会发展对高级专门人才的迫切需要。专业学位研究生教育是以职业为依据，培养从事实际工作的高层次应用型、复合型“实用专家级”人才[1] 。而机械工程学科是最具综合性和工程实践特征的工科学科之一，“机械工程”专业硕士主要目标是培养具有专业基础知识与专业技能， 能在生产一线从事机械工程专业产品的设计制造、控制开发、应用研究和生产管理等工作的应用型高级专门人才[2]。要达到这样一个培养目标，专业实践是必不可少的重要环节，充分的、高质量的专业实践是专业学位教育质量的最重要保证[3]。

数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品[4]，数控技术是机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机地结合，数控系统又是数控技术的核心。因此，基于数控系统的研究和教学是十分必要的。传统的数控系统仅能进行数控编程，结构封闭、柔性差、不具备二次开发功能，即限制其在高端、柔性数控机床上的使用，也不利于机械工程专业硕士阶段的实践教学。开放式数控系统具有开放、柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的PC软硬件技术等优点[5]，已成为新一代数控技术的主流。在开放式数控系统中，工业PC机+开放式运动控制器形式的开放式数控系统是当前应用最为广泛的开放式数控系统。在现在市场上该类开放式数控系统中，美国Delta Tau公司的PMAC[（Programmable Multiple-Axis Controller）运动控制器，基于PC 机平台，是一个完全开放的系统，是目前功能最为强大，开放性最高、灵活性最好的一种控制系统 [6]。利用PMAC开放式数控系统的优势，将其应用于机械类专业硕士现代制造工程技术实践教学，为提高机械类专业硕士的实践能力及研发能力提供基础。

1 开放式数控系统实践教学环节设计

根据机械工程专业硕士的培养计划、开放式数控系统及机械工程行业特点，从复杂零件数控编程、PLC控制、数控插补、传感器伺服控制、控制界面二次开发等角度，开展实践型实验教学设计。使学生在掌握实际设备开发技能的同时，掌握科学研究的方法，提高学生独立思考及解决实际问题的能力。

1.1 复杂零件数控编程实验

数控加工是机械工程专业最具实践性的课程，是多学科知识的融合。在研究生阶段，数控编程学习的重点已经不是由直线和圆弧构成的简单轮廓加工编程，而是复杂轮廓零件的计算机辅助编程模块开发。为锻炼专业硕士的实践能力，将微分几何、数值计算相结合，利用开放式数控系统，开展复杂型线零件自动编程模块开发实践教学环节设计。

凸轮具有型线复杂、种类繁多的特点，是复杂零件的典型代表。利用高级语言，根据凸轮设计参数完成凸轮廓型计算，生成加工坐标。运用PMAC系统自带的Pmac Plot32 Pro采集软件，采集凸轮加工实际坐标，得到凸轮廓形曲线如图1所示，可根据该图形验算自动编程计算的准确性。

1.2 PLC控制编程实验

与应用于过程自动化的专用型PLC不同，数控系统的PLC属于内嵌式，主要处理设备本身的逻辑运动控制。而开放式数控的PLC进一步缩小了PLC程序与运动之间的区别，PLC可以实现复杂的运动、在线参数设置、过程计算及运动程序触发等功能。

PMAC开放式数控系统自带的PLC功能，其工作原理同于在工业控制领域应用广泛的PLC。但它又不同于其他PLC，它的编程方式不是其他PLC的梯图编程，而是采用类似于BASIC等高级语言的编程方式，无须专用编程器，更加灵活、方便，易于存储，打印观看和调试，并且起执行速度远超过普通PLC。通过该环节实践学习，可大大提高研究生的逻辑思维能力和机械装备研发能力。运用VC++，开发开放式数控系统PLC控制编程界面如图2所示。在该界面下，调整软拨码开关，可实现输入信号状态的切换，界面上的指示灯可以表示输出的状态，在程序窗口输入PLC控制程序，可实现逻辑控制、运动控制、参数设置、程序调用等多项PLC高级功能的开发实训。

1.3 数控插补实验

对数控系统输入的基本数据，运用一定的算法计算，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要“插入补上”运动轨迹各个中间点的坐标，通常将这个过程称为“插补”，插补是数控系统的重要功能指标。目前，新的插补算法层出不穷，已成为数控技术的研究热点。针对插补开展实践教学，将有力地加强研究生对数控系统、运动控制的理解能力。

PMAC系统具有直线插补、圆弧插补、样条插补和PVT插补功能，插补算法是已经封装好的，只需一条指令即可实现。但为了让学生能够更清楚地了解插补的原理，设计插补原理教学环节，采用编制一个运动程序的方法来分解插补原理，图3为，利用PMAC系统，开发、采集的逐点比较法直线插补轨迹。

1.4 传感器伺服控制实验

随着对设备工艺要求的提高，需要运动控制系统还要控制设备运行的力、转矩、加速度等信息的直接控制，以及这些被控量的混合控制。例如，数控加工过程中的切削力控制、纺织行业的张力控制、机器人控制、液压行业的液力伺服控制等。位置、速度以外传感器闭环伺服控制，是开放式数控系统的重要功能，该功能涉及控制工程、伺服技术、传感器技术、信号处理技术等多个环节，可提高研究生的综合实践能力。

传感器伺服控制主要有伺服环级联与自定义伺服算法两种方式实现。由于张力传感器应用场合较多，因此选择张力作为控制目标，根据PMAC系统传感器伺服控制原理，开展研究生传感器伺服控制实验设计。将张力信号作为系统输入，通过对运行速度进行调节，最终达到力与速度的混合控制，并保持系统张力的稳定。利用PMAC系统，进行的张力控制效果如图4所示。

1.5 上位控制軟件开发实验

与传统数控系统相比，开放是系统最大的优势是可以方便地运用高级语言二次开发，用户可以嵌入自己的CAM算法，便于复杂工艺装备的开发。PMAC系统支持Visual C++、Visual Basic、C#、LabView、Delphi等高级语言二次开发[7]。

进行基于开放式数控系统的控制界面二次开发，将有效锻炼专业硕士研究生的高级语言编程的能力、提高其对数控系统软硬件的理解和认识。为提高学生的自主性，上位编程语言不指定，由学生根据自身特长任选。添加系统自带动态链接库后，调用系统函数，可方便的开发出具有显示、下载、编辑、加工坐标计算等功能的控制界面，图5为利用Visual C++6.0开发的开放式数控系统二次开发控制界面。

2 结语

开放式数控系统功能强大，是未来数控技术发展的重要方向，将其应用于机械工程专业硕士实践教学，将有效提高专业硕士的综合实践能力和实际设备开发能力。但开放式数控系统应用复杂，短时间掌握难度较大，相关教学方法及教学体系有待进一步完善。

参考文献

[1] 李明磊，王铭.专业学位研究生的培养与质量保障——第五届中国研究生教育学术论坛综述[J].学位与研究生教育，2012（12）：25-28.

[2] 郑鹏，吴建权，沈会祥，等. “机械工程”专业型硕士研究生校企联合培养创新模式研究[J].科技创新导报，2015，10（22）：207-209.

[3] 韩宝坤，张悦刊，孙雪颜.机械工程领域全日制专业学位研究生实践能力的培养[J].教书育人：高教论坛，2014（10）：26-27.

[4] 朱哓春.数控技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5] 王婧，于镭.开放式教学型数控系统研制 [J].机电产品开发与创新，2010（10）：26-27.

[6] 赖国庭，吴玉厚，富大伟.基于PMAC的开放式数控系统研究[J].制造业自动化，2002（9）：34-36.

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