网络化数控实验室的探索与研究

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命、或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统-信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型。

某学院工程训练中心结合网络技术、控制技术和数控技术的发展趋势，建设了数控智能网络实验室。在这个系统中，学生能够对产品进行设计、编程，并通过网络实时操作、监控数控机床的加工，完成产品从设计到网络制造的整个现代化生产流程。同时，该系统的生产管理系统让学生能够学到现代制造方面的管理知识。

一、实验室现状与建设目标

目前该学院工程训练中心有数控车床、数控铣床和加工中心等多种数控设备，以及CAD/CAM/CAPP等软件系统；但是硬件设备与软件设备相对独立，数控车床程序和加工中心程序采用计算机编程并通过串口传输NC程序，NC程序的管理和通讯比较混乱，不具备远程控制和数据交换，难以满足现代工业信息化系统的要求。

为此，训练中心采用数字加工网络智能技术精心设计，选择了一批硬件与软件，围绕着申报课题时提出的建设目标和课程的需求，打造了一个小型的实验室局域网，由实验基础数据管理系统、实验教师授课系统和实验学生学习系统构成[1-3]，较好地体现了模块化、分层次的工程训练培养计划。

网络数控实验室建设目标是：1.实验室电脑与车间机床同步。通过网络，电脑可以控制机床的各种操作，机床的操作可以同步显示在电脑屏上，也可以显示在实验室的大屏上。2.实验室的电脑与机床之间可以实现实时通讯、数据的传输，对机床执行的各种参数实行修改。3.让参加实验的学生提前进入到企业的管理角色。通过机床网络系统，查询机床相关信息，如：机床状态、使用效率、数量统计、相关的报表分析、统计、排产、订单等，根据学校的需求可以映射给外网（需要有用户名和密码）。这样学院特定人群的手机和电脑上都能查询到机床实时的相关信息。4.管理数据都可以通过实验室电脑或大屏幕以实时状态图的形式显示。如：（1）所有机床状态，断电的、正在加工的、报修的、闲置的等；（2）开机率，每台机床加工总时/通电时间的比值；（3）按时间段统计效率，年、月、日、时；（4）即时信息，打开机床的即时画面，每8秒钟刷新一次，显示机床的即时生产状态、刀具状态、利用率等表格；（5）历史记录查询，机床若干时间每天的状态记录；(6)生产查询，查询每台机床在一定时间范围内的加工数量、加工的程序名。

二、中心网络方案

根据该学院中心数控机床的功能、运行状况，由于需远程控制机床，带有一定的风险性，考虑到无线信号的抗干扰能力差，因此，网络规划还是按照有线的方案来设计。建立了局域网网络，结构如图1所示，数控设备的网卡通过光纤经交换机与服务器相连，某一数控设备的故障不会影响其他数控设备的运行，确保了在恶劣环境下的正常工作。

每台数控机床有一个网络摄像头和一组电流电压采集设备，服务器电脑通过电流电压采集设备来进行机床的数据采集。服务器统一控制和管理数控设备，软件采用广州数控监控与控制系统网络版，实验室的学生电脑通过摄像头和装上电脑上的控制软件来控制车间内的机床，包括参数修改、传输文件、真实加工等。学生通过客户端访问车间的生产管理系统，模拟车间的生产管理，如机床的使用效率，机床的生产情况，订单的生产情况。

图1 局域网网络结构

三、数控设备的远程控制

1.远程控制。软件在客户端的屏幕上显示与机床的控制系统界面一样的虚拟操作界面，而且能够同步，即机床上操作时，在电脑上的界面上的参数同样跟着变化，同样，在电脑虚拟操作界面中操作机床，这个操作也会在机床上发生作用（如图2所示）。通过远程控制，可以完成输入参数、对刀、换刀、运行数控机床等操作。

图2 计算机虚拟操作界面和机床操作系统

2.文件传输。具有相应权限的操作人员，能够通过网络将电脑的文件放到机床中，也能把机床中的加工文件复制到电脑中，并显示文件的大小、修改日期等，在加工时，选用相应的加工文件，以加工出合格的产品。

3.数控程序经CAD/CAM/CAPP系统产生后，编辑、仿真、管理到最后发送到机床进行加工，整个过程可远程完成，大大提高了效率。

四、网络系统的管理

本系统包括监控、远程控制和生产管理三大部分。每台数控设备、每个客户端均有单独的代码，加工的零件、图纸和加工程序也有相应的代码，这些数据均保存在服务器中，由用户在客户端对这些数据统一管理，机床只是作为一个终端用于加工。每台数控设备均可以按要求调用所需的加工程序,这样可以提高各部门的工作效率[4]。

系统的每个用户均有不同的权限，必须在登陆时输入用户名和密码，只有系统管理员具有分配管理任务的权限，对不同岗位的人的操作权限进行管理，也可以根据不同产品给予某些岗位特定的操作权限，使不同岗位的人员对不同状态下的数据或程序具有与其责任相对应的操作权限[5]，比如，有的岗位能进行编辑文件，有的只能调用；有的能远程控制，有的则不行。

生产管理系统可实时地知道数控设备的状态、加工的产品、加工的进度，实现生产数据的无缝连接，大大提高了生产效率和设备利用率，有利于建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的柔性生产模式[6-7]。

五、教学实践效果

网络化远程制造实验室的投入使用，使该学院的数控教学的水平有了很大的提高，也使学生受益良多。

1.培养出适应先进制造教学的教师队伍。通过网络化远程制造实验室的建设，教师学习了现代工程的设计、制造理念，把握先进制造业的发展方向，在学科理论与工程实践能力有了较大的提高，有利于提高工程训练的教学水平。

2.采用了新的教学模式。网络化远程制造实验室使得产品全生命周期的设计、工艺、制造等的教学成为可能，使学生通过网络就能学习相关知识。

（1）设计：运用CAD、Mastercam和Proe等绘图软件，学生可以完成零部件的设计，产品的整体设计和数字组装等，在设计过程中，可以提供国标的设计标准、设计文档和共享平台。

（2）工艺：可以提供工艺文档，如：CAD工艺图表和工艺汇总，学生在网络上建立工艺档案、材料清单和工艺参数等方面的内容。

（3）制造：数控设备自动编程的Mastercam软件，包括数控车软件、线切割软件、雕刻软件、数控铣软件等。并且兼容不同数控系统的数控机床的无线网络通信和联接，如Fanuc、西门子等操作系统。

学生运用软件自动编程，改变了数控实习中传统的手工编程、手工输入的固定模式，大大提高了效率。同时，该系统还具有仿真的功能，程序在使用前，学生可对程序进行实体仿真加工，能够及时发现问题并进行修改，避免在实际加工中出现问题。数控程序经检查无问题后，传送到数控机床，就可以进行加工。网络软件还可以完成在线加工、状态监测，实现了现代先进制造技术软硬件的无缝结合。

3.在数控教学中，初步构建了课堂理论教学、仿真实验实训和数控实训的三段式的培养培训模式。教学内容既可安排独立的实验验证或技能训练项目，也可安排综合的操作加工训练，灵活多样，突出能力培养的训练，激发了学生的创新能力。

数字加工网络智能实验室，打造了一个现代制造业的网络制造系统，使同学们能够对网络技术在现代制造业的运用有一定的认识，从而培养出具有现代制造意识，能运用现代科技知识解决工程问题的高素质、有创新意识的人才。

4.在数控教学中增加综合性、设计性实验，不断提高学生分析和解决实际问题的能力[8]。在工程实践教学的内容中，大大增加了数控教学的设计比重，激发学生的创新意识、创新欲望，培养他们的创新能力，建立适应学生个性化发展的柔性教学平台。在实践教学过程中，在完成基本操作技能训练的情况下，鼓励学生自己设计产品、选取工艺参数及完成加工，系统地运用他们学习的知识，验证自己的构思，充分调动学生实践学习的积极性和主动性，有利于培养他们的创造能力和综合能力，提高了实践教学的效果。

学生在实践过程中对产品的设计、工艺的选择、制造流程有更深的认识，教学效果不断提高，从而使学生的综合能力得到全面培养。

5.建立真实、先进和充满活力的工业环境。充分利用多学科工程渗透和集成，为学生营造一个集创新思维和大工程意识为一体的综合工程环境，加强了学生现代工业意识和创新能力的培养。

生产管理软件的运用使学生有机会了解企业的运营，在真实的产品的制造中获得实践的机会，不但学习到产品的设计、制造知识，还对企业的管理与运营有初步的认识，使学生在得到现代制造工程方面的训练的同时，对现代生产管理体系有一定的了解，丰富了学生的知识结构。

六、结语

该学院工程训练中心网络化制造实验室，是一个集监控、远程控制和生产管理为一体的系统，在教学过程中，为提高该学院的数控教学水平起到了积极的作用，使学生能够在对网络技术在现代制造业的运用有一定的认识，从而培养出具有现代制造意识，能运用现代科技知识解决工程问题的高素质、有创新意识的人才。

工程训练中心网络化制造实验室的建立，使该学院的工程训练教学充分体现了“三个转化”和“一个结合”，即：由常规的金工实习和电子工艺实习向现代工程实践教学的方向转化；由单机技能的实践教学向网络条件下的实践教学方向转化；由单一的操作技能培训向综合实践、创新实践相结合的方向转化；以及工程训练的教学过程与教学产品相结合。这些方面的转变都有助于培养学生的综合素质，提高工程训练的教学水平。

参考文献：

[1] 龙玲.高等学校数字化实验室的功能设计[J].实验室研究与探索,2004,23(9):24-48.

[2] 屈泳,张文咏.高等学校数字化实验室的研究与实现[J].实验技术与管理,2007(11):146-148.

[3] 徐朝军,李艺.数字化实验室的建设[J].实验室研究与探索,2003,22(1):9-12.

[4] 王黎辉,周宏根,张胜文.数控车间管理控制系统研究与开发[J].机械设计与制造,2006,2(2):74-76.

[5] 施吉祥,任祖平.基于网络制造实验室的数控网络化技术研究与实现[J].机械制造与自动化,2007,36（4）:77-80.

[6] 鄂明成,张敏,李建勇.网络化数控教学实验室的构建[J].实验室技术与管理,2005,22(6):109-115.

[7] 闫伟国,王敏杰,王敏锐.基于以太网和TCP/IP的DNC通信技术研究[J].大连理工大学学报,2003,43(1):77-81.

[8] 王月英,施吉祥.网络化制造实验室探索与研究[J].实验室研究与探索,2008,27(1):4-6.