基于Internet的数控机床实训系统架构设计.doc

一、学位论文开题报告论文题目基于Internet的数控机床实训系统架构设计研究方向系统构架设计题目来源国家部委省市厂、矿自选有无合同经费数备注题目类型工程项目规划管理工程设计工程技术技术攻关改造推广应用基础性研究其它一、课题来源、选题依据、课题研究目的、工程应用价值1、课题来源：数控机床是机械加工企业的基础生产设备，企业需要大量的掌握了相关技术的操作人员。因此，数控机床操作人员的培训是相关职业院校服务企业的重要一环。而目前，数控机床操作人员的培训在每个培训阶段均需要借助于具体真实的数控机床，并要求被培训人员在数控机床现场进行操作，这就使得培训受到场地、设备、时间等方面条件的约束。并且，许多中小型机械加工企业的在职员工也不便于脱产离职去参加培训。但实际上，数控机床的培训过程可以划为若干个阶段，有的阶段培训不一定需要在真实的数控机床上进行，而可以借助于三维虚拟仿真环境来进行，如：零部件加工程序代码的编写阶段；但有的阶段又必须在真实数控机床上完成，以提高培训的真实感及效果，如：加工程序的执行阶段。这样采用虚实结合的方法，即克服了纯虚拟实验的不真实感，又克服了传统实验中被培训人员必须到数控机床现场的局限。使得被培训的人员不受地域、时间限制就能进行数控机床操作的培训。这样就提高了企业在职人员培训的便捷性，提高了培训设备的利用率。本课题研究意义还在于探索了高职院校利用Internet服务于企业员工培训的一条新途径。其成果可以建立相关高职院校在科技服务、科技创新方面服务于企业的一个平台，特别是对中小型企业人才的培养。同时本分课题成果还可以推广到其他实训项目中。2、本课题选题依据：数控机床操作人员的培训，传统的方法是相关职业学院建立实际的数控机床实训中心,购置相关型号的数控机床，被培训人员需要来到实训中心，具体在机床上进行操作。但这种传统的培训模式会受到空间、时间等因数的限制。特别是在职员工的培训，往往受到时间限制，而不能离职脱产完成培训。另外，数控机床人才的培训主要可以分成三个层次来进行。第一个层次是培训数控机床具体操作的人员；第二个层次是培训数控工艺编程人员；第三个层次是培训数控机床综合性人才。前面2个层次人员的培训是中小企业所急需的，占到了数控机床人才培训的83.7%。而这2个层次核心培训内容是培训数控机床的操作和编程，而这些内容的培训可以借助于Internet网及计算机三维仿真技术来完成。目前，国内业已出现了采用三维虚拟技术来建立数控机床纯虚拟仿真系统，包括机床的各种动作、零部件被加工后的形状等，均是仿真的结果，利用此虚拟仿真系统来进行数控机床操作及编程的培训。但是，这种数控机床的虚拟仿真系统有一个缺陷，就是真实感缺失。随着社会对职业性人才的需求越来越广，对高职院校的实训中心开放程度的要求也越来越高。传统的实训中心，借助于Internet网来提高其开放性是一个必然的趋势。这除了要建立实训中心的相关网站，进行实训课程信息开放外，重点是构建基于Internet的网上实验环境。本课题的研究内容目前在国内还未看到有相关研究报道。3、本课题的研究目的：是利用计算机网络技术、计算机远程控制技术、视频采集传输技术、三维虚拟技术等，构建一个虚实结合的数控机床培训平台，利用该平台可以面向广大中小型企业在职人员进行数控机床实训，实现人才培养的便捷性，经济性。4、本课题工程应用价值：数控机床是机械加工企业的基础生产设备，企业需要大量的掌握了相关技术的操作人员。因此，数控机床操作人员的培训是相关职业院校服务企业的重要一环。而目前，数控机床操作人员的培训在每个培训阶段均需要借助于具体真实的数控机床，并要求被培训人员在数控机床现场进行操作，这就使得培训受到场地、设备、时间等方面条件的约束。并且，许多中小型机械加工企业的在职员工也不便于脱产离职去参加培训。但实际上，数控机床的培训过程可以划为若干个阶段，有的阶段培训不一定需要在真实的数控机床上进行，而可以借助于三维虚拟仿真环境来进行，如：零部件加工程序代码的编写阶段；但有的阶段又必须在真实数控机床上完成，以提高培训的真实感及效果，如：加工程序的执行阶段。这样采用虚实结合的方法，即克服了纯虚拟实验的不真实感，又克服了传统实验中被培训人员必须到数控机床现场的局限。使得被培训的人员不受地域、时间限制就能进行数控机床操作的培训。这样就提高了企业在职人员培训的便捷性，提高了培训设备的利用率。二、中外文献与资料阅读清单（要求30篇以上）篇数34其中外文文献与资料篇数10序号题 目（及作者）出处（书籍及出版社、期刊名及期刊卷期号等）1基于Internet的网络化制造集成技术（陶桂宝,刘飞,王时龙）重庆大学学报(自然科学版), 2001,(01)2网络数控系统的组成结构与信息集成（贾金艳）中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕),2001,(01)3虚拟制造系统及虚拟产品性能的分析评价 （赵秀平）中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕),2001,(01)4网络数控的结构模式与实时通讯技术研究（陈昆）中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕),2002,(02) 5网络数控操作平台的研究与实现（黄湛）中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕),2002,(02)6多传感器数据融合技术在刀具状态监测中的应用（郑金兴,张铭钧,孟庆鑫） 传感器与微系统, 2007,(04)7Dave HarroldManufacturing for Process IndustriesControl Engineering，2001，48(9)：45528敏捷DNC系统的理论探讨（熊斌,谭建荣,何余仁,张思荣,刘振宇）计算机集成制造系统-CIMS, 1999,(06) 9面向网络制造的网络结构设计方案研究 （何大勇,查建中,姜义东,王春喜）制造业自动化, 2000,(05) 103GPP, Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output simulations. TR 25.996, V 6.1.0, 2003.11Development of a PC-based Open Architecture Software-CNC SystemChinese Journal of Aeronautics, 2007,(03)12具备智能特征的开放式数控系统构建技术研究（胡世广）中国博士学位论文全文数据库,2008,(08)13基于CAN总线的楼宇智能监控报警系统研究与设计 （赵雨斌,苗满香,陈宇）安防科技, 2009,(01)14开放式数控系统数据通讯管理与状态监测技术研究（张侠）中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008,(08)15嵌入式系统原理及接口技术 （符意德主编）清华大学出版社(ISBN 978-7-302-15646-8/TP36) 2007，（10）序号题 目（及作者）出处（书籍及出版社、期刊名及期刊卷期号等）16FANUC Series 0 - TD/MD OPERATORS MANUAL.FANUC LTD , 199417Brooke Nigel, Herklot Tim. Choosing and implementing a serial-data interface J.Electronic Engineering, 1996, 68:46 -51.18Jaler V，Lar RWH，Green MRealtime Multi-resolution Modeling for Complex Virtual EnvironmentsProc VRST96，Hong Kong，1996：109-11819Heekbert PS，Garland M Multi-resloution Modeling for FastRenderingProc，Graphics Interface，Canadian，1994：43-5020开放式数控机床主轴控制的软PLC实现（丛秋波）电子设计技术 2009,(11)22开放式数控系统关键技术研究 （游有鹏）科学之友(B版) 2009,(10)23Erkes J W, Kenny K B, Lewis J W. Implementing shared manufacturing services on the world-wide webJ .Communi2 cations of ACM, 1996,39 (2) :34 - 45.24CAPP系统研究（刘长安）山东大学 2003，（03）25数控实时系统调度理论及应用研究（姚鑫骅）浙江大学2006 ，（07）26数控网络教学实训系统的建设与实践 （张勤.魏保立）郑州铁路职业技术学院学报，2003,(03)27拓展远程教育网络平台 构建仿真实践教学系统（龚辉）中国电化教育, 2007,(07)28高职院校数字化工业中心系统设计（柯和平,何晓青）高等工程教育研究, 2008,(04)29数控实训中应用仿真技术该注意的几个问题 （胡绍忠.傅建红.邓军） 广西轻工业 2009，（02）30高职院校数控技术实训基地建设现状调查及发展对策 （刘继平.李强.任东. 张彪.龙华） 湖南工业职业技术学院学报 2008，（04）31基于AR的数控加工仿真中目标识别与定位方法研究（施如意）华中科技大学 2008，（05）32基于增强现实的数控加工系统虚拟注册技术研究（范志超） 华中科技大学 2006，（12）33 Object Management GroupThe Common Object Request Broker= Archtecture and Specification(Revision 23)Massachusetts：Object Management Group199934Zhang Bo - lin, et al. A High Velocity Feed Unit Driven by Linear Motor. CHINESEJOURNAL OFMECHANICAL ENGI2NEERING. Volume 13 Number 4 , 2000 : 266271三、文献综述：国内外研究现状、发展动态1、国外的研究现状目前，国外对基于Internet的数控机床实训系统架构设计并未见到报道。但在开放式、网络化数控系统有一些研究，开放式，即系统各模块与运行平台的无关性、系统中各模块之间的互操作性和人机界面及通信接口的统一性。使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，国外正向智能化、网络化方向发展。2、国内研究现状目前，国内业已出现了采用三维虚拟技术来建立数控机床纯虚拟仿真系统，包括机床的各种动作、零部件被加工后的形状等，均是仿真的结果，利用此虚拟仿真系统来进行数控机床操作及编程的培训。但是，这种数控机床的虚拟仿真系统有一个缺陷，就是真实感缺失。本课题的研究内容目前在国内还未看到有相关研究报道。3、未来的发展Internet网在我国业已得到非常广泛的普及和使用，它是一个开放的，通用的通信平台，各种用户通过电信等接入设备，均能方便，快捷的连接到Internet网上。基于其上的WEB服务技术、动态网页开发技术也非常成熟，且具有非常丰富的开源资料。随着社会对职业性人才的需求越来越广，对高职院校的实训中心开放程度的要求也越来越高。传统的实训中心，借助于Internet网来提高其开放性是一个必然的趋势。这除了要建立实训中心的相关网站，进行实训课程信息开放外，重点是构建基于Internet的网上实验环境。四、研究基础1、 本人参加过的项目主要从事CMIS系统的研究、底层设备联网协议研究，生产过程控制、三维虚拟仿真技术等科研工作，在数控机床联网控制、WEB页面设计、计算机网络通信、视频图像处理等方面做过大量的工作，积累了丰富的科研工作经验以及专业实践。2、 本人取得的成果3、 本单位为次项目可以提供的环境或你本人可以利用的环境；在项目开展的基础设施条件方面，硅湖职业技术学院有完善的计算机网络环境，有若干计算机（包括服务器），数控机床等硬件设备，并具有相关的软件化环境，这为本项目的研究提供了充分的保障，具备了项目开展的研究及实验条件，硅湖职业技术学院以培养具有高素质、高技能的应用型和创业型人才为目标的高等职业院校，多年来坚持先进的教育思想，积极与企业广泛合作，走产学研合作的办学道路；学院积极争取国家重点高校的支持，帮助一大批青年教师提高学历，发展教学科研能力；鼓励学校教师积极参与科技项目，将会对项目的开展提供有力的技术支撑。五、主要内容及关键技术1、主要内容：本课题主要针对传统数控机床培训方式受时间、空间等因素限制，不能充分有效的利用实训设备，面向中小型企业在职员工进行培训，并克服纯虚拟数控机床培训系统不真实的缺陷而提出的。课题研究将基于Internet网，以及现有数控机床之上，采用自主研发的手段，设计实现一个虚实结合的、可以远程操控的数控机床实训系统。使得被培训人员在熟悉数控机床结构、熟悉数控机床基本操作、零件数控编程等培训阶段，利用三维虚拟仿真环境来进行培训；而在零件加工、观察加工现象等培训阶段，利用远程操控及视频传输技术，远程操作数控机床进行实际加工，并通过实时视频观察结果。这样就使得被培训人员在进行培训时，即不需要来到摆放数控机床的现场，又可以真实的操作、观察数控机床的加工。课题主要研究内容包括：（1）基于B/S结构的数控机床代理服务器架构研究及实现；Internet网在我国得到了普及，基于Internet网的WEB服务技术也非常成熟。为了方便地使培训人员在远程操控数控机床，本分课题拟设计开发一个数控机床的服务代理，该数控机床代理向下可以连接多种数控机床，向上连接到Internet。（2）数控机床远程操控方法研究及实现；通过Internet网，远程用户利用浏览器软件就能够进入数控机床代理服务器，通过它操作实际的数控机床。并能够通过实时视频观察到实际现场的状况，观察到数控机床实际加工零件的状况，提高真实感。（3）多种型号的数控机床三维虚拟模型建立；由于数控机床的培训可以分成若干个阶段进行，有的阶段可以借助三维仿真环境来进行，而不需要在真实的数控机床上进行。因此，需分析研究若干种型号数控机床的基本构造，基本操作单元，然后利用三维虚拟技术建立这几种型号的虚拟数控机床。（4）一台数控机床支持多用户的方法研究及实现。通过有效的多用户调度算法，使得一台数控机床可以支持多个用户进行实训，而不会使被培训者感觉有较大的时延。从而提高实训设备的利用率。2、关键技术：（1）多种型号数控机床的通信接口及协议分析。远程用户要操作实际的数控机床，是通过数控机床代理进行的，远程用户通过Internet发给数控机床代理操作命令，这之间的通信协议是国际标准。而数控机床代理向数控机床转发操作命令时，不同型号的数控机床通信协议是不同的，因此，要正确地转发操作命令，就必须对所有连接在数控机床代理上的实际数控机床的通信协议进行分析；（2）实时视频信号的采集、传输技术。要使得远程被培训者有身临设备现场的感觉，就需要在远程能够观察到设备现场，并观察到数控机床实际加工零件的情况。因此，研究数控机床加工时的视频采集，并实时传输到远程被培训者的客户机上，是本课题的关键之一。（3）数控机床实训过程分析及操作特征分析。要使得一台数控机床能够支持多个用户进行培训，就需要对数控机床的培训过程进行阶段划分，并分析不同阶段所需要的培训环境及操作特征。为多用户调度算法制定，以及三维虚拟仿真环境建立提供依据。（4）多用户的调度算法研究。一个好的多用户算法，能使被培训者感觉不到其任务执行的时间延迟。这是本系统能否提高设备利用率的关键六、研究方向、实施方案及可行性分析1、研究方向本课题拟围绕基于Internet网建立开放性的、可以远程操作的数控机床实训系统而进行研究和开发，以便构建支持中小型企业高档数控机床操作人员的培训平台。并通过高职院校与应用本科教育的有机结合，进一步探索如何使高等院校教师积极参与企业的在职员工培训，提高高职院校实训系统的开放性，完善高职院校服务于企业的科技服务体系。2、实施方案本课题主要研究内容将是按照图1所示的架构来建立数控机床的实训系统。选择目前国内流行的数控机床型号的控制器，设计实现其代理服务器，受培训的人员可以在远程的客户机上，通过虚实结合的方式来操控机床。具体的安排如下：Internet数控机床代理服务器数控机床控制器1数控机床控制器n客户机1摄像头摄像头客户机m现场总线图1 基于Internet的数控机床实训系统架构示意图2010年2月，完成对数控机床的型号调研，选择几种型号的数控机床并对其通信接口及通信协议进行详细分析，完成其通信代理的设计，实现。同时进行实时图像压缩传输技术研究，完成视频图像传输插件的设计。2010年3月，完成数控机床代理服务器的总体设计及实现，主要包括：数控机床实训过程的步骤划分、多任务动态调度算法的研究及实现、三维虚拟仿真环境的制作、实时视频信息采集与传输的设计实现等，最终建立一个基于B/S结构的远程数控机床访问代理。2011年4月，完成实训人员的基本信息、培训考核信息等管理功能模块，完善相关教学辅助系统设计2011年5月，进行系统联调，完善联调中发现的问题；并完成项目总结报告，迎接专家组评审。3、可行性分析方案的可行性 ：本课题主要研究内容将是按照图1所示的架构来建立数控机床的实训系统。选择目前国内流行的数控机床型号的控制器，设计实现其代理服务器，受培训的人员可以在远程的客户机上，通过虚实结合的方式来操控机床。选择目前国内流行的，用于培训的3种数控机床型号，分析研究其通信接口及协议，按照其协议，在数控机床代理服务器上设计实现其通信代理模块，并把数控机床代理服务器通过现场总线与这3种型号的数控机床连接，进行数控机床操作命令转发功能的调试。技术的可行性：（1）在数控机床代理服务器上设计基于B/S结构的远程操控页面，该页面提供实时视频播放窗口、远程数控机床操作命令发送窗口等。设计完成后，先在局域网环境下调试通过，然后再在Internet环境调试通过。（2）自主设计实现实时视频采集及传输模块，并与上述页面模块联调，使实时视频能在远程客户机的WEB页面上播放。（3）利用现有三维虚拟动画制作平台，构建3种型号的虚拟数控机床仿真模型。并与WEB页面模块进行联调。（4）自主研发多用户动态调度算法，并在数控机床代理服务器上实现该调度算法。然后先在局域网环境下调试通过。（5）按照图1所示的系统架构，在完成各个功能子模块的基础上，进行系统联调经济的可行性：本分课题研究意义还在于探索了高职院校利用Internet服务于企业员工培训的一条新途径。其成果可以建立相关高职院校在科技服务、科技创新方面服务于企业的一个平台，特别是对中小型企业人才的培养。同时本分课题成果还可以推广到其他实训项目中。本课题的研究成果将改变传统的数控机床实训模式，使得数控机床的培训不受时间、空间的限制，为中小企业在职员工培训提供了一个便捷的途径，节省了企业员工培训费用，同时提高了职业学校培训设备的利用率。分课题研究成果将会