引言 數(shù)控機(jī)床是按照事先編制好的加工程序?qū)ぜM(jìn)行加工的設(shè)備，加工程序不僅要保證加工出來的 工件符合圖紙要求，而且要盡可能使數(shù)控機(jī)床的功 能和性能得到充分的發(fā)揮，因此，對加工程序的運(yùn)行進(jìn)行圖形仿真，以檢驗加工程序的正確性，具有重要 的意義。不僅如此，數(shù)控加工仿真培訓(xùn)越來越受到人 們的重視，這是因為數(shù)控加工要求操作人員既要熟悉數(shù)控編程指令、CNC的功能，又要了解機(jī)床的性 能，數(shù)控加工的這些特點(diǎn)決定了傳統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)方 式已無法滿足需要。所謂傳統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)方式是指操作人員先學(xué)習(xí)技術(shù)理論和操作規(guī)程，再到生產(chǎn)現(xiàn) 場，以師傅帶徒弟的方式進(jìn)行技能培訓(xùn)的方式。這種 方式的主要缺點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床一般是比較昂貴的設(shè)備，不允許學(xué)員任意的開、停和制造事故，所以，學(xué)員 動手機(jī)會少，使得學(xué)員掌握操作技能的時間較長。此外，師傅的水平參差不齊，教學(xué)質(zhì)量難以保證。因此， 數(shù)控加工仿真對檢驗加工程序的正確性和培訓(xùn)操作 人員兩方面都具有重要的作用。本文以應(yīng)用廣泛的數(shù)控鏗銑床和加工中心為研究對象，主要討論采用 面向?qū)ο蠹夹g(shù)分析數(shù)控機(jī)床，建立數(shù)控機(jī)床對象類 和仿真模型。文中所指的數(shù)控機(jī)床是數(shù)控鏗銑床和加工中心的總稱。 1 仿真系統(tǒng)中的面向?qū)ο蠹夹g(shù) 面向?qū)ο蠹夹g(shù)對對象的描述和處理接近現(xiàn)實(shí)世 界，它的數(shù)據(jù)抽象、繼承和多態(tài)機(jī)制特別適合描述內(nèi) 在機(jī)制復(fù)雜的對象，因而迅速在各行業(yè)中得到了廣 泛的應(yīng)用。 1.1 面向?qū)ο蠹夹g(shù) 在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中，具有相同結(jié)構(gòu)和處理機(jī)制 的對象抽象為類，對象是類的一個實(shí)例。對象不僅具 有用數(shù)據(jù)來描述的狀態(tài)或?qū)傩?，還具有用于改變對象狀態(tài)的操作（在面向?qū)ο笾?，這些操作稱為方法）， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與操作的結(jié)合，因而，對象可以同時描述 事物結(jié)構(gòu)和行為兩方面的信息。不同的對象之間通過消息傳遞來完成，而對象內(nèi)部數(shù)據(jù)操作對外是不 可見的。這稱之為數(shù)據(jù)封裝。面向?qū)ο蟮膶ο罄^承 機(jī)制，使父類的特性通過繼承可以傳遞到子類，這一特性為描述客觀世界的對象提供了可能性。對象繼 承對于解決各對象之間的資源共享從而提高軟件的 可重用性和可擴(kuò)充性是十分有用的，可重用性和可擴(kuò)充性對軟件產(chǎn)品的可維護(hù)性。對更新?lián)Q代產(chǎn)品的 質(zhì)量和生產(chǎn)力有極大的影響。在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中，確 定對象之間派生關(guān)系是確立整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，整個系統(tǒng)往往只有一個或幾個最基本的對象基類，其他 則是基類的派生類。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的派生關(guān)系使我 們可以直接從已有的類中獲得大量現(xiàn)成的屬性和方法，而它的多態(tài)屬性又可以讓我們在派生類中定義 不同于基類的屬性和方法。 1.2 數(shù)控機(jī)床的面向?qū)ο蠓治? 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但它們都是由相對 獨(dú)立的數(shù)量較為固定的不同功能的模塊組成，用面 向?qū)ο蟮姆椒ǚ治鰯?shù)控機(jī)床，具體數(shù)控機(jī)床和模塊都被視為對象，即數(shù)控機(jī)床由相互獨(dú)立的各種對象 組成，圖1所示為數(shù)控機(jī)床的對象模型。在對象模型 中，數(shù)控機(jī)床是由主軸、立柱、床身、工作臺、控制面板、換刀裝置及托盤交換裝置組成。它和實(shí)際的仿真 對象的組成稍有差別，對一些與仿真無關(guān)的部件，如 液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，在仿真模型中可以不予考慮，以簡化仿真模型。圖中的黑圓球點(diǎn)“·”和“l(fā)十” 是多重符號，表示一個類的許多實(shí)例相關(guān)于另外一個類的實(shí)例，空心圓球點(diǎn)“O”表示一個類的0或1 個實(shí)例相關(guān)于另外一個類的實(shí)例。從對象圖中可以 看出，主軸、主柱、床身、工作臺、控制面板是每一臺數(shù)控機(jī)床的必需部件，換刀裝置和托盤交換裝置則 是可選部件，但對加工中心而言，換刀裝置和托盤交 換裝置也是必需部件。 1.3 排斥關(guān)系的檢查 數(shù)控機(jī)床并不是所有部件的任意組合，部件間 的選用搭配有一定的排斥關(guān)系，仿真系統(tǒng)必須能對 這些排斥關(guān)系進(jìn)行描述，確保仿真模型反映的是現(xiàn)實(shí)存在的數(shù)控機(jī)床。例如，在換刀裝置中，機(jī)械手是 可選部件，刀庫是必需部件，但一旦選定鏈?zhǔn)降稁欤?就必須要選一種機(jī)械手；加工中心可以有多個刀庫，但必須和機(jī)械手配合才能完成換刀動作；同樣，工作 臺和托盤裝置也存在排斥關(guān)系，長方工作臺不能與 托盤裝置配備在同一臺數(shù)控機(jī)床上；分度工作臺基座的運(yùn)動方式?jīng)Q定分度工作臺與托盤裝置類型的搭 配關(guān)系，基座固定的分度工作臺只能與回轉(zhuǎn)式托盤 裝置搭配選用，等等。由于仿真系統(tǒng)中，只有部件間才存在排斥關(guān)系，而且部件類型數(shù)量有限（但每一類 型中，部件型號無限），所以，每個部件類型都可預(yù)先賦予一個確定的ID號。按照數(shù)控機(jī)床規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，數(shù) 控機(jī)床的類型數(shù)量較少，仿真系統(tǒng)可枚舉每一種數(shù) 控機(jī)床中所有存在排斥關(guān)系的ID號。排斥關(guān)系用集合描述，設(shè)A、B為兩集合，a1、a2、…、an代表數(shù)控 機(jī)床部件的ID號，為集合A中的元素，b1、b2、…、bm 也代表數(shù)控機(jī)床部件的ID號，為集合B的元素，即 A＝｛a1，a2，…，an｝ B＝｛b1，b2，…，bm｝ 那么仿真系統(tǒng)中的排斥關(guān)系可表示為：集合A排斥 集合B，或集合B排斥集合A，即若某一仿真模型 中，集合A與B的 所有元素存在，說明該模型中存在部件排斥，需重新選擇部件類型。 1.4 對象類的建立 由于數(shù)控機(jī)床的型號較多，功能、結(jié)構(gòu)均有差 異，對每一臺數(shù)控機(jī)床，都去分析其結(jié)構(gòu)特性、功能 特性，建立仿真模型，是一個費(fèi)時費(fèi)力的任務(wù)。從數(shù)控機(jī)床發(fā)展的歷史來看，數(shù)控機(jī)床具有明顯的繼承 性，就加工中心而言，就是在數(shù)控鏗銑床的基礎(chǔ)上發(fā) 展起來的，簡單而言，加工中心＝數(shù)控鏜銑床十換刀裝置。因此，利用數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能特性相似的 特點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟮姆椒ń⑵饘ο箢惖膶哟谓Y(jié) 構(gòu)關(guān)系并通過繼承實(shí)現(xiàn)仿真模型信息的重用是非常必要的。 數(shù)控機(jī)床依其結(jié)構(gòu)形式分類較簡單，可劃分為 以下3類：臥式數(shù)控機(jī)床（HNCMT）、立式數(shù)控機(jī)床 （VNCMT）、龍門式數(shù)控機(jī)床（GNCMT）。這3類數(shù) 控機(jī)床可以被抽象為3種基本的數(shù)控機(jī)床對象類，它們構(gòu)成數(shù)控機(jī)床類庫結(jié)構(gòu)中的一層。這3類數(shù)控 機(jī)床對象類還具有一些共同的屬性，象數(shù)控機(jī)床的 名稱、型號、主軸的轉(zhuǎn)速范圍等這些所有數(shù)控機(jī)床都具有的屬性，因而可以進(jìn)一步向上概況抽象出一種 新類——數(shù)控機(jī)床（NCMT）類，它處于數(shù)控機(jī)床類 層次結(jié)構(gòu)的最上層，是整個數(shù)控機(jī)床類的基類?？紤]到數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況，對數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與功能 屬性進(jìn)行更詳盡的分析，HNCMT類、VNCMT類、 GNCMT類均可按3坐標(biāo)、4坐標(biāo)、5坐標(biāo)進(jìn)一步劃 分類，它們處于數(shù)控機(jī)床類層次結(jié)構(gòu)的下層。這樣， 整個數(shù)控機(jī)床類的層次結(jié)構(gòu)就建立起來了，數(shù)控機(jī)床對象類的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。 2 仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)由數(shù)控機(jī)床、刀具、工件和夾 具組成。數(shù)控加工的過程是數(shù)控機(jī)床在NC代碼的 驅(qū)動下帶動刀具對被夾具固定在工作臺上的工件進(jìn)行切削加工的過程。要實(shí)現(xiàn)對數(shù)控加工過程的仿真， 首先要建立數(shù)控機(jī)床、刀具、工件和夾具的幾何模 型。在幾何模型的基礎(chǔ)上建立數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動模型。最后實(shí)現(xiàn)對數(shù)控加工過程的仿真。數(shù)控加工仿真系 統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。 3 仿真模型 數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的仿真模型包括數(shù)控機(jī)床、 刀具、工件和夾具的幾何模型和運(yùn)動模型，本文只討 論數(shù)控機(jī)床的幾何模型，刀具、工件和夾具的幾何模型較簡單，與數(shù)控機(jī)床類似，仿真系統(tǒng)的運(yùn)動模型參 見文獻(xiàn)[3]。數(shù)控機(jī)床的幾何模型實(shí)際上是一個裝配 模型，是裝配單元按一定約束條件組合在一起的裝配體，裝配單元為零件或部件。以下主要討論裝配模 型的實(shí)現(xiàn)以及裝配體內(nèi)部各子部件之間位置關(guān)系描 述等問題。 3.1 裝配模型的基本形式 裝配模型的基本形式是層次樹和圖。層次樹可 以清晰的表達(dá)裝配體的組成關(guān)系，而且也利于裝配 序列規(guī)劃的求解，但它不易表達(dá)零件間的配合關(guān)系。與層次樹結(jié)構(gòu)相反，圖的結(jié)構(gòu)比較容易表達(dá)各零件 間的關(guān)系，并提供了在裝配體中從一個零件直接找 到另一個零件之間聯(lián)系的路徑，特別適合公差和運(yùn)動鏈的分析，但很難表示層次組成關(guān)系，結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜，不易維護(hù)，而且操作也比較困難 [2] 。幾何模型與其它系統(tǒng)（如CAD／CAM系統(tǒng)）的裝配模型的要求 不同，可歸納為：（1）裝配幾何關(guān)系的描述；（2）裝配拓?fù)潢P(guān)系的描述；（3）零件層次性的構(gòu)造。由于幾何 模型可不考慮公差配合，而且運(yùn)動關(guān)系也具有層次 關(guān)系，因此，可采用層次結(jié)構(gòu)。 3.2 仿真模型的建立 在本系統(tǒng)中，一個裝配體被表示成一棵2叉樹， 如圖4所示，其中樹的根節(jié)點(diǎn)表示用戶最終需要的 裝配體，非葉節(jié)點(diǎn)表示子裝配體，子裝配體是由零件或者子裝配體構(gòu)成，零件在這個樹狀結(jié)構(gòu)中是用最 低層的葉結(jié)點(diǎn)表示。同時規(guī)定非葉節(jié)點(diǎn)的左子女作 為基體，它位置不發(fā)生變換，變換矩陣只作用它的右子女。只有同一層次的裝配單元存在“位置約束”關(guān) 系，不同層次的裝配單元存在“從屬關(guān)系”。通過裝配 單元的局部坐標(biāo)系與被裝配的裝配單元所在坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的移動和旋轉(zhuǎn)，使裝配單元定位于 理論裝配位置。此模型具有描述簡單、操作方便、容 易維護(hù)和存貯量小的特點(diǎn)。 結(jié)束語 現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢就是面向?qū)ο?，將?向?qū)ο蠹夹g(shù)引人數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)的研究與開 發(fā)中，必將提高數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)研究的質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。設(shè)計出 一個正確的仿真對象是整個仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 本文在分析了數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能特性后，指出數(shù)控機(jī)床是由相對獨(dú)立的數(shù)量較為固定的不同功能 的模塊組成，這些模塊在組成數(shù)控機(jī)床的過程中，不 僅存在幾何位置的約束關(guān)系，而且存在著選用上的排斥關(guān)系。由此，提出了一種面向?qū)ο蟮臄?shù)控機(jī)床定 義方法，并在此基礎(chǔ)上建立了數(shù)控機(jī)床類庫，文中還 建立了數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。