数控加工过程仿真系统的研究（上）

　　引言

　　数控机床是按照事先编制好的加工程序对工件进行加工的设备，加工程序不仅要保证加工出来的 工件符合图纸要求，而且要尽可能使数控机床的功 能和性能得到充分的发挥，因此，对加工程序的运行进行图形仿真，以检验加工程序的正确性，具有重要 的意义。不仅如此，数控加工仿真培训越来越受到人 们的重视，这是因为数控加工要求操作人员既要熟悉数控编程指令、CNC的功能，又要了解机床的性 能，数控加工的这些特点决定了传统的技术培训方 式已无法满足需要。所谓传统的技术培训方式是指操作人员先学习技术理论和操作规程，再到生产现 场，以师傅带徒弟的方式进行技能培训的方式。这种 方式的主要缺点是数控机床一般是比较昂贵的设备，不允许学员任意的开、停和制造事故，所以，学员 动手机会少，使得学员掌握操作技能的时间较长。此外，师傅的水平参差不齐，教学质量难以保证。因此， 数控加工仿真对检验加工程序的正确性和培训操作 人员两方面都具有重要的作用。本文以应用广泛的数控铿铣床和加工中心为研究对象，主要讨论采用 面向对象技术分析数控机床，建立数控机床对象类 和仿真模型。文中所指的数控机床是数控铿铣床和加工中心的总称。

　　1 仿真系统中的面向对象技术

　　面向对象技术对对象的描述和处理接近现实世 界，它的数据抽象、继承和多态机制特别适合描述内 在机制复杂的对象，因而迅速在各行业中得到了广 泛的应用。

　　1.1 面向对象技术

　　在面向对象技术中，具有相同结构和处理机制 的对象抽象为类，对象是类的一个实例。对象不仅具 有用数据来描述的状态或属性，还具有用于改变对象状态的操作(在面向对象中，这些操作称为方法)， 实现了数据与操作的结合，因而，对象可以同时描述 事物结构和行为两方面的信息。不同的对象之间通过消息传递来完成，而对象内部数据操作对外是不 可见的。这称之为数据封装。面向对象的对象继承机制，使父类的特性通过继承可以传递到子类，这一特性为描述客观世界的对象提供了可能性。对象继 承对于解决各对象之间的资源共享从而提高软件的 可重用性和可扩充性是十分有用的，可重用性和可扩充性对软件产品的可维护性。对更新换代产品的 质量和生产力有极大的影响。在面向对象技术中，确 定对象之间派生关系是确立整个系统的关键，整个系统往往只有一个或几个最基本的对象基类，其他 则是基类的派生类。面向对象技术的派生关系使我 们可以直接从已有的类中获得大量现成的属性和方法，而它的多态属性又可以让我们在派生类中定义不同于基类的属性和方法。

　　1.2 数控机床的面向对象分析

　　数控机床的结构虽然复杂，但它们都是由相对 独立的数量较为固定的不同功能的模块组成，用面 向对象的方法分析数控机床，具体数控机床和模块都被视为对象，即数控机床由相互独立的各种对象 组成，图1所示为数控机床的对象模型。在对象模型 中，数控机床是由主轴、立柱、床身、工作台、控制面板、换刀装置及托盘交换装置组成。它和实际的仿真 对象的组成稍有差别，对一些与仿真无关的部件，如 液压系统、电气系统等，在仿真模型中可以不予考虑，以简化仿真模型。图中的黑圆球点“·”和“l十” 是多重符号，表示一个类的许多实例相关于另外一个类的实例，空心圆球点“O”表示一个类的0或1 个实例相关于另外一个类的实例。从对象图中可以 看出，主轴、主柱、床身、工作台、控制面板是每一台数控机床的必需部件，换刀装置和托盘交换装置则 是可选部件，但对加工中心而言，换刀装置和托盘交 换装置也是必需部件。

　　1.3 排斥关系的检查

　　数控机床并不是所有部件的任意组合，部件间 的选用搭配有一定的排斥关系，仿真系统必须能对 这些排斥关系进行描述，确保仿真模型反映的是现实存在的数控机床。例如，在换刀装置中，机械手是 可选部件，刀库是必需部件，但一旦选定链式刀库， 就必须要选一种机械手；加工中心可以有多个刀库，但必须和机械手配合才能完成换刀动作；同样，工作 台和托盘装置也存在排斥关系，长方工作台不能与 托盘装置配备在同一台数控机床上；分度工作台基座的运动方式决定分度工作台与托盘装置类型的搭 配关系，基座固定的分度工作台只能与回转式托盘 装置搭配选用，等等。由于仿真系统中，只有部件间才存在排斥关系，而且部件类型数量有限(但每一类 型中，部件型号无限)，所以，每个部件类型都可预先赋予一个确定的ID号。按照数控机床规格标准，数 控机床的类型数量较少，仿真系统可枚举每一种数 控机床中所有存在排斥关系的ID号。排斥关系用集合描述，设A、B为两集合，a1、a2、…、an代表数控 机床部件的ID号，为集合A中的元素，b1、b2、…、bm 也代表数控机床部件的ID号，为集合B的元素，即 A＝{a1，a2，…，an} B＝{b1，b2，…，bm} 那么仿真系统中的排斥关系可表示为：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与B的 所有元素存在，说明该模型中存在部件排斥，需重新选择部件类型。

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