基于教学环境的数字化车间搭建①

祁晓亮等

摘 要：随着生产方式不断发展，学校需要对固有的教学方式作出改变。该校在原有Predator SFC（生产车间集中控制管理系统）的基础上，将三个实训教室进行整合而入。在VB6.0和SQL Server的开发环境下，搭建了一个适宜教学的数字化车间管理系统。系统采用C/S架构，并独具特色的在客服端，即在学生提交加工程序到教师前先对其进行了初步的检测。在提升教师工作效率的同时，减少了学生在实践生产中可能产生的危险性。而且简单实用的管理模式在简化传统教学模式的同时，增加了学生机床实践的机会，让学生能更加全面的了解到现代制造技术的系统流程。

关键词：数字化车间 生产管理 系统管理 数控加工

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0191-03

随着该校管理信息化建设的需要，以及为了提高教学质量和管理效率，加快教学进度，提高数控设备综合利用率，为此计划搭建目前先进的数字化车间信息管理系统。

目前，我校现代工业实训中心已经完成了世界领先的Predator SFC（系统解决方案）系统中的Predator DNC（分布式数控）、Predator MDC（生产数据采集系统）、Predator Tool Crib（刀具管理系统）、Predator Traveler（电子工艺管理及派工系统）等系统的实施，并应用于实际教学，Predator MES（制造企业生产过程执行管理系统）-SFC（生产车间管理系统）中的各子系统模块相互间无缝集成，所以上述系统的建立为此次项目实施搭建了基础数据平台。

这一整套的Predator解决方案虽然可以完美的达成要求，但是学习的成本过高不适合在教学中应用。为此需要配合老师的教学方式和使用习惯，编写既能引导学生习惯数字化车间管理的概念，又能降低教学成本的信息管理系统。

1 网络搭建

如图1的布局图所示，位于左边的两个教室本别是数控铣床教室和数控车床教室，其中各自包含了一台教师机和若干学生机；位于画面右侧的则是AutoCAD教室，其中包含有一台教室机、若干学生机和一台Gallop公司提供的服务器，其主要的作用就是对画面中央的这8台车床、8台铣床进行管理。

项目之初，三个教室和被服务器管理着的机床（图中央）之间是互不相连的，为了项目的实施，需要重新搭建网络。出于安全性的考虑尽可能的让学生机与Gallop服务器隔离开，所以在网段划分上如下图2所展示的那样，分成了教师机网段192.168.2.0和学生机网段169.254.0.0并在学生机网段内购置了一台工作站作为学生获取课程任务和刀具等信息的渠道。教师机与学生互联，在取得学生提交加工程序的同时，隔绝学生对服务器直接进行操作的可能。服务器通过交换机与教师机互联的同时，自身通过AP与机床互联。至此，将三个教室和机床完全的整合到了一起。

2 系统方案

该系统采用C/S架构，重点运用Gallop公司提供的API进行编程，根据教学需求构建出一个适宜教学环境的数字化车间管理系统。从功能上包含加工程序管理、加工程序检测、课程任务管理、学生信息管理、刀具库管理和机床管理六个方面。从结构上分成学生端、教师端和服务端，分别部署在学生机、教师机和服务器上。为了方便理解，该章会先理出一个加工程序管理流程，也是该系统最重要的功能的主体流程，然后再分学生端、教师端、服务端在结构上对系统进行介绍。

2.1 加工程序管理

如图3流程图所示，对于主体的流程做了简单的概括。解释了加工程序从学生上交开始，经历了程序检验和老师审批上传至服务器，直至最终学生从机床上调出自己提交的加工程序为止的整个过程。

2.2 学生端

学生端所包含的主要功能有：加工程序检测、加工程序提交、状态跟踪、规范获取和信息验证。

学生端的主要任务就是对于加工程序的检测与提交，同时对加工程序的状态进行跟踪。但是为了完成这项任务，必须具备获取检测规范的能力，同时出于对加工程序更合理的考虑，所以也必须具有对于学生信息的验证。

2.3 教师端

教师端主要由加工程序的接收、展示和提交、历史记录查询、课程任务管理、刀具管理、车床/铣床状态获取、学生信息管理这几部分功能组成。

教师端的主要任务是：教师检测学生上传的文件是否符合本次任务的要求，并且把符合要求的文件发送到空闲车床和铣床加工以及查看学生上传文件的历史记录；添加每次需求的任务以及每次任务所需要的刀具的信息和管理登录教师客户端的账号信息。

2.4 服务端

服务端由加工程序接收、加工程序发布和车床/铣床状态采集三个功能组成。加工程序接收与教师端的功能相同所以不再赘述。而后两者牵扯到了Gallop公司提供的技术支持。加工程序的发布，其实就是将加工程序存储到相应车床和铣床在服务器中对应的文件夹。由于车床/铣床本身已经通过Predator SFC这一整套管理系统进行管理了，所以服务上的开发主要是对于原有系统的二次开发。车床/铣床的状态采集也是二次开发，主要是针对Gallop开放的API从数据库中得到从车床/铣床上获得的信息。

3 加工程序检测

学生作为初学者，犯低级错误的可能性很大，所以学生写的加工程序不能直接投入到实践操作中去。即使这样做了，也要先对加工程序进行核对，在操作时，也需十分小心谨慎，主要是因为如果只是考虑转速这类的操作，整个加工程序中出现的频率不是太多，也比较容易核对，但是如果考虑到进给操作的话。因此老师在教学中不使用学生自己设计的加工程序，这一做法是可以理解的，这也是在考虑到学生安全问题下的无奈之举。不过大量重复的操作正是计算机发挥才华的地方，所以检测程序会使这一现状有显著的改善。编写这类检测程序，自然需要对常用功能指令有所了解并对其使用规则相当熟悉，所以接下来会先介绍一些常用的功能，再对检测程序作解释。

3.1 常用功能指令

准备功能又称G功能或G代码，它用于指定工作方式，有模态和非模态之分。模态代码一经指定就一直有效，直到被同组代码取代它（只有同组代码才可相互取代）为止，或被M02、M30或紧急停止、按“复位”键撤销。非模态代码只在该代码所在的程序段中有效，在下一程序段则自动取消。常用准备功能键。

辅助功能又称M功能或M代码，它用于指定机床工作时的各种辅助动作及状态。

F功能用于指定进给速度，单位是mm/r或mm/min。F值指定后一直有效，直到新的F值取代为止。G00执行的是系统设置的速度，但不会撤销前面所编的F值。

S功能用于指定主轴转速，单位是r/min，当设定恒速切削时，单位是m/min。

T功能用于指定刀具号，进行自动换刀，如T0101，前面的01为刀具号，后面01为刀补号。

3.2程序示例

O0050 （第50号程序）

N10 S600 M03； （主轴正转，600r/min）

N20 T0303； （第3号螺纹刀）

N30 G00 X30.Z4.；（快进到循环起点）

N40 G92 X23.4 Z-42. F1.5； （螺纹切削循环1，第一刀切入0.225mm）

N50 X23.； （第二刀切入0.2mm）

N60 X22.7； （第三刀切入0.15mm）

N70 X22.4； （第四刀切入0.15mm）

N80 X22.2； （第五刀切入0.1mm）

N90 X22.05； （第六刀切入0.075mm）

N100 G00 X80.； （径向退刀）

N110 G00 Z100.； （轴向退刀）

N120 M05； （主轴停转）

N130 M30；（程序结束，并返回到程序开头）

3.3 加工程序检测

可以看出加工程序的检测主要检查的是两个指标：速度和量。也就是转速S，进给速度F和进给量。通过功能M代码和刀具T可以先对加工程序进行简单的拆分，先确保所有检查的程序段都使用同一刀具。然后以《机械切削加工手册》作为本软件的理论和数据依据，这本专门用于数控机床加工手册中的原理、公式和数据，但是在程序上是不可能死板的照搬公式和数据的，针对不同的场景，使用的情况可能不同。对于使用场景，我们找出了可能影响检测指标变化的两个原因，分别来自不同刀具和不同任务。教师通过不同的课程任务，及在任务中使用到的刀具的不同，根据使用场景的需要来选择不同的检测指标。这样做更有助于程序去适应不同的应用场景。

4 结语

该系统的设计，在Gallop提供的Predator SFC基础上，剔除了企业管理中纷繁复杂的管理模式，针对实际教学场景，以推广先进制造技术为主要目的，勾勒出一套效率极高、学习成本极低、易用性极强的数字化车间管理方案。主要包含加工程序管理、加工程序检测、课程任务管理、学生信息管理、刀具库管理和机床管理这六方面功能，提高了整个制造流程的学习环境，在提升教学质量的同时，清晰了管理的逻辑、增加了授课的效率。为实训中心的授课内容带来了新的技术和新的思维。同时为现代化制造技术知识的普及给以新的思路，为如今正飞速发展的制造行业带来新性的概念，给承担不起大型制造体系流程的中小型企业提出了一种新的解决方案。

参考文献

[1] 林洁，苏杰克，徐有章.Predator SFC系统在模具生产现场的管理及应用[J]. 航空制造技术，2006（4）：54-57.

[2] 马光辉，谢小星.大型企业数字化车间系统集成技术——CAXA网络DNC与PDM、MES的集成[J].CAD/CAM与制造业信息化，2008（5）：104-107.

[3] 张建超，王峰年，杨少霞，等.关于制造业数字化车间的建设思路[J].制造业自动化，2012，16：4-7.

[4] 郝理想.基于虚拟仿真的生产车间布局设计方法研究[D].合肥工业大学，2006.