時(shí)間：2023-04-21 18:25:52
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國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐表明，對(duì)水利水電工程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和監(jiān)控，是保證工程安全運(yùn)行的重要措施之一。同時(shí)，將監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的資料及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理部門，又可為提高水利水電工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理水平提供可靠的科學(xué)依據(jù)。
現(xiàn)代化的測(cè)控技術(shù)[2],應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)、科學(xué)管理數(shù)據(jù)，及時(shí)或?qū)崟r(shí)對(duì)水利水電工程的安全狀況作出分析和評(píng)價(jià)，并對(duì)其異?；螂U(xiǎn)情作出輔助決策等功能.因此,高新測(cè)控技術(shù)的基本要素包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)支撐等(見圖1)。
圖1水利水電工程高新測(cè)控技術(shù)示意圖
1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
通過測(cè)控單元(MCU)自動(dòng)采集、筆記本電腦現(xiàn)場(chǎng)采集或人工觀測(cè)埋入壩體或安裝的傳感器采集的監(jiān)測(cè)效應(yīng)量(大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)和影響量(水位、氣溫、降雨和地震等)，并輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫。其中，自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，半自動(dòng)化和人工采集為定期采集。因此，自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)一般是對(duì)水利水電工程關(guān)鍵部位(或壩段)主要監(jiān)測(cè)量(變形和滲流等)的采集。
1.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫后，由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)有序的管理。包括將電容、電感、電阻、電壓、頻率等轉(zhuǎn)換為位移、揚(yáng)壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫開合度以及溫度等，及它們的誤差識(shí)別和處理，并將監(jiān)測(cè)量按有關(guān)監(jiān)測(cè)規(guī)范進(jìn)行整編和初分析；編制月報(bào)和年報(bào)等。
1.3分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)
分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行觀測(cè)資料的分析和反分析，結(jié)構(gòu)和滲流正、反分析，建立各類監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)等；將收集到的工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、有關(guān)法規(guī)和規(guī)范等方面的專家知識(shí)進(jìn)行編輯，構(gòu)成分析、評(píng)價(jià)、輔助決策等方面的知識(shí)庫和推理分析知識(shí)。
現(xiàn)簡(jiǎn)述幾種傳感器的主要工作原理及其應(yīng)用情況.
(1)差動(dòng)電阻式傳感器
該傳感器為美國(guó)加州大學(xué)卡爾遜教授所研制。置于其內(nèi)腔的兩根彈性鋼絲作為傳感元件，受力后一根受拉、一根受壓.當(dāng)環(huán)境量發(fā)生變化時(shí)，兩者的電阻值向相反方向變化，根據(jù)兩個(gè)元件的電阻值比值,測(cè)出物理量的數(shù)值。
我國(guó)南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠從20世紀(jì)50年代開始，已研制出幾十萬支差動(dòng)電阻式傳感器，并應(yīng)用于大量的水利水電工程中，取得了成功經(jīng)驗(yàn)。
(2)振弦式傳感器
由前蘇聯(lián)的達(dá)維金可夫發(fā)明。其核心元件是一根鋼弦，鋼弦的一端固定，另一端則固定在測(cè)量元件(受壓膜片或測(cè)量端塊)上。當(dāng)受力后，鋼弦長(zhǎng)度將產(chǎn)生微小變化，引起固定頻率的變化，從而測(cè)出物理量的數(shù)值。
加拿大的Rocktest公司，美國(guó)的Sinco,Geokon公司等生產(chǎn)的振弦式傳感器性能良好，其中真空式為最佳。近幾十年來，我國(guó)較多的工程應(yīng)用了這種傳感器。
(3)差動(dòng)電容式傳感器
由我國(guó)南京電力自動(dòng)化研究院研制。其工作原理是，將垂線或引張線穿過由4塊組成矩形的電容極板中，當(dāng)測(cè)線發(fā)生位移時(shí)，電容極板的電容產(chǎn)生變化，從而測(cè)出位移量。
該傳感器經(jīng)過20多年的完善，其精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等均有較大提高，已在不少水利水電工程中應(yīng)用。
(4)差動(dòng)電感式傳感器
首先由原法國(guó)的Telemac公司研制。其工作原理是，當(dāng)高頻交變電流通過垂線坐標(biāo)儀時(shí)，在周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng),接收點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線距離成反比；當(dāng)垂線產(chǎn)生位移時(shí)，接收點(diǎn)測(cè)得的感應(yīng)電勢(shì)發(fā)生變化,其變化量的大小反映位移量的大小。
該傳感器在我國(guó)龍羊峽等水利水電工程中得到成功應(yīng)用。我國(guó)有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器。
(5)步進(jìn)馬達(dá)式傳感器
由原法國(guó)Telemac和意大利ISMS公司研制.其工作原理是，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光電探頭，探頭中的光照準(zhǔn)器先后對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)桿和垂線鋼絲，然后返回原點(diǎn)，在此過程中，測(cè)量電路記錄探頭前進(jìn)及返回基準(zhǔn)點(diǎn)和垂線鋼絲的脈沖數(shù),經(jīng)計(jì)算得到位移量。
該傳感器的機(jī)械部件較多，易出現(xiàn)故障，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性也不易保證。我國(guó)有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器，在實(shí)際工程應(yīng)用中的故障率較高。
(6)CCD傳感器
由河海大學(xué)結(jié)合國(guó)家三峽工程重大基金項(xiàng)目研制。該傳感器由若干個(gè)特別研制的CCD線陣模塊和發(fā)光二極管陣列模塊組成，當(dāng)垂線穿過并產(chǎn)生位移時(shí)，CCD線陣模塊記錄垂線位移與基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，從而計(jì)算出位移量。
該傳感器技術(shù)先進(jìn)，精度和可靠性高，在上標(biāo)和響洪甸等水利水電工程中得到應(yīng)用。
(7)其它新穎傳感技術(shù)
①光纖傳感技術(shù)光導(dǎo)纖維是由不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細(xì)芯組合而成的纖維。它能使感受到的各種物理量而計(jì)算出監(jiān)測(cè)量，以及傳送感受的信息通訊。目前，應(yīng)用于光纖傳感的監(jiān)測(cè)量主要是裂縫，應(yīng)力應(yīng)變尚需進(jìn)一步研究。應(yīng)用信息通訊較為廣泛，且安全可靠。
②CT技術(shù)意稱計(jì)算機(jī)層析成像。它指的是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)物體周邊所獲取的某種物理量(如波速、X線光強(qiáng))的一維投影數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過計(jì)算機(jī)處理，重構(gòu)物體特定層面的二維圖像及其由此重構(gòu)的三維圖像；從而定量描述物體內(nèi)部材料分布和缺陷。該技術(shù)將成為工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部隱患監(jiān)測(cè)和老化評(píng)估的一種重要手段，在國(guó)內(nèi)外得到應(yīng)用，我國(guó)豐滿水電站等工程中也得到成功應(yīng)用。
③滲流熱技術(shù)依據(jù)滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)同時(shí)滿足擴(kuò)散方程及其初始和邊界條件的原理，利用埋設(shè)的溫度計(jì)測(cè)值分析滲流場(chǎng)的分布及其異常部位。
④GPS技術(shù)利用衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)監(jiān)測(cè)堤壩和巖土邊坡的表面變形.
⑤激光傳感技術(shù)由激光點(diǎn)光源(即發(fā)射點(diǎn))發(fā)射的激光與激光探測(cè)儀(即接收端點(diǎn))構(gòu)成激光淮直線，由發(fā)射的激光在波帶板及支架(測(cè)點(diǎn))上觀測(cè)位移量。它可分大氣激光和真空激光準(zhǔn)直，其中的真空激光準(zhǔn)直除包括激光點(diǎn)光源、波帶板及其支架和激光探測(cè)儀，即發(fā)射點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)和接收端點(diǎn)以外，,還有真空管道。我國(guó)豐滿和太平哨水電站等大壩壩頂水平位移和垂直位移的10多年觀測(cè)資料表明，真空激光準(zhǔn)直具有精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
2.1.2數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集裝置將各類傳感器測(cè)出的物理量(如電阻、電阻比、電容、電感和頻率等)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(如位移、滲壓、應(yīng)變和溫度等)，即A/D轉(zhuǎn)換,以便遠(yuǎn)程輸送。當(dāng)距離超過100m以后，傳感器輸出的電量和頻率等信號(hào)，隨距離的增大急劇衰減，以至無法測(cè)出物理量，但數(shù)字量可遠(yuǎn)距離輸送。因此，一般將幾十個(gè)傳感器按部位接入數(shù)據(jù)采集裝置，使傳感器觀測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。按監(jiān)測(cè)方式不同，數(shù)據(jù)采集裝置可大致分為以下幾種類型。
(1)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置主要有，美國(guó)Geomation公司的2300系統(tǒng)、Sinco公司的IDA系統(tǒng)；我國(guó)臺(tái)灣研華公司的ADAM4000和ADAM5000系統(tǒng)；南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠的FWC-1系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)的不同可歸納為總線型和集散型兩大類。
①總線型結(jié)構(gòu)Geomation公司的2370型、IDA、ADAM4000、ADAM5000以及FWC-1等系統(tǒng)均屬于總線型結(jié)構(gòu).以IDA系統(tǒng)為例,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2(a)，模塊箱的結(jié)構(gòu)見圖2(b).圖中主機(jī)為工控機(jī)，中繼起聯(lián)接和中斷作用。
IDA母線有二線信號(hào)、二線電源；A1～An是智能測(cè)量模塊，每個(gè)模塊可接8個(gè)傳感器；B1～Bm是智能傳感器。A和B有解釋指令、多路傳輸、A/D轉(zhuǎn)換和錯(cuò)誤查詢等功能。同時(shí)具有自動(dòng)和人工測(cè)讀的兩種功能，并可防雷。
②集散型結(jié)構(gòu)Geomation公司研制的2350型、2380型等系統(tǒng)屬集散型結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。
從圖3中可見，NMS為主機(jī)；NRU起中繼和網(wǎng)點(diǎn)(即可轉(zhuǎn)成有線的調(diào)制信號(hào))的作用；MCU(3)是異地單元,也起中繼作用(距離近的可以不用)；MCU(4)和MCU(5)也是異地單元，但它能起無線電發(fā)射和接收作用；MCU(6)～MCU(N)是監(jiān)測(cè)傳感器。在這兩種型式中，總線型結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)機(jī)方便和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。其中Geomation公司的2370型、IDA等系統(tǒng)可接入電式和頻率式傳感器。
(2)人工或半自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集裝置人工或半自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)讀傳感器的測(cè)值，或用筆記本電腦采集。其中，差動(dòng)電阻式采集儀主要有SQ-2型數(shù)字電橋、XJ型數(shù)字式電阻比檢測(cè)儀、ZJ型數(shù)字式和PSM-R型電阻比檢測(cè)儀等；鋼弦式采集儀主要有SDP-3型鋼弦溫度測(cè)試儀和GPC-1型袖珍式鋼弦頻率測(cè)定儀等。
2.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
水利水電工程大壩可埋有幾百個(gè)、幾千個(gè)甚至上萬個(gè)傳感器。如長(zhǎng)江三峽水利樞紐建筑物就埋設(shè)約一萬多個(gè)傳感器，其采集數(shù)據(jù)每年達(dá)幾百萬個(gè)，并隨著觀測(cè)年限的增加，數(shù)據(jù)將越來越多，對(duì)這些海量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行科學(xué)有序地管理，以便為分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供可靠的信息。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)管理軟件和應(yīng)用軟件。
2.2.1數(shù)據(jù)庫管理軟件平臺(tái)在大、中型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Oracle、Sybase、Informix以及SQLServer等4大類。其中以O(shè)racle和Sybase數(shù)據(jù)庫在中國(guó)應(yīng)用最廣。而Sybase為單進(jìn)程、多線索結(jié)構(gòu)，即通過單進(jìn)程的多重通路來同時(shí)服務(wù)于多用戶，提高內(nèi)存的有效使用率，便于優(yōu)先程序的查詢。因此，Sybase數(shù)據(jù)庫無論在總體結(jié)構(gòu)、功能和特性等方面都有較大優(yōu)勢(shì)。本文作者開發(fā)和研制的7個(gè)大型水電工程的數(shù)據(jù)(或信息)管理及專家綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，主要采用了Sybase數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在小型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有DBase，F(xiàn)oxbase和Foxpro等。而Foxpro為用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),目前采用較多。
2.2.2數(shù)據(jù)庫邏輯模型檢測(cè)的目的是分析評(píng)價(jià)工程的安全狀況。因此，根據(jù)分析評(píng)價(jià)的需要，數(shù)據(jù)庫的邏輯模型包括工程檔案、原始數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)等4個(gè)分庫(見圖4)。
(1)工程檔案分庫該分庫管理工程概況以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工資料等.
(2)原始數(shù)據(jù)分庫管理監(jiān)測(cè)資料的原始數(shù)據(jù)，包括物理量(電阻、電阻比、電感、電容、頻率等)和監(jiān)測(cè)效應(yīng)量(變形、揚(yáng)壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)，并應(yīng)保證原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
(3)整編數(shù)據(jù)分庫依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差識(shí)別和轉(zhuǎn)換；按結(jié)構(gòu)單元和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行整編，包括測(cè)值統(tǒng)計(jì)表及其過程線圖，以及特征值(如最大值、最小值等)和環(huán)境量(如水位、氣溫、降雨、地下水位等)的統(tǒng)計(jì)等；對(duì)測(cè)值進(jìn)行初步分析，初步識(shí)別異常值以及復(fù)測(cè)；編制日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)，其中，日?qǐng)?bào)是刊錄測(cè)頻高(每日一次或數(shù)次)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
(4)生成數(shù)據(jù)分庫對(duì)監(jiān)測(cè)資料分析和反分析的成果，結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析的成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的專家知識(shí)等進(jìn)行管理，為工程安全分析評(píng)價(jià)提供定性和定量的依據(jù)。主要包括大壩或各結(jié)構(gòu)單元在各荷載組合工況下的應(yīng)力和位移、壩體溫度場(chǎng)、壩體和壩基滲流場(chǎng)(等勢(shì)線和流線)；位移和揚(yáng)壓力的力學(xué)規(guī)律計(jì)算值；各測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)模型，變形測(cè)點(diǎn)和空間位移場(chǎng)的確定性模型和混合模型；變形、應(yīng)力和揚(yáng)壓力的監(jiān)控指標(biāo)；歷次異?；螂U(xiǎn)情的分析評(píng)價(jià)成果等。
2.2.3應(yīng)用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫的邏輯模型,在數(shù)據(jù)庫的軟件平臺(tái)上，開發(fā)和研制數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用軟件，主要包括：
(1)菜單編程對(duì)數(shù)據(jù)庫的菜單和各個(gè)分庫的菜單等編制應(yīng)用程序。可以采用下拉式或全屏幕式。
（2)原始數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括與采集系統(tǒng)相聯(lián)的通訊軟件；按結(jié)構(gòu)單元和測(cè)控裝置將傳感器監(jiān)測(cè)的物理量(電阻、電阻比、電感、電容和頻率等)或數(shù)字量(變形、滲壓、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)編制成圖表的軟件。
(3)整編數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括誤差識(shí)別和處理程序；將物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，以及測(cè)控裝置沒有轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的物理量)；按結(jié)構(gòu)單元，將數(shù)字量及其相應(yīng)環(huán)境量編制整編成圖表的軟件；初分析軟件；編制日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)的軟件等。
(4)生成數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括對(duì)監(jiān)測(cè)資料分析和反分析成果、結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析成果，以及有關(guān)專家知識(shí)等，并編制成相應(yīng)圖表的軟件。
2.3分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)[3]
對(duì)水利水電工程監(jiān)測(cè)和監(jiān)控的目的是，依據(jù)監(jiān)測(cè)資料和相應(yīng)的專家知識(shí)，對(duì)工程的安全狀況作出綜合分析和評(píng)價(jià)。因此，完整的現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)必須包括分析評(píng)價(jià)系統(tǒng).其功能是依據(jù)監(jiān)測(cè)資料、結(jié)構(gòu)、滲流等分析和反分析成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理、法規(guī)和規(guī)劃等專家知識(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，從中尋找異常值或不安全因素，并對(duì)此進(jìn)行成因分析和輔助決策等。因此，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)包括資料評(píng)價(jià)、綜合檢查分析、觀測(cè)檢查、物理成因分析、專家綜合診斷和輔助決策等部分，其結(jié)構(gòu)和流程分別見圖5和圖6。
2.3.1資料評(píng)價(jià)應(yīng)用時(shí)空分布、力學(xué)規(guī)律、監(jiān)控模型、監(jiān)控指標(biāo)、日常巡查和關(guān)鍵問題等6類評(píng)判準(zhǔn)則，對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行分析評(píng)判，從中識(shí)別異常值或不安全因素。
2.3.2檢查分析對(duì)異常值或不安全因素，通過同一部位的同類監(jiān)測(cè)量、相關(guān)監(jiān)測(cè)量和環(huán)境量的綜合分析(或相關(guān)分析)檢查，從中識(shí)別引起異常值或不安全因素的成因。如由觀測(cè)引起的，則進(jìn)入觀測(cè)檢查；是由結(jié)構(gòu)和荷載引起的，則進(jìn)入物理成因分析。
2.3.3觀測(cè)檢查對(duì)由觀測(cè)引起的異常測(cè)值，首先檢查觀測(cè)記錄，然后檢查采集系統(tǒng)。對(duì)觀測(cè)記錄錯(cuò)誤的測(cè)值宜進(jìn)行刪除或修改；對(duì)監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)引起的異常測(cè)值，在排除故障后重測(cè)并進(jìn)行修正。
2.3.4物理成因分析對(duì)由結(jié)構(gòu)和荷載引起的異常值或不安全因素，首先檢查環(huán)境量(或外因)有無產(chǎn)生特殊荷載工況。若有，則分析壩基異常(包括變形、穩(wěn)定和應(yīng)力等)成因，然后分析建筑物異常(變形、應(yīng)力、裂縫等)成因，當(dāng)穩(wěn)定和強(qiáng)度滿足安全要求時(shí)，則“異?！被颉安话踩蛩亍笔怯珊奢d引起的，為結(jié)構(gòu)調(diào)整所致,所以屬基本正常。若無特殊荷載工況，則反分析壩基和壩體的計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)等；然后，正演分析監(jiān)測(cè)量,若與實(shí)測(cè)值一致，則為計(jì)算條件改變而引起的；并復(fù)核壩基和壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度，若滿足安全要求，則雖為結(jié)構(gòu)引起，但尚屬基本正常；若穩(wěn)定和強(qiáng)度不滿足安全要求，則為異?；螂U(xiǎn)情，隨即進(jìn)入輔助決策。若分析不出物理成因，則進(jìn)入專家綜合診斷。
2.3.5專家綜合診斷對(duì)異?；虿话踩蛩氐囊呻y雜癥，即難以分析成因的，進(jìn)行專家綜合診斷，包括對(duì)其影響因素和安全度的專家綜合評(píng)判。
2.3.6輔助決策依據(jù)異?；螂U(xiǎn)情的程度，首先提出報(bào)警級(jí)別，然后提出輔助決策的建議。其中報(bào)警級(jí)別分三級(jí)，一級(jí)為險(xiǎn)情，二級(jí)為異常，三級(jí)為局部異常。輔助決策建議包括運(yùn)行控制水位和補(bǔ)強(qiáng)加固處理措施的建議等。
2.3.7支持庫群為了給以上分析評(píng)價(jià)提供定量依據(jù)，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫、方法庫、知識(shí)庫和圖庫等支持庫群。
(1)數(shù)據(jù)庫主要管理監(jiān)測(cè)資料及其分析和反分析成果，與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行資料等。
(2)方法庫依據(jù)安全分析評(píng)價(jià)需求，方法庫主要包括監(jiān)測(cè)資料分析和反分析軟件包，結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包,綜合分析和評(píng)價(jià)程序，以及輔助決策程序等。如本文作者給多座水利水電工程開發(fā)的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，共設(shè)置40個(gè)程序。其中，監(jiān)測(cè)資料分析和反分析軟件包有監(jiān)測(cè)資料預(yù)處理、資料分析和反分析等22個(gè)程序；結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包有規(guī)范法的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，有限元靜力、動(dòng)力以及粘彈性和粘彈塑性分析等13個(gè)程序；綜合分析和評(píng)價(jià)包括影響因素和安全度評(píng)價(jià)等2個(gè)程序；輔助決策包括報(bào)警、洪水反調(diào)節(jié)等3個(gè)程序。從而，總體上能滿足安全分析和評(píng)價(jià)的定量分析需要。
(3)知識(shí)庫包括專家語言的定量化知識(shí),隱蔽薄弱部位的設(shè)計(jì)和施工的專家知識(shí)，歷次安全定期檢查以及異常或不安全因素的分析評(píng)價(jià)成果等。
(4)圖庫包括圖形庫和圖像庫。其中，圖形庫包括分析和評(píng)價(jià)過程中的各類圖表；圖像庫包括分析評(píng)價(jià)結(jié)論的多媒體演示等。
2.3.8分析評(píng)價(jià)的人工智能技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)分析評(píng)價(jià)的人工智能化，分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4種技術(shù)。其中，正向推理為已知問題的事實(shí)，在知識(shí)集中尋找匹配知識(shí)，反復(fù)循環(huán)直至找到有解結(jié)論；反向推理為已知或假設(shè)結(jié)構(gòu)，從知識(shí)集中尋找匹配的解，反復(fù)循環(huán)，直至找到匹配的解；混合推理為融合正向和反向推理的原理，先正向后反向或先反向后正向；元控制是將元知識(shí)(即知識(shí)的知識(shí))構(gòu)成元知識(shí)庫，以求解問題的目標(biāo)。
2.4計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
由于高新測(cè)控技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集、信息管理和分析評(píng)價(jià)融匯在一起的龐大系統(tǒng)工程，必須在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下才能實(shí)現(xiàn)。
2.4.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線形、星形和樹形等(見圖7)。其中，總線形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)連在通信總線上；星形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點(diǎn)連接在中心結(jié)點(diǎn)上，由中心結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和交換；樹形結(jié)構(gòu)為自頂而下的層次化的擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)，頂部結(jié)點(diǎn)為根結(jié)點(diǎn)，連接2個(gè)以上結(jié)點(diǎn)的稱為支節(jié)點(diǎn)，以下為端結(jié)點(diǎn)，以根結(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)核心、支結(jié)點(diǎn)為子網(wǎng)絡(luò)中心、端結(jié)點(diǎn)為面向用戶的桌面。
一般大中型水利水電工程結(jié)構(gòu)單元(如壩段)較多、布置的測(cè)點(diǎn)也較多，宜用總線形；對(duì)省局(廳)或大網(wǎng)局，由于所屬水利水電工程較多，分布也廣，而需要由局中心控制時(shí)，宜用星形結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)為一座水利水電工程；對(duì)特大型水利水電工程.如三峽工程，由于分項(xiàng)工程較多，宜用樹形結(jié)構(gòu)(見圖8)。
2.4.2計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)單個(gè)的水利水電工程一般用局域網(wǎng)，可采用高速光纖、載波或微波等網(wǎng)絡(luò)通訊。對(duì)省網(wǎng)局(廳)或大型水利水電工程需要有外部技術(shù)支持的，一般采用廣域網(wǎng)，亦可采用以太網(wǎng)或Intranet網(wǎng)等。
2.4.3計(jì)算機(jī)工作方式一般采用C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)方式。其中，服務(wù)器主要存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計(jì)和施工等資料，應(yīng)該有強(qiáng)大的存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的功能；其型號(hào)和數(shù)量視工程規(guī)模、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的多少，由需求分析確定，一般應(yīng)有雙機(jī)或多機(jī)熱備份?？蛻魴C(jī)主要面向用戶的分析評(píng)價(jià)和輔助決策等，可由多臺(tái)并行計(jì)算機(jī)完成。
3結(jié)語
(1)現(xiàn)代化測(cè)控技術(shù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、管理和分析評(píng)價(jià)等功能，以及完成這些功能的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境和通訊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
(2)數(shù)據(jù)采集包括傳感器和測(cè)控裝置，完成A/D轉(zhuǎn)換，以便監(jiān)測(cè)的數(shù)字量能遠(yuǎn)距離輸送。
建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)是國(guó)家進(jìn)行工程質(zhì)量監(jiān)管的重要手段，在工程質(zhì)量監(jiān)督管理中發(fā)揮著重要的監(jiān)控威懾作用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)仍然存在著不規(guī)范的市場(chǎng)行為，檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)工作中時(shí)有弄虛作假，試樣做假、漏檢、少檢的行為發(fā)生。規(guī)范建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)行業(yè)的市場(chǎng)行為，加強(qiáng)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的管理能力，提升建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)量勢(shì)在必行。信息化管理方法的運(yùn)用能夠在一定程度上保障建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)過程中檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、公正性、可靠性。建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)的信息化管理是指在工程質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)中，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代通訊技術(shù)等手段對(duì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)及其所屬各部門的檢測(cè)業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合管理，為建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行提供全面、自動(dòng)化的管理及各種服務(wù)。目前，全國(guó)較發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)相繼建立了較為完善的檢測(cè)機(jī)構(gòu)信息化監(jiān)管系統(tǒng)，對(duì)涉及建筑結(jié)構(gòu)安全的力值檢測(cè)參數(shù)如混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)等必須實(shí)時(shí)上傳試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于非力值檢測(cè)參數(shù)的檢測(cè)報(bào)告必須上傳關(guān)鍵頁面。除此之外，某些地區(qū)如廣州市正在推行混凝土試塊芯片植入技術(shù)，對(duì)于混凝土試塊一律要求植入混凝土芯片，檢測(cè)機(jī)構(gòu)不得接收無芯片的混凝土試塊，試塊必須進(jìn)行掃描識(shí)別之后方可進(jìn)行試驗(yàn)，無芯片的混凝土抗壓強(qiáng)度報(bào)告不得作為驗(yàn)收?qǐng)?bào)告采用。然而目前檢測(cè)機(jī)構(gòu)的信息化管理運(yùn)作中依然存在不少問題，如網(wǎng)絡(luò)傳輸不順暢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)上傳；存儲(chǔ)設(shè)備容量不夠，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失；監(jiān)管系統(tǒng)安全性不足，數(shù)據(jù)被他人利用等。其中，當(dāng)前最突出的問題是信息化管理僅僅停留在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，疏忽了對(duì)試驗(yàn)流程與過程的監(jiān)管，即無法保證樣品的真實(shí)性或試驗(yàn)過程的規(guī)范性，容易出現(xiàn)“偷梁換柱”等問題，即試樣制假或試驗(yàn)作假等現(xiàn)象。有鑒于此，本研究以上述問題為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)流程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行“雙控”，確保試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和檢測(cè)報(bào)告的有效性，為真實(shí)評(píng)價(jià)工程質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。
2設(shè)計(jì)原理與系統(tǒng)架構(gòu)
2.1技術(shù)原理
根據(jù)檢測(cè)監(jiān)管業(yè)務(wù)需要，對(duì)試驗(yàn)流程進(jìn)行全過程監(jiān)控，包括收樣、樣品制備、數(shù)據(jù)采集等過程。主要體現(xiàn)于兩個(gè)方面：第一方面，通過高清攝像槍對(duì)樣品接收和樣品制備過程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄；另一方面通過在試驗(yàn)機(jī)電腦上安裝視頻采集卡，自動(dòng)采集試驗(yàn)機(jī)電腦屏幕的數(shù)字信號(hào)，通過圖像處理器轉(zhuǎn)換成與攝像機(jī)信號(hào)一致的模擬信號(hào)。最后利用現(xiàn)有的CATV技術(shù)，將電腦屏幕數(shù)字信號(hào)與攝像機(jī)信號(hào)整合在一起，通過光纖傳輸至硬盤錄像機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控、存儲(chǔ)功能，通過錄像回放功能實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史記錄的查詢。通過登陸客戶端軟件或ip登錄訪問服務(wù)器電腦，可以實(shí)現(xiàn)在辦公室對(duì)檢測(cè)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。本部通過現(xiàn)有的vpn網(wǎng)絡(luò)，連接到檢測(cè)中心服務(wù)器后瀏覽視頻、回放錄像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
2.2系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)主要有前端的數(shù)據(jù)采集裝置包括高清攝像槍和視屏采集卡，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)（光纖），數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)設(shè)備（硬盤錄像機(jī)）、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器電腦以及客戶端軟件組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。（1）高清攝像槍用于監(jiān)控樣品接收與存放、樣品制作、抗壓試驗(yàn)等過程，對(duì)試驗(yàn)過程規(guī)范性與樣品的真實(shí)性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，避免弄虛作假現(xiàn)象的發(fā)生。（2）視屏采集卡自動(dòng)采集試驗(yàn)機(jī)電腦屏幕的數(shù)字信號(hào)，并通過內(nèi)置轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與攝像槍信號(hào)一致的模擬信號(hào)，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、以及曲線的形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保試驗(yàn)過程的規(guī)范性和數(shù)據(jù)真實(shí)性。（3）光纖作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，將高清攝像槍與視頻采集卡的信號(hào)傳輸至硬盤錄像機(jī)，相比同軸電纜，光纖傳輸速度快，降低信號(hào)延遲；傳輸損失少，保證視屏質(zhì)量。（4）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與局域網(wǎng)內(nèi)的電腦及服務(wù)器電腦互聯(lián)，可以通過局域網(wǎng)訪問硬盤錄像機(jī)。（5）硬盤錄像機(jī)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)終端，實(shí)時(shí)接收光纖傳至的信號(hào)并存儲(chǔ)，并可以對(duì)歷史記錄按時(shí)間進(jìn)行查詢。（6）服務(wù)器將若干硬盤錄像機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)串聯(lián)至服務(wù)器電腦，通過訪問服務(wù)器電腦可以同時(shí)訪問局域網(wǎng)內(nèi)所有的硬盤錄像機(jī)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控。本部通過現(xiàn)有的vpn網(wǎng)絡(luò)，連接到檢測(cè)中心服務(wù)器后瀏覽視頻、回放錄像。（7）客戶端軟件除了通過ip訪問服務(wù)器電腦以外，可以通過安裝客戶端軟件對(duì)局域網(wǎng)內(nèi)的硬盤錄像機(jī)進(jìn)行訪問，相比于ip訪問，使用管理更簡(jiǎn)便。
3系統(tǒng)實(shí)施
圖2和圖3是分別利用客戶端軟件和iP登陸訪問，對(duì)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行的全方位監(jiān)控。以混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)詳細(xì)闡述監(jiān)控流程，具體如下。
3.1樣品安全管理監(jiān)控
委托方完成登記委托后，將樣品放置于芯樣樣品存放區(qū)集中保管，在存放區(qū)安裝高清攝像槍，配合大門口的監(jiān)控信號(hào)，對(duì)樣品進(jìn)行全面安全監(jiān)視，如下圖4、圖5所示。
3.2樣品制備流程監(jiān)控
芯樣的制備流程主要包括芯樣接收、開箱驗(yàn)樣、盲樣編號(hào)、芯樣切割、芯樣打磨、芯樣補(bǔ)平等6個(gè)階段，對(duì)上述6個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布設(shè)視屏監(jiān)控，如下圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11所示。杜絕芯樣制備環(huán)節(jié)的不正規(guī)操作，保證樣品真實(shí)性、試驗(yàn)過程規(guī)范性，確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性。
3.3抗壓試驗(yàn)“雙控”
“一控”是對(duì)樣品的真實(shí)性進(jìn)行確認(rèn)，避免試驗(yàn)人員調(diào)換樣品，高清攝像槍可以清晰捕捉樣品編號(hào)，確保是真實(shí)樣品，如圖12所示；對(duì)試樣的破壞過程及破壞形態(tài)是否正常進(jìn)行判定，如試樣偏心受壓導(dǎo)致提前破壞或樣品未完全破壞而試驗(yàn)機(jī)誤判試驗(yàn)終點(diǎn)等現(xiàn)象；“二控”是對(duì)試驗(yàn)機(jī)電腦屏幕的監(jiān)控，監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集是否正常，試驗(yàn)曲線走勢(shì)是否正常，是否發(fā)生試樣尚未破壞而試驗(yàn)機(jī)停止采集數(shù)據(jù)、曲線下落時(shí)間與試樣的破型時(shí)間不一致等現(xiàn)象的發(fā)生，如圖13所示。
4結(jié)束語
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。
1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面［1～4］。
1．1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó)CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國(guó)DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。
在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
1.25軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。
當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。
在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó)DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。
1.3智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國(guó)家對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中國(guó)的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國(guó)內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生產(chǎn)控制中心，簡(jiǎn)稱CPC)；日本大隈（Okuma）機(jī)床公司展出“ITplaza”（信息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱IT廣場(chǎng))；德國(guó)西門子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（開放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱OME）等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。
1.4重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立
1.4.1關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范
如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。我國(guó)在2000年也開始進(jìn)行中國(guó)的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。
1.4.2關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國(guó)際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。
STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時(shí)間（約35％）和加工時(shí)間（約50％）。
目前，歐美國(guó)家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計(jì)劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個(gè)CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國(guó)的STEPTools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級(jí)模型(SuperModel)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
2對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)
我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國(guó)家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。在此階段，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50％，配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％。
縱觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個(gè)5年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績(jī)。
a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國(guó)的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國(guó)的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國(guó)外對(duì)比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。從國(guó)際上來看，對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下。
a.技術(shù)水平上，與國(guó)外先進(jìn)水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對(duì)差；可靠性不高，商品化程度不足；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng)；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。
分析存在上述差距的主要原因有以下幾個(gè)方面。
a.認(rèn)識(shí)方面。對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足；對(duì)市場(chǎng)的不規(guī)范、國(guó)外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足；對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施，往往規(guī)劃理想，實(shí)施困難。
d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠。
3對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
3.1戰(zhàn)略考慮
我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。
3.2發(fā)展策略
從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。
在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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[關(guān)鍵詞]提升效率數(shù)控機(jī)床切削刀具
一、提升數(shù)控加工的意義所在
數(shù)控機(jī)床具有生產(chǎn)效率和加工自動(dòng)化程度高，零件的加工精度和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性好，能完成許多普通機(jī)床難以加工或根本無法加工的復(fù)雜型面加工，幾乎不要專用的工裝卡具、減少在制品，提高經(jīng)濟(jì)效益和大大減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等一系列優(yōu)點(diǎn)。隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，大力發(fā)展以數(shù)控機(jī)床為先導(dǎo)的裝備制造業(yè)已成為我國(guó)政府的一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策，將對(duì)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。用好數(shù)控機(jī)床提高數(shù)控機(jī)床的利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它不僅能增加企業(yè)的效益，而且還有助于提高我國(guó)制造業(yè)的整體素質(zhì)和加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程。
二、影響數(shù)控機(jī)床加工的因素
1.數(shù)控機(jī)床應(yīng)用水平不高
數(shù)控加工在中國(guó)制造業(yè)中已經(jīng)有了較長(zhǎng)的使用時(shí)間，雖然有嚴(yán)格的數(shù)控機(jī)床操作規(guī)范、良好的機(jī)床維護(hù)保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量，我們定期對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)維修，明確每臺(tái)設(shè)備的加工精度，明確每臺(tái)設(shè)備的加工任務(wù)。對(duì)于大批量成批生產(chǎn)的零件加工工廠，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分粗、精加工的設(shè)備使用，因?yàn)榇旨庸r(shí)追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，精加工則相反，要求高的加工精度。而粗加工時(shí)對(duì)設(shè)備的精度損害是最嚴(yán)重的，因此我們將使用年限較長(zhǎng)、精度最差的設(shè)備定為專用的粗加工設(shè)備，新設(shè)備和精度好的設(shè)備定為精加工設(shè)備，做到對(duì)現(xiàn)有設(shè)備資源的合理搭配、明確分工，將機(jī)床對(duì)加工質(zhì)量的影響降到了最低，同時(shí)又保護(hù)了昂貴的數(shù)控設(shè)備，延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。
2.操刀次數(shù)及位置不合理
利用數(shù)控車床進(jìn)行批量生產(chǎn)、特別是大批量生產(chǎn)時(shí)，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率、確保加工過程的穩(wěn)定性是獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。數(shù)控車削批量加工時(shí)，選擇簡(jiǎn)便的換刀方式，是減少換刀輔助時(shí)間、減少機(jī)床磨損、降低加工成本的有效途徑。改進(jìn)換刀點(diǎn)設(shè)置是為達(dá)此目的進(jìn)行的有效嘗試之一。為此，在夾具選擇、走刀路線安排、刀具排列位置和使用順序等方面都要精細(xì)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)換刀點(diǎn)設(shè)置，減少運(yùn)行成本，提高加工效率。
3.編程技巧不強(qiáng)
程序的效率直接影響著機(jī)床的工作效率，所以優(yōu)化編程質(zhì)量是提高數(shù)控機(jī)床工作效率的一個(gè)重要方法。首先，熟悉機(jī)床的指令，充分開發(fā)機(jī)床的內(nèi)部功能，尋找高效的編程和加工方法。其次，大力推廣計(jì)算機(jī)編程，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)切削模擬，提高程序的可靠性，從而減少或取消在數(shù)控銑床上調(diào)試程序的時(shí)間。再次，合理編程，盡量減少機(jī)床走空刀的情況。
三、提高數(shù)控機(jī)床加工效率的措施
1.培養(yǎng)優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人才
數(shù)控機(jī)床雖然智能程度提高，但是人的作用卻至關(guān)重要。沒有技術(shù)好的編程人員，數(shù)控機(jī)床的效率就不可能得到有效提高，沒有好的機(jī)床操作者就達(dá)不到最佳加工方式，產(chǎn)品的廢品率就會(huì)提高，同時(shí)也會(huì)大大降低數(shù)控機(jī)床的使用效率和縮短機(jī)床的使用壽命。因此，要提高數(shù)控加工的效率，就必須培養(yǎng)出優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人員。
2.對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)施科學(xué)管理
數(shù)控機(jī)床不同于普通機(jī)床，不能把管理普通機(jī)床的方法照搬到數(shù)控機(jī)床上。據(jù)一些使用數(shù)控機(jī)床較早的用戶多年管理實(shí)踐證明，凡是數(shù)控機(jī)床較多的單位，以相對(duì)集中管理的方式較好，即“專業(yè)管理，集中使用”的辦法。工藝技術(shù)準(zhǔn)備由工廠工藝技術(shù)部門負(fù)責(zé)，生產(chǎn)管理由工廠下達(dá)任務(wù)統(tǒng)一平衡。有條件的可以采用計(jì)算機(jī)集成管理的生產(chǎn)方式。由計(jì)算機(jī)把數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)所需的各種作業(yè)和加工信息管理起來，實(shí)行信息共享，以減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，優(yōu)化物流路線，可有效的提高生產(chǎn)率。
3.合理選擇切削刀具
刀具的選擇是保證加工質(zhì)量和提高加工效率的重要環(huán)節(jié)。為了提高生產(chǎn)率國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床尤其是加工中心正向著高速、高剛性和大功率方向發(fā)展。這就要求具必須具有能夠承受高速切削和強(qiáng)力切削的性能，而性能要穩(wěn)定。在選用刀具材料時(shí)，凡加工情況允許選硬質(zhì)合金刀具時(shí)，就不應(yīng)選用高速鋼刀具。有條件的選用性能更好更耐磨的刀具，如涂層刀具、立方氮化刀具、陶瓷刀片等。
這里特別強(qiáng)調(diào)一下球頭刀具的使用，在進(jìn)行自由曲加工時(shí)，由于球頭刀具的端部切削速度為零，因此為保加工精度，切削行距一般取得很密，故加工效率很低。平頭刀具在表面加工質(zhì)量和切削效率方面都優(yōu)于球頭具。因此，只要保證不過切，無論是曲面的粗加工還是加工，都應(yīng)優(yōu)先選擇平頭刀。
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來越廣泛,使得產(chǎn)品的加工精度有了極大的提高。在這種形勢(shì)下,傳統(tǒng)的測(cè)量工具及測(cè)量方法已不能滿足檢測(cè)需求。在精密測(cè)量中,三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)扮演了重要角色。然而由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)價(jià)格昂貴,絕大多數(shù)中小型企業(yè)無能力購買使用?？紤]到NC機(jī)床結(jié)構(gòu)上與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相似,有可能利用其進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均是機(jī)電一體化的數(shù)字控制自動(dòng)化機(jī)械。數(shù)控機(jī)床是將被加工對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化處理,然后,利用數(shù)字信息進(jìn)行控制,從而加工出合格產(chǎn)品。而三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)則是在已加工好的產(chǎn)品上,利用測(cè)頭與工件型面接觸測(cè)得一系列點(diǎn)的坐標(biāo)值,進(jìn)而計(jì)算出尺寸、形位誤差值的測(cè)量設(shè)備。數(shù)控機(jī)床與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均利用坐標(biāo)軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自身功能。基于這一共同點(diǎn),本文試圖在不改變數(shù)控機(jī)床CNC控制系統(tǒng)的條件下(直接從CNC經(jīng)光電隔離得到X、Y、Z二進(jìn)制數(shù)值,必須改變機(jī)床CNC系統(tǒng)),將數(shù)控機(jī)床功能加以擴(kuò)展,附加適當(dāng)裝置組成檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行測(cè)量的功能。
1.總體方案
本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)是利用數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng),附加測(cè)頭、攝像頭、控制盒、計(jì)算機(jī)等裝置組成的檢測(cè)系統(tǒng),其組成如圖1所示。利用這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,其工作原理是利用攝像頭捕捉數(shù)控機(jī)床屏幕上顯示有坐標(biāo)值的圖像畫面,再對(duì)捕捉到的圖像進(jìn)行處理,識(shí)別出坐標(biāo)數(shù)值,間接得到被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),并在此基礎(chǔ)上求得尺寸、形位誤差值,以完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量的功能。
本文選用圖1所示的檢測(cè)系統(tǒng),是完全獨(dú)立于機(jī)床之外的附加檢測(cè)裝置,對(duì)機(jī)床本身的性能沒有影響。它是在不改變機(jī)床本體和原有功能的基礎(chǔ)上,利用機(jī)床的X、Y、Z坐標(biāo)移動(dòng)性能,將刀具換成測(cè)量頭測(cè)出工件上某點(diǎn)的位置。例如,要測(cè)量工件上A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離,就相當(dāng)于用對(duì)刀的方法確定A點(diǎn)坐標(biāo)(xA,yA,zA)、B點(diǎn)坐標(biāo)(xB,yB,zB),則A、B兩點(diǎn)的距離為d=√x2+y2+z2,其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA-zB。顯然,這是一種通過測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)獲取測(cè)量結(jié)果的方法。
2.硬件配置
系統(tǒng)的硬件包括測(cè)量頭、控制盒及攝像頭。
2.1測(cè)頭
測(cè)頭的基本功能是觸發(fā)、瞄準(zhǔn)和過零發(fā)訊。測(cè)頭分為機(jī)械式、光電式、電氣式三種。測(cè)頭性能的好壞,決定著測(cè)量方式的難易、測(cè)量精度的高低。本文選用我國(guó)生產(chǎn)的應(yīng)用極為廣泛的硬線連接式導(dǎo)電式測(cè)頭,它屬于接觸式測(cè)頭,為通用型球頭測(cè)頭,能測(cè)定高度、槽寬、孔徑和輪廓形狀等。使用時(shí),可以將測(cè)頭半徑和測(cè)出的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后自動(dòng)輸出被測(cè)值。測(cè)量方便、準(zhǔn)確,易操作。
2.2控制盒
控制盒是本測(cè)量系統(tǒng)重要的硬件配置,是實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制和數(shù)控機(jī)床與測(cè)量系統(tǒng)接口的關(guān)鍵裝置。其性能的好壞直接影響測(cè)量系統(tǒng)的功能和可靠性。從測(cè)量系統(tǒng)的功能完善和先進(jìn)性、實(shí)用性考慮,控制盒的核心控制部分選用80C51單片機(jī)與8255A接口芯片,通過編程實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的控制與通訊。控制盒工作過程如圖2所示。當(dāng)觸頭接觸工件時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)器D接收到低電平信號(hào),向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求,通過程序?qū)崿F(xiàn)延時(shí)功能,并通過8255A接口,使繼電器1接通,打開攝像頭,進(jìn)行拍照。拍照完畢,繼電器1斷開,繼電器2接通,控制伺服系統(tǒng)動(dòng)作進(jìn)行下一次測(cè)量。
2.3攝像頭
將數(shù)控機(jī)床屏幕上帶有坐標(biāo)值的圖像導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中,需要圖像采集裝置。本文選用的是Logitech快看視訊版TM網(wǎng)絡(luò)攝像頭,它具有高質(zhì)量CMOS感應(yīng)器,其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分辨率均達(dá)到640×480像素(VGA)。幀速度為:最高30幀/秒,圖像清晰,可以滿足測(cè)量系統(tǒng)的要求。
3.軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容是字符識(shí)別及數(shù)據(jù)處理。
3.1字符識(shí)別
從數(shù)控機(jī)床屏幕圖像中獲取的坐標(biāo)數(shù)值,首先須將攝像頭拍到的圖片文件轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的文本信息,此過程需要通過字符識(shí)別技術(shù)完成。字符識(shí)別算法分為三種:模板匹配法、特征法和筆畫結(jié)構(gòu)法。由于需識(shí)別的字符種類少,本文開發(fā)的軟件系統(tǒng)中用了模板匹配法及特征法,借助VB編程實(shí)現(xiàn)。算法的主要過程如圖3所示。
其中,預(yù)處理的目的是為特征提取及字符學(xué)習(xí)提供方便,主要運(yùn)用平滑去噪、圖像的二值化處理,使圖像更清晰、準(zhǔn)確。特征提取即提取字符特征模式作為區(qū)分字符的特征量。主要方法是利用細(xì)化骨架的方法提取字符骨架,然后利用穿線法獲得單個(gè)字符的特征。運(yùn)用此系統(tǒng)檢測(cè)時(shí),先對(duì)機(jī)床屏幕的顯示字體進(jìn)行學(xué)習(xí),建立標(biāo)準(zhǔn)模板。將每一個(gè)單獨(dú)的字符劃分成A×B個(gè)像素(Pixels),字符的一些特征像素與標(biāo)準(zhǔn)模板比較,如果相似程度達(dá)到95%,那么,就可以認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)模板上的字符為所要識(shí)別的字符,逐一將要識(shí)別的這些字符進(jìn)行判斷分類和確認(rèn),最后得到識(shí)別結(jié)果。將其存入計(jì)算機(jī),待數(shù)據(jù)處理時(shí)取用。
3.2數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是針對(duì)離散采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合,用一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算以獲得測(cè)量結(jié)果的過程。由于應(yīng)用本測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得值均為一些要素表面離散點(diǎn)的坐標(biāo),要測(cè)出需要的幾何元素誤差值,需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。在評(píng)定尺寸誤差時(shí),借助了空間解析幾何及向量知識(shí)對(duì)各種幾何要素的測(cè)量給出了準(zhǔn)確的計(jì)算公式。對(duì)于形位誤差的測(cè)量,依據(jù)的原則為最小條件及最小二乘法。例如:對(duì)直線度誤差的評(píng)定,依據(jù)最小二乘原理,根據(jù)測(cè)得的若干點(diǎn)的坐標(biāo),建立最小二乘線的方程y=ax+b,其中最小二乘線的參數(shù)a,b由式(1)求得:
將此直線方程化為一般式:
ax-y+b=0(2)
然后,求得各個(gè)測(cè)量點(diǎn)到該最小二乘線的距離
取Δ=2dmax,此為任意方向上的直線度誤差。從而實(shí)現(xiàn)直線度檢測(cè)功能。檢測(cè)系統(tǒng)計(jì)算項(xiàng)目如圖4所示。
4.測(cè)量實(shí)例
圖5所示,待測(cè)公差項(xiàng)目是φ25孔軸線的直線度公差為φ0.005mm。利用此系統(tǒng)檢測(cè)時(shí),先將孔沿軸向劃分為N個(gè)截面(本例取N=5),測(cè)得每一截面上,孔內(nèi)表面上的三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(見表1),根據(jù)三點(diǎn)定圓的原則,可以求得各截面圓對(duì)應(yīng)的孔心位置,將此N個(gè)孔心的坐標(biāo)xi,yi代入式(1),擬合最小二乘直線y=ax+b,將各圓心點(diǎn)的坐標(biāo)代入式(3),即可求出各中心點(diǎn)到該直線的距離,那么,誤差Δ2dmax。
數(shù)據(jù)處理結(jié)果Δ=2dmax=φ0.008mm>φ0.005mm,因此該孔不合格。
摘要：簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上討論了在我國(guó)加入WTO和對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性，并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動(dòng)控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面［1～4］。1．1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。
在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差，材料為鋁或鋁合金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個(gè)零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從EMO2001展會(huì)情況來看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國(guó)CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h，在普通銑床加工需8h；德國(guó)DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。
在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
1.25軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展
采用5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于2臺(tái)3軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5軸聯(lián)動(dòng)加工可比3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。
當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。
在EMO2001展會(huì)上，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國(guó)DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動(dòng)加工，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。1.3智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國(guó)家對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，如美國(guó)的NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、歐共體的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中國(guó)的ONC(OpenNumericalControlSystem)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國(guó)內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī)，如在EMO2001展中，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生產(chǎn)控制中心，簡(jiǎn)稱CPC)；日本大隈（Okuma）機(jī)床公司展出“ITplaza”（信息技術(shù)廣場(chǎng)，簡(jiǎn)稱IT廣場(chǎng))；德國(guó)西門子(Siemens)公司展出的OpenManufacturingEnvironment（開放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱OME）等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。1.4重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立1.4.1關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范
如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，美國(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。我國(guó)在2000年也開始進(jìn)行中國(guó)的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定1.4.2關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)
數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G，M代碼描述如何（how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此，國(guó)際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，能夠描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程，乃至各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。
STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個(gè)制造業(yè)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念，傳統(tǒng)的制造理念中，NC加工程序都集中在單個(gè)計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上，這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時(shí)間（約35％）和加工時(shí)間（約50％）。
目前，歐美國(guó)家非常重視STEP-NC的研究，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計(jì)劃(1999.1.1～2001.12.31)。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個(gè)CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國(guó)的STEPTools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級(jí)模型(SuperModel)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。2對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國(guó)家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。在此階段，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50％，配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％。
縱觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個(gè)5年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績(jī)。
a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù)，其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ)，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國(guó)的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國(guó)的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國(guó)外對(duì)比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。從國(guó)際上來看，對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下。
a.技術(shù)水平上，與國(guó)外先進(jìn)水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對(duì)差；可靠性不高，商品化程度不足；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng)；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。
分析存在上述差距的主要原因有以下幾個(gè)方面。
a.認(rèn)識(shí)方面。對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足；對(duì)市場(chǎng)的不規(guī)范、國(guó)外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足；對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候多，從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時(shí)候少；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施，往往規(guī)劃理想，實(shí)施困難。
d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠。
3對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考3.1戰(zhàn)略考慮
我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。3.2發(fā)展策略
從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展
強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)格低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。
在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。
在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
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課題名稱： PLC先進(jìn)控制策略研究與應(yīng)用
1、選題意義和背景。
可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能豐富等強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為目前自動(dòng)化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng)。然而，從目前的應(yīng)用情況來看，PLC還大都只是承擔(dān)最基本的控制功能，如順序控制、數(shù)據(jù)采集和PID反饋控制。各個(gè)PLC廠家也在其產(chǎn)品中設(shè)計(jì)了PID模塊。雖然PID算法控制有很高的穩(wěn)定性，但對(duì)于一些復(fù)雜控制系統(tǒng)，PID控制很難滿足控制要求，這也使PLC的發(fā)展面臨著一種挑戰(zhàn)。隨著越來越多的PLC產(chǎn)品與IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)兼容，PLC控制系統(tǒng)越來越開放，將先進(jìn)控制算法嵌入PLC常規(guī)控制系統(tǒng)成為可能。本課題從工業(yè)控制實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)PLC的控制功能進(jìn)行深入的研究和探討，以提高和擴(kuò)展PLC控制器的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍。本課題：PLC先進(jìn)控制策略的研究與應(yīng)用，其目的是通過研究使一些先進(jìn)控制算法在PLC及組態(tài)系統(tǒng)上得以實(shí)現(xiàn)，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，經(jīng)過驗(yàn)證后最終應(yīng)用到工業(yè)過程控制中去。
在PLC組態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法，包括預(yù)測(cè)控制算法和模糊邏輯控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能大大提高系統(tǒng)的控制水平，改善控制質(zhì)量。從經(jīng)濟(jì)角度來看，目前PLC生產(chǎn)商的一些產(chǎn)品具備先進(jìn)控制模塊，如模糊模塊。但它們的價(jià)格十分昂貴，且封閉性較強(qiáng)，不適合我國(guó)中小型企業(yè)的工業(yè)改造。因此開發(fā)較為通用的先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)，對(duì)于我國(guó)中小型企業(yè)的工業(yè)改造具有很大的意義，既可降低生產(chǎn)成本，又可提高經(jīng)濟(jì)效益。
模糊控制與預(yù)測(cè)控制是智能控制中技術(shù)較為成熟的分支，因此，研制和開發(fā)出適合工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)先進(jìn)控制開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)模糊控制、預(yù)測(cè)控制嵌入PLC,與常規(guī)控制集成運(yùn)行，讓先進(jìn)控制從教授、專家手中走出來，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制的工程化、實(shí)用化、轉(zhuǎn)化為社會(huì)生產(chǎn)力，對(duì)縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，加快先進(jìn)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平有著重大的意義。
2、論文綜述/研究基礎(chǔ)。
在過程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡(jiǎn)單反饋控制回路己成為過程控制的核心系統(tǒng)。目前，PID控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控制的最現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類回路仍占總回路80%-90%.這是因?yàn)镻ID控制算法是對(duì)人的簡(jiǎn)單而有效操作的總結(jié)和模仿，足以維護(hù)一般過程的平穩(wěn)操作與運(yùn)行，而且這類算法簡(jiǎn)單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。
然而，單回路PID控制并不能適用于所有的過程和不同的要求[4}0 50年代開始，逐漸發(fā)展了串級(jí)、比值、前饋、均勻和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當(dāng)時(shí)的先進(jìn)控制系統(tǒng)，在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%-20%的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強(qiáng)藕合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標(biāo)。隨著過程工業(yè)日益走向大型化、連續(xù)化，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進(jìn)控制策略。自50年代末發(fā)展起來的以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解疆控制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法}s}.上述多變量控制策略有其自身的不足之處，工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確的數(shù)學(xué)模型比較困難。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強(qiáng)大的計(jì)算能力可以用來求解過去認(rèn)為是無法求解的問題，這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。
整個(gè)80年代，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測(cè)控制的工程化軟件包。通過在模型識(shí)別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系己基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功，也最有前途的先進(jìn)控制策略。近年來，人工智能技術(shù)有了長(zhǎng)足的長(zhǎng)進(jìn)并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)是最有潛力的三種工具。專家系統(tǒng)可望在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測(cè)儀表和控制回路有效性檢驗(yàn)中獲得成功應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可以為復(fù)雜的非線性過程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過程軟測(cè)量和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達(dá)確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗(yàn)使之成為知識(shí)進(jìn)而改進(jìn)以后的控制，也將是先進(jìn)控制的重要內(nèi)容。
由于先進(jìn)控制受控制算法的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)硬件兩方面因素的影響，早期的先進(jìn)控制算法通常是在PC機(jī)和UNIX機(jī)上實(shí)施的。隨著DCS功能的不斷增強(qiáng)，更多的先進(jìn)控制策略可以與基本控制回路一起在DCS控制站上實(shí)現(xiàn)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跛衅髽I(yè)都采用了DCS系統(tǒng)或其它智能化設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，并在此基礎(chǔ)上通過實(shí)施先進(jìn)控制與優(yōu)化較大的提升了系統(tǒng)的性能?？梢哉f，高性能控制系統(tǒng)，尤其是DCS系統(tǒng)的普及為先進(jìn)控制的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件平臺(tái)。國(guó)外從70年代末就開始了先進(jìn)控制技術(shù)商品化軟件的開發(fā)及應(yīng)用，并在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化。如愛默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先進(jìn)控制軟件RMPGT和RPID等在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用都集中在自己的DCS系統(tǒng)上。傳統(tǒng)的PLC由于不支持浮點(diǎn)運(yùn)算以及先進(jìn)控制所必須的精確的時(shí)間，因此，除了模糊邏輯控制外，其他的先進(jìn)控制并沒有在PLG平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。然而，在過程工業(yè)中大多系統(tǒng)使用先進(jìn)靈活的PLC控制系統(tǒng)，因此1996年Barnes提出了一種基于PC-PLC通訊的混合方式，通過控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLG的通訊，從而實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制。
3、參考文獻(xiàn)。
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4、論文提綱。
第一章前言
1. I論文研究的目的和意義
1. 2論文研究的主要內(nèi)容及工作簡(jiǎn)述
1. 3國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述
I. 3. 1先進(jìn)控制的發(fā)展及現(xiàn)狀
1 .3 . 2 PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
1.3 . 3 PLC基本控制方法
1. 3. 4 PLC模糊控制器
I. 3. 5 PLC預(yù)測(cè)控制算法
第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系統(tǒng)
2.1 SIMATIC 57-300 PLC系統(tǒng)
2.1.1 S7-300 PLC
2.1.2 S7-300 PLC控制系統(tǒng)
2.2 STEP7系統(tǒng)
2.2.1 STEP7功能及結(jié)構(gòu)
2.2.2組態(tài)環(huán)境及編程語言
2.2.3基本控制算法的實(shí)現(xiàn)二
第三章PLC模糊控制器的研究與實(shí)現(xiàn)
3.1模糊控制算法與系統(tǒng)
3.1.1模糊控制理論
3.1.2模糊控制系統(tǒng)
3.1.2.1模糊控制器的組成
3.1.2.2模糊控制算法
3.1.2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)
3.2 PLC模糊控制器設(shè)計(jì)
3.2.1 PLC模糊控制器結(jié)構(gòu)
3.2.2模糊控制器離線部分設(shè)計(jì)
3.2.2.1模糊控制器離線部分算法設(shè)計(jì)內(nèi)容
3.2.2.2基于MATLAB模糊邏輯工具箱的設(shè)計(jì)
3.2.3 STEP7實(shí)現(xiàn)模糊控制器設(shè)計(jì)
3.2.3.1模糊算法流程圖
3.2.3.2模糊算法的功能塊
3.2.4 PLC模糊控制器的仿真驗(yàn)證
3.2.4.1仿真系統(tǒng)的建立
3.2.4.2仿真結(jié)果驗(yàn)證
第四章PLC預(yù)測(cè)控制器的研究與實(shí)現(xiàn)
4.1廣義預(yù)測(cè)控制算法
4.1.1單值廣義預(yù)測(cè)控制
4.1.2單值廣義預(yù)測(cè)控制律計(jì)算
4.2 PLC單值廣義預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.2.1單值廣義預(yù)測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)步驟
4.2.2單值廣義預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)
4.3單值廣義預(yù)測(cè)控制器的仿真驗(yàn)證
4.3.1仿真模型的建立
4.3.2仿真結(jié)果分析比較
第五章基于PLC的空調(diào)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
5.1工藝流程與控制方案
5.1.1工藝過程簡(jiǎn)述
5.1.2控制要求
5.1.3控制方案設(shè)計(jì)
5.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置
5.3監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)
5.4 57-300 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.4.1硬件系統(tǒng)組態(tài)
5.4.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)
5、論文的理論依據(jù)、研究方法、研究?jī)?nèi)容。
目前，PLC的應(yīng)用十分廣泛，涉及到過程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的PID控制。許多PLC開發(fā)商把PID算法做成模塊，固化在PLC中。
但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，對(duì)于一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PID很難滿足控制要求，這就需要把先進(jìn)的控制算法嵌入到PLC的設(shè)計(jì)中。本課題以此為主要研究?jī)?nèi)容。
工業(yè)過程的復(fù)雜性以及對(duì)于控制日益提高的要求，各種先進(jìn)控制算法越來越多地深入到控制領(lǐng)域，但由于PLC的編程目前還限于低級(jí)語言(如梯形圖)，所以，給在PLC上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法帶來了困難。SIEMENS在PLC的編程系統(tǒng)STEP7中提供了比較豐富的功能模塊，因此，本課題首先是通過對(duì)控制算法的研究與改進(jìn)和對(duì)STEP?功能的開發(fā)，使先進(jìn)控制策略在S7-300 PLC上得以較好的實(shí)現(xiàn)。本論文重點(diǎn)研究基于PLC的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)，這一領(lǐng)域目前研究的比較多，因此在總結(jié)前人研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7軟件中。此外，對(duì)于PLC預(yù)測(cè)控制雖已有一些研究，但都僅限于理論方面，尚未給出PLC上實(shí)現(xiàn)的實(shí)例。本課題也想在此方面有所創(chuàng)新，開發(fā)出基于PLC的預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
本論文第一章簡(jiǎn)要介紹了課題的來源背景、主要內(nèi)容、目的意義以及國(guó)外相關(guān)工作的研究狀況等。
第二章介紹了SIMATIC S7-300 PLC的主要特點(diǎn)，系統(tǒng)組成及控制系統(tǒng)的配置與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)介紹了STEP?軟件的功能及結(jié)構(gòu)，組態(tài)環(huán)境，以及一些基本算法的實(shí)現(xiàn)方法。
第三章重點(diǎn)闡述了模糊控制的基本理論、模糊控制算法、模糊控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。提出了基于PLC的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)方法，即采用MATLAB離線設(shè)計(jì)，PLC在線查詢的方式。給出了STEP?實(shí)現(xiàn)模糊算法的流程圖及部分程序。
最后建立一個(gè)過程仿真系統(tǒng)，對(duì)PLC模糊控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
第四章介紹了預(yù)測(cè)控制的基本理論，重點(diǎn)闡述了廣義預(yù)測(cè)控制算法，并結(jié)合PLC的特點(diǎn)，提出了基于PLC的單值廣義預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)方法，給出了STEP7實(shí)現(xiàn)單值廣義預(yù)測(cè)算法的步驟與流程圖。最后建立一個(gè)二階大滯后的對(duì)象模型，構(gòu)成仿真控制系統(tǒng)，與PID控制進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證PLC預(yù)測(cè)控制器的有效性。
第五章是作者在研究生期間參加的某空調(diào)性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室基于PLC實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置和硬件構(gòu)成、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面分別進(jìn)行了詳細(xì)的論述。
第六章結(jié)論與體會(huì)，總結(jié)自己在課題研究和項(xiàng)目研究的過程中的一些體會(huì)和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事項(xiàng)，改進(jìn)方法。
6、研究條件和可能存在的問題。
I.盡快建立樣板工程，把己經(jīng)取得的研究成果應(yīng)用到工程實(shí)際過程中，通過實(shí)踐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題以便不斷改進(jìn)和提高。
2. PLC預(yù)測(cè)控制器目前只應(yīng)用了簡(jiǎn)單的單值廣義預(yù)測(cè)算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，應(yīng)用較為成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作為今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。
3.對(duì)于PLC模糊控制器的改進(jìn)，主要是在算法上，為了提高控制效果，單純的模糊算法是不足的，改進(jìn)型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以開發(fā)PLC模糊PID控制器。
4.進(jìn)一步挖掘STEP?軟件的功能，開發(fā)過程對(duì)象仿真模塊，給出基于PLC建立仿真系統(tǒng)的方法和步驟，為工業(yè)實(shí)阮應(yīng)用縮短調(diào)試時(shí)間，保證系統(tǒng)的可靠性。
7、預(yù)期的結(jié)果。
1.通過對(duì)先進(jìn)控制各種算法的分析比較，對(duì)先進(jìn)控制理論有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，從中學(xué)到了不少解決問題的方法，理解了傳統(tǒng)控制方法與先進(jìn)控制方法的區(qū)別。
2.基于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制與基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制相比較，最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制不需要通訊協(xié)議，而基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行之前必須正確的配置PC與PLC之間的通訊協(xié)議，因此可以降低系統(tǒng)得開發(fā)時(shí)間。其次，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在下位機(jī)上完成先進(jìn)控制算法比在上位機(jī)完成更具有實(shí)時(shí)性。在可靠性方面，由于基于PC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)和信號(hào)要經(jīng)過通訊傳給上位機(jī)，這難免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和信號(hào)的誤差，從而使系統(tǒng)的控制精度下降，而基于PLC實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制避免了這類現(xiàn)象的發(fā)生。
3.西門子57-300 PLC功能強(qiáng)、處理速度快、模塊化結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，被廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)中;其相應(yīng)開發(fā)軟件STEP7采用模塊化編程方法，提供多種編程語言，豐富的功能模塊，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能和算法。因此二者結(jié)合 起來，為先進(jìn)控制的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了很好的軟硬件平臺(tái)。
4. PLC模糊控制器采用MTALAB離線設(shè)計(jì)和PLC在線查表的方法，把復(fù)雜的模糊推理過程交給計(jì)算機(jī)離線完成，得到模糊控制量查詢表供PLC在線調(diào)用。此方法將復(fù)雜瑣碎的模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)工作變得簡(jiǎn)單明了，大大縮短了開發(fā)周期，同時(shí)也提高的PLC控制的實(shí)時(shí)性，是目前被廣泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。
5. PLC單值廣義預(yù)測(cè)控制器采用簡(jiǎn)單實(shí)用的單值廣義預(yù)測(cè)控制算法，它需要調(diào)整參數(shù)少、在線計(jì)算時(shí)間短，可適用于PLC類控制采樣周期較短的快速動(dòng)態(tài)過程系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：PLC單值廣義預(yù)測(cè)控制器保持了預(yù)測(cè)控制的性能，控制效果較PID控制有很大改善，同時(shí)具有計(jì)算量小，響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。
8、論文寫作進(jìn)度安排。
20XX.05-20XX.06 開論文會(huì)議
20XX.06-20XX.07 確定論文題目
20XX.07-20XX.02 提交開題報(bào)告初稿
20XX.02-20XX.06 提交論文初稿
關(guān)鍵詞：測(cè)控技術(shù)與儀器；畢業(yè)設(shè)計(jì)；產(chǎn)學(xué)研結(jié)合；教學(xué)改革
作者簡(jiǎn)介：李雅峰（1979-），男，陜西漢中人，天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，講師；郗濤（1974-），男，山西陽泉人，天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授。（天津 300387）
基金項(xiàng)目：本文系天津工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：06323）的研究成果。
中圖分類號(hào)：G642.477 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）22-0181-03
畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教學(xué)過程中時(shí)間最長(zhǎng)的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，是對(duì)本科生四年課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐的總結(jié)，是畢業(yè)生步入實(shí)際職業(yè)生涯或者接受研究生教育的教學(xué)準(zhǔn)備。同時(shí)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)高校教育培養(yǎng)質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和應(yīng)用能力，增強(qiáng)學(xué)生在擇業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等諸方面具有重要意義。
測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是儀器科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科的重要分支，主要學(xué)習(xí)光機(jī)電一體化的精密儀器理論、控制理論和測(cè)控儀器的設(shè)計(jì)方法，以及測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及開發(fā)能力。天津工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)在國(guó)內(nèi)高校中的起步較晚，與同城擁有“精密測(cè)試技術(shù)及儀器”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及“儀器儀表”博士后流動(dòng)站的天津大學(xué)相比，在軟硬實(shí)力方面也有不小的差距。
因此從向國(guó)家教委申報(bào)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)之始，為有創(chuàng)新、有特色的辦好測(cè)控專業(yè)，對(duì)該專業(yè)包括畢業(yè)設(shè)計(jì)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了探索，其人才培養(yǎng)模式也是目前天津工業(yè)大學(xué)亟需研究的問題。
本文立足天津工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)模式與現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的問題，探索符合人才培養(yǎng)規(guī)律與學(xué)?，F(xiàn)狀的畢業(yè)設(shè)計(jì)模式，逐步完善畢業(yè)設(shè)計(jì)過程的各項(xiàng)質(zhì)量管理機(jī)制，提高畢業(yè)論文質(zhì)量并促進(jìn)應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
一、測(cè)控專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的問題
首先是就業(yè)與考研的影響，這也是全國(guó)所有高校都存在的問題。天津工業(yè)大學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)安排在大四第二學(xué)期，而此階段正值本科畢業(yè)生擇業(yè)就業(yè)的關(guān)鍵期。很多用人單位要求已簽約的學(xué)生提前入職或?qū)嵙?xí)；另外沒有簽約的學(xué)生離校奔波趕場(chǎng)求職，把全部精力都投入到找工作之中；通過國(guó)家研究生分?jǐn)?shù)線的學(xué)生，每年的三四月進(jìn)入復(fù)試環(huán)節(jié)，導(dǎo)致這些學(xué)生在此期間無暇顧及自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
其次是部分學(xué)生對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的重視程度不夠，態(tài)度不認(rèn)真，不少學(xué)生認(rèn)為畢業(yè)設(shè)計(jì)就是走形式，不論論文優(yōu)劣和答辯表現(xiàn)好壞都能最終通過。畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度不能按照計(jì)劃進(jìn)行，各環(huán)節(jié)步驟拖延，以及后期的趕工導(dǎo)致論文粗制濫造、抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。
再次是選題帶有盲目性。部分學(xué)生既不了解選題的主要內(nèi)容，又對(duì)自己的個(gè)人能力估計(jì)不足，僅憑畢業(yè)設(shè)計(jì)題目名稱和對(duì)指導(dǎo)教師的喜好進(jìn)行選題，結(jié)果在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中才發(fā)現(xiàn)選題和自己的專業(yè)特長(zhǎng)以及職業(yè)方向相去甚遠(yuǎn)，從而產(chǎn)生倦怠和消極情緒；部分學(xué)生選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)課題時(shí)，避難就易只求完成，不向優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)方向努力，從而影響了畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和質(zhì)量。
最后還有個(gè)別指導(dǎo)教師畢業(yè)設(shè)計(jì)選題過于陳舊，實(shí)質(zhì)內(nèi)容多年不變，或是題目雖有變化但是內(nèi)容不變。有的教師放松對(duì)學(xué)生的要求，沒能達(dá)到每周見面輔導(dǎo)兩次的要求，或安排給自己的研究生進(jìn)行指導(dǎo)，在中期檢查和答辯時(shí)給分隨意，造成畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量下降。
二、對(duì)天津工業(yè)大學(xué)測(cè)控專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的探索與成效
1.以競(jìng)賽和科研為基礎(chǔ)的畢業(yè)設(shè)計(jì)
學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽和科研項(xiàng)目可以有效的把畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間前移，并且對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目有所準(zhǔn)備和認(rèn)識(shí)。各種學(xué)科競(jìng)賽始終貫穿于測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以賽代練的方法能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)和創(chuàng)新能力，把畢業(yè)設(shè)計(jì)作為學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目的一個(gè)拓展和深入，參加過學(xué)科競(jìng)賽的同學(xué)繼續(xù)在教師指導(dǎo)下深入，使其可以延續(xù)性地完成過去感興趣的方向。
此外畢業(yè)設(shè)計(jì)可以結(jié)合在指導(dǎo)教師的科研任務(wù)中?？蒲许?xiàng)目所能提供的設(shè)備、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)可以有效提高他們的動(dòng)手能力和科研能力，同時(shí)有利于提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，另外也能調(diào)動(dòng)廣大學(xué)生的積極性，使其更加善于觀察和解決現(xiàn)實(shí)存在的問題。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)作為教師科研項(xiàng)目的子課題，可以加快教師科研項(xiàng)目的研究進(jìn)度，使教師更有時(shí)間和精力在戰(zhàn)略上掌控和把握自己的科研項(xiàng)目。
通過近三年對(duì)測(cè)控專業(yè)本科畢業(yè)生的統(tǒng)計(jì)，省部級(jí)以上科技競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)比例達(dá)到全部學(xué)生人數(shù)的65%以上，參加指導(dǎo)教師科研項(xiàng)目進(jìn)行助研活動(dòng)的學(xué)生有23%，最終絕大多數(shù)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題與自己的競(jìng)賽項(xiàng)目和科研任務(wù)有關(guān)。通過近年來獲得的成績(jī)表明，以競(jìng)賽和科研為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式，是提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效途徑。
2.大力支持校企聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，許多用人單位希望學(xué)生能到單位去邊做畢業(yè)設(shè)計(jì)，邊進(jìn)行上崗培訓(xùn)，而學(xué)生也愿意到單位進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，在工作學(xué)習(xí)的同時(shí)還可以得到一些薪酬。學(xué)生到就業(yè)單位進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)可以很大程度的保證畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間，還可以充分利用企業(yè)的經(jīng)費(fèi)、儀器、場(chǎng)地和技術(shù)力量，完成企業(yè)需要的技術(shù)課題。對(duì)于企業(yè)而言，這些已簽約準(zhǔn)備進(jìn)入到企業(yè)的學(xué)生就是未來的員工，這使得企業(yè)有強(qiáng)烈的育人責(zé)任感，因而從人力、物力、財(cái)力等方面給予大力支持。
校企聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計(jì)采用共同指導(dǎo)的方式，以企業(yè)為主、學(xué)校為輔。畢業(yè)設(shè)計(jì)題目經(jīng)校企共同協(xié)商確定，校內(nèi)指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)過程管理，制定進(jìn)度計(jì)劃，監(jiān)督設(shè)計(jì)過程，并負(fù)責(zé)審核畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度狀況和完成情況；企業(yè)工程技術(shù)人員則負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)生具體設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)，提供相關(guān)技術(shù)資料，以及學(xué)生與工作現(xiàn)場(chǎng)、設(shè)計(jì)企業(yè)單位關(guān)系的協(xié)調(diào)。
學(xué)校和企業(yè)共同指導(dǎo)學(xué)生完成科研與工程課題，可以增加學(xué)校教師了解企業(yè)技術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的機(jī)會(huì)，有利于提高教師的實(shí)際工程能力，為教師科研工作提供了許多便利。近三年來測(cè)控專業(yè)校企聯(lián)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的畢業(yè)生人數(shù)有逐漸增加的趨勢(shì)，校內(nèi)教師聯(lián)系和管理在崗學(xué)生，使企業(yè)不把學(xué)生當(dāng)成一個(gè)廉價(jià)勞動(dòng)力來使用，控制好畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度狀況和保證質(zhì)量，也是今后畢業(yè)設(shè)計(jì)管理體系中的重要課題。
3.選題突出天津工業(yè)大學(xué)紡織特色和地方產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)
天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)科是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，有百年辦學(xué)的歷史和經(jīng)驗(yàn)，并擁有以“先進(jìn)紡織復(fù)合材料”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為代表的一批高水平研究基地，依托紡織學(xué)科優(yōu)勢(shì)天津工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)選題中也要突出紡織特色，使用新的技術(shù)手段和技術(shù)路線對(duì)紡織工藝、紡織材料的檢測(cè)以及紡織設(shè)備和紡織過程進(jìn)行控制。不但可以利用學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科的先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而且將紡織專業(yè)與測(cè)控專業(yè)結(jié)合起來，盡可能滿足學(xué)生的興趣和愛好以及就業(yè)的需要，使得學(xué)生成為具有紡織和紡機(jī)知識(shí)的復(fù)合型人才。測(cè)控專業(yè)的畢業(yè)生每年在擇業(yè)期也能搭上校內(nèi)大批紡織類企事業(yè)單位招聘的順風(fēng)車，每年有30%以上的本專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入紡織類企事業(yè)單位，從事測(cè)量與控制、儀器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造、開發(fā)研究以及生產(chǎn)運(yùn)行管理等工作。
此外，在本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)過程中主動(dòng)與地方優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)對(duì)接，注重服務(wù)于地方特色產(chǎn)業(yè)，對(duì)擴(kuò)大就業(yè)范圍、提高就業(yè)率以及實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)具有重要意義。天津工業(yè)大學(xué)所在的天津市具有風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)集成優(yōu)勢(shì)，在各產(chǎn)業(yè)園區(qū)共有近百家風(fēng)電設(shè)備整機(jī)和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)配件的制造廠商，在風(fēng)電制造領(lǐng)域如葉片材料、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及風(fēng)電控制設(shè)備等方面都具有較強(qiáng)實(shí)力。以風(fēng)電為載體的測(cè)量與控制畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，可以讓本專業(yè)的畢業(yè)生在天津地區(qū)的就業(yè)市場(chǎng)上具有特色優(yōu)勢(shì)，特別是進(jìn)入歌美颯、維斯塔斯、蘇司蘭等大型國(guó)際名牌風(fēng)電企業(yè)的畢業(yè)生也增加了很多。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題突出了與地方優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的特點(diǎn)，積極聯(lián)系相關(guān)企業(yè)的技術(shù)研究中心，有針對(duì)性地解決實(shí)際問題，提高了就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。通過對(duì)近3年測(cè)控專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有73.3%的畢業(yè)生選擇留津就業(yè)，其中有48.6%的畢業(yè)生進(jìn)入紡織、風(fēng)電等地方優(yōu)勢(shì)特色行業(yè)中進(jìn)行就業(yè)。
4.完善畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量監(jiān)控與保障體系
首先，在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題階段要堅(jiān)持模式創(chuàng)新，畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容要有一定的深度和廣度，要注意與專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系；要體現(xiàn)本專業(yè)新工藝、新技術(shù)的研究方向，體現(xiàn)專業(yè)特點(diǎn)和學(xué)校地區(qū)優(yōu)勢(shì)特色，體現(xiàn)實(shí)際意義與經(jīng)濟(jì)效益。首先系主任先對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行考察把關(guān)，然后測(cè)控系的指導(dǎo)教師開教研會(huì)討論各個(gè)題目的工作量、層次和深度等，集思廣益保證每個(gè)設(shè)計(jì)選題的內(nèi)容和方向，最后在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題階段，指導(dǎo)教師需要向?qū)W生公開設(shè)計(jì)任務(wù)書，并且實(shí)行指導(dǎo)教師和學(xué)生雙向選擇，這樣既避免了學(xué)生選題過于集中，又能防止學(xué)生盲目選題。
其次，天津工業(yè)大學(xué)制定了完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作管理規(guī)范，對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題、開題、中期檢查、評(píng)閱、答辯等一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行審核。在2013年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，天津工業(yè)大學(xué)教務(wù)處首次啟用了網(wǎng)上畢業(yè)設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)，能行之有效地提高畢業(yè)設(shè)計(jì)效率，并成為監(jiān)控畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的良好平臺(tái)。該系統(tǒng)使學(xué)生和教師都能在程序框架中明確自己的職責(zé)，能夠使師生之間互相評(píng)價(jià)與互相監(jiān)督，同時(shí)教務(wù)管理人員也可以隨時(shí)登陸信息系統(tǒng)檢查畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，并對(duì)完成情況進(jìn)行考核。
最后，畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯是檢驗(yàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要階段。畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯以畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中的工作態(tài)度、畢業(yè)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)、結(jié)論與論據(jù)、外文翻譯質(zhì)量以及答辯思路條理和問題回答等六大項(xiàng)作為答辯成績(jī)依據(jù)。近三年來測(cè)控專業(yè)畢業(yè)答辯如果有校企聯(lián)合畢業(yè)設(shè)計(jì)的畢業(yè)生，則必須邀請(qǐng)企業(yè)技術(shù)人員作為答辯小組的成員，以保證答辯中技術(shù)性問題環(huán)節(jié)。答辯采用末尾淘汰制，每個(gè)答辯小組排名最后的兩位學(xué)生需要進(jìn)行集中式二次答辯，二次答辯小組成員均由各組組長(zhǎng)再要求一位督導(dǎo)組成，以嚴(yán)格把握畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)，為給低年級(jí)學(xué)生提前進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的啟蒙，答辯環(huán)節(jié)提倡并組織測(cè)控專業(yè)低年級(jí)學(xué)生進(jìn)行觀摩，以提前培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)的態(tài)度。
5.加大教師交流、學(xué)生獎(jiǎng)勵(lì)和抽查評(píng)優(yōu)
首先，畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師互相交流和學(xué)習(xí)可以增加畢業(yè)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整思路和工作方法，提高工作質(zhì)量和效率。比如測(cè)控專業(yè)的教師和信息學(xué)院、自動(dòng)化學(xué)院相近專業(yè)的教師進(jìn)行交流，與其共享技術(shù)資料和開放實(shí)驗(yàn)室等。對(duì)于紡織、紡機(jī)等的測(cè)試與控制畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，可以邀請(qǐng)紡織工程學(xué)科的教師進(jìn)行團(tuán)隊(duì)式畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，這樣更利于指導(dǎo)教師和畢業(yè)生成長(zhǎng)，保證畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。
其次，天津工業(yè)大學(xué)加大了對(duì)獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生的獎(jiǎng)勵(lì)，提供科研基金鼓勵(lì)學(xué)生投稿、申請(qǐng)專利、軟件著作權(quán)等。天津工業(yè)大學(xué)將學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)與畢業(yè)評(píng)優(yōu)和就業(yè)掛鉤，作為綜合素質(zhì)考核的條件之一，對(duì)測(cè)評(píng)結(jié)果優(yōu)良的學(xué)生優(yōu)先向用人單位推薦。近幾年來測(cè)控系每年都安排優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生作講座，和低年級(jí)的學(xué)生交流，使低年級(jí)學(xué)生對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)有初步的認(rèn)識(shí)。從而促使學(xué)生平時(shí)就注重綜合素質(zhì)的提高，激發(fā)其個(gè)人潛能，有利于提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。
此外天津工業(yè)大學(xué)也輔助以抽樣評(píng)估工作對(duì)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，特別是對(duì)抽查的本科生畢業(yè)論文進(jìn)行，以減少和杜絕論文的抄襲。由于校級(jí)教務(wù)部門質(zhì)量監(jiān)控的范圍有限，只能抽查全體畢業(yè)生中的很小的一部分，因此畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量保證體系要從根本上依托二級(jí)學(xué)院和教研室，特別是指導(dǎo)教師的力量。另外，鼓勵(lì)指導(dǎo)教師和學(xué)生參加各級(jí)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)優(yōu)比賽，在各級(jí)評(píng)比中找出差距和不足，進(jìn)一步提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量。從2012年開始測(cè)控專業(yè)所有畢業(yè)生的論文都要經(jīng)過論文抄襲自查環(huán)節(jié)，此舉也使整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)管理工作更加嚴(yán)格，畢業(yè)生撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)更加認(rèn)真和具有創(chuàng)新性。
三、總結(jié)
高等院校的職能經(jīng)歷了由培養(yǎng)技術(shù)人才兼顧科學(xué)研究，再擴(kuò)展到對(duì)接產(chǎn)業(yè)服務(wù)社會(huì)的過程。而畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等教育中的一項(xiàng)理論密切聯(lián)系實(shí)踐的綜合環(huán)節(jié)，是畢業(yè)生理論水平、創(chuàng)新思維、自學(xué)能力等素質(zhì)的全面展示。經(jīng)過近八年的教學(xué)探索和實(shí)踐，天津工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)已經(jīng)形成了以紡織設(shè)備與產(chǎn)品信號(hào)檢測(cè)、光學(xué)測(cè)量以及機(jī)電控制特色，側(cè)重于測(cè)量與控制、儀器與系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造等專業(yè)能力的培養(yǎng)。作為高等學(xué)校教學(xué)計(jì)劃中最后的綜合性教學(xué)環(huán)節(jié)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，初步取得了一定的成效和經(jīng)驗(yàn)，并且得到了較好的社會(huì)評(píng)價(jià)和用人單位的認(rèn)可，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技水平的提高以及教學(xué)改革的深化，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)模式仍需不斷改進(jìn)。
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