数控电火花机床IETM设计方法研究

姜巍巍，尚 研，王春艳

（1. 海军装备研究院，北京 100161；2. 北京理工大学 工程训练中心，北京 100081）

0 引言

数控实训是一门实践性很强的课程，目的在于提高学生的实际操作能力。通过“211”工程建设，我校工程训练中心购置了数控线切割、数控电火花机床等先进设备，为学生数控实训提供了物质基础。但数控电火花机床实训中存在以下问题：1）实训时间短，数控线切割及数控电火花加工只有一天时间。并且学习理论知识的时间比较多，几乎占总课时的百分之七十，而试验、实际操作的时间仅占了百分之三十。2）数控设备相对较少。3）学生在机床上加工时，设备容易出现故障，例如断丝。4）实习消耗过大：传统的实习模式，要求学校提供充足的资金来保障实习工位和材料消耗，但实习消耗过大，一直是困扰学校实习教学的因素之一。怎样在时间紧、培训内容多、设备少、故障多的情况下，快速维修、提高实训效果、培养学生的动手能力，是数控实训中急需解决的问题。

目前数控电火花机床发生故障时，大多数情况下是请生产厂家派维修人员来现场维修，待机时间长，费用高，所以我们应提高自修能力，尤其应训练学生修理简单故障的能力。虽然生产厂家为我们提供了一些技术资料，如说明书、维护手册、技术图纸、故障手册等，但这些技术资料大多是纸质手册或是较简单的PDF电子文档。这些手册在实际使用中存在着携带不方便、难于查找，且查资料必须中断维修行为，更新困难、时效性差，媒体种类少，不易于理解等诸多问题，所以急需一种能够进行现场维修快速指导、快速培训的技术信息资源。

交互式电子技术手册（IETM）是一个可用于装备操作、维修、训练且能够为电子显示系统的终端用户提供精心设计的、规格化的交互式视频显示内容的信息包[3]。这种手册的应用将会提高数控电火花机床的维修效率，减少停机时间，提供给学生更多的训练时间，提高学生的实操水平。

本文采用交互式电子技术手册（IETM）技术设计数控电火花机床IETM系统，创建IETM的结构框架，提出数控电火花机床IETM的设计方法，来消除传统数控实训教学中存在的弊端，促使实践教学进行一系列的改革，使课程安排更合理，教学方法更科学，提高机床利用率。

1 数控电火花机床IETM系统的特点

作为交互式电子显示系统，数控电火花机床IETM系统具备以下几个特征[4]：

1）形象性。采用多种格式显示技术信息，易于学生操作，提高学生对知识的理解能力。由于线切割加工时间较长，学习实习已结束而工件还未加工出来。现在通过数控电火花机床IETM系统进行实训能创造一个与实际近乎相同的特性环境，学生可以从任意角度观察数控电火花机床加工过程，毛坯变为成品的过程形象生动，并且节约了大量的时间。

2）交互性。以往的电化教学学生是被动式、单向式，虽然直观但不具备交互性。采用数控电火花机床IETM系统，技术信息的元素之间相互关联，学生可通过多种途径访问到自己所请求的信息，具有交互的信息支持和操作向导，能引导学生熟悉数据传输的过程及数控机床的操作步骤。在此过程中学生可以独立操作模拟机床，出现问题，可以快速查询IETM，找到解决方法，培养他们的动手能力，而不必担心学生的安全。

3）安全性。采用数控电火花机床IETM系统进行模拟实训不会因为学生操作失误，对操作对象如仪表、元件、工件、刀具等造成实质性损害，如撞刀、毛坯报废等；更不会对学生造成人身危害。而且，IETM中集成多媒体信息，多媒体中的声、光、文字警报，完全可以对学生操作错误进行提醒和纠正。

4）方便性。IETM可存储于光碟或硬盘上，减少了技术资料的存放空间，提高了携带的便利性。IETM能够通过无线电、网络等通信媒介进行传递，使技术资料的更新、运输和分发更加容易和快捷，并可以实现数控电火花机床的远程技术培训。

5）高效性。IETM可代替一些过去需要在院校课堂培训的有关数控火花机床原理、使用、维修的内容。由于IETM 技术提供的信息快捷、准确、针对性强，即使是缺乏专门经验和技能的人员也能在其引导下完成复杂机床的某些操作和维修任务，完成的效率远高于使用纸张型技术手册且经验丰富的技术人员，从而可缩短整个培训周期，缩减培训机构的数量和规模，并且可以在很大程度上消除地理区域上的培训约束，可以边工作边进行训练。

以上这5个特征都是纸质技术手册在信息化时代无法实现的。同样，IETM的这些特征也构成了它在数控电火花机床数字化实训与维修中的发展空间。

2 数控电火花机床IETM的设计方法研究

根据数控电火花机床实训的特点，数控电火花机床IETM的设计采取标准化、互操作性、模块化设计方法，这是现代产品设计的特点和发展方向。

2.1 IETM的设计标准

IETM的核心问题是实现信息共享和产品数据的互操作，而标准是实现信息共享的前提和基本保障。所以，IETM的开发工作必须在相关标准的严格指导下才能进行。如果自己随意设计开发IETM，则易形成信息孤岛，无互操作性和共享性[5]。

2007年7月，欧洲宇航与防务工业协会与美国航天工业协会、美国航空运输协会联合发布了S1000D规范的最新版本3.0版。S1000D规范采用了ISO国际标准和CALS及W3C的标准，内部信息以中立格式（XML）产生，使用模块化概念，通用性强，适用于所有武器装备和民用装备用户技术资料的出版活动，支持以纸型和电子格式（如IETM）出版发布。该规范已在欧美众多海、陆、空等武器装备以及核电站、民用航空等领域的技术支持与服务中得到了应用。由于国内还没有IETM 方面的标准，所以本文在设计数控电火花机床的IETM时，将按照S1000D规范3.0版的要求，采用标准的数据格式实现数据互操作性和共享性。

S1000D规范的重要特征是为IETM制作提供了一个开放系统描述方法，以数据模块（DM）和通用源数据库（CSDB）共同组织管理数据信息。CSDB和DM作为S1000D中的两个核心概念，用来保证IETM实例间的信息共享和交换。

2.2 数据模块的设计

图1 数据模块的通用结构

模块化的设计思想贯穿于现代产品制造和产品数据管理，S1000D中数据模块化理念也是在模块化思想驱动下应对现代复杂装备信息管理的一种有效解决方案。S1000D使用数据模块的概念，能从不同的方面来节省费用，并能缩短IETM制作完成时间。首先DM的重用能够降低技术手册的生成费用，传统上，重用的概念局限于文档级上，而S1000D强调的重点是独立的部件和零件，它能在零部件级的DM上进行重用，这样DM可以从一个项目复用到另一个项目中去，即在DM全部制作完成之前，已经有大量的可用DM存在。当装备保障需求改变时，仅修改其中一个DM，即可影响到生成的技术文档，这正符合了CALS战略中“一次创建，多次使用”思想。其次，文档的共享交换费用也能够被降低到最低，因为文档的交换能够在零件级上以DM交换的方式进行，而不是在整个产品级上交换整个技术文档。

根据结构决定功能的原则，以实现技术信息交互、共享、中性为目标，设计了数据模块的二维结构。DM在使用过程中要能够实现下面的功能要求：一是DM能够便于数据库管理；二是便于信息内容的检索与查找；三是能够被赋予变量来增强适用性；四是体现装备保障主题的组合与排列。这些要求的实现必须使DM具备自我描述的能力。所以，每个数据模块包含两部分结构：

第一部分为标识状态段，包含了DM的元数据信息，即DM的标识信息(如编号、标题、发行号、发行日期、所用语言等)和状态信息(如保密等级、适用性、质量保证状态、更新原因等)。这些数据可以用于文档类型管理、适用性管理、质量控制程序管理、检索和查询管理等。在向用户提供技术信息时，这部分内容并不显示。

第二部分为内容段，包含了要显示给用户的文本信息，是文档内容的主体。S1000D3.0版根据文档中所描述的信息内容，将数据模块分为13个类型，并为每个类型分别定义了DTD和Schema。

设计数控电火花机床IETM数据模块时结合数控电火花机床实训的需要，以及考虑S1000D规范在我国的适用性，有选择地采用了七类数据模块，分别是描述信息、人员信息、故障信息、程序信息、零部件信息、维修计划、过程信息。不同类型的数据模块拥有不同结构的内容段，但拥有相同结构的标识状态段，数据模块的结构如图1所示。各个数据模块之间使用数据模块编码（DMC）相互区分，可利用DMC管理整个产品的数据模块。

2.3 CSDB数据库的设计

所有的数据模块均存储在后台数据库中，数控电火花机床IETM系统的后台数据库采用通用源数据库(CSDB)。S1000D规范中通用源数据库是技术信息存储与管理工具，它也被用于媒体输出，用于生成纸质或电子格式的出版物，它是实现信息“一次创作，多次使用”的核心基础。CSDB存储的信息对象主要包括：数据模块（DM）、图形与多媒体模块、信息集与出版物模块（PM）、配置与管理数据等。

本文使用Microsoft SQL Server 2000作为CSDB数据库管理系统。它具有强大的XML数据操作能力，使用OPENXML语言解析XML文档中的数据，自动将其存入数据库中，也可以从数据库中检索XML元素，并重新组合为XML文档。多个用户都可以使用通用源数据库，可以对CSDB中存放的产品技术信息进行添加、删减或修改，这样既满足了用户多样化的需求，又保证了数据来源的惟一性。

图2 部分实体类及类属关系

图3 系统界面

XML数据模块存入CSDB，存储规范，统计、并发事务处理技术成熟，但需要对XML文档的数据进行重新组织，主要是通过增加一个映射层来管理XML数据的存储，它是XML与数据库之间转换的桥梁。本文设计的数据库部分实体及联系如图2所示。

2.4 数控电火花机床IETM用户界面设计

用户界面借鉴成熟的显示软件，采用文字、表格、图形、声音、视频、动画及虚拟现实技术等多种形式显示相关信息。界面采用左侧目录树，右侧对应相应的显示内容方式，实现出版物模块或数据模块与相应内容的一一对应，同时结合显示要求，实现上下步导航、数据显示隐藏、超链接等功能。依托web页面灵活显示技术信息，以此增强IETM技术信息的理解和交互能力。本文设计的数控电火花机床交互式电子技术手册系统界面如图3所示。

3 结论

数控电火花机床IETM系统可以作为图文并茂、声像俱全的维修支持系统和进行虚拟维修教学的交互式机床维修培训系统，用于现场维修的指导和操作与维修人员的培训，可使数控电火花机床的操作过程更加直观、通俗，提高维修效率与质量、培训效果与质量，缩短维修与培训时间；IETM体积小、重量轻、便于携带，也可以通过无线电、网络等通信媒介进行传递，实现数控电火花机床维修的远程技术支持。数控电火花机床IETM的应用对于提高数控电火花机床实训水平具有重大意义。

[1] 朱森第.加速制造业的自动化进程,努力提升制造业的竞争力[J].制造业自动化,2000,22(3):1-4.

[2] 苏德清.可靠性技术标准手册.北京:中国标准出版社,1994.

[3] 陈信钦.交互式电子技术手册( IETM) 的技术研究[D].武汉:海军工程大学,2003:13-14.

[4] 杜晓明,王丹,常雷.集成化的交互式电子技术手册技术研究[J].装备指挥技术学院学报,2006,6.

[5] 顾秀君,解洪成.制作交互式电子技术手册标准化要求.江苏船舶,2004,21(5):38–41.