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(lái)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(duì)加工程序的運(yùn)行進(jìn)行圖形仿真，以檢驗(yàn)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(lái)越受到人 們的重視，這是因?yàn)閿?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(wú)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(chǎng)，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(kāi)、停和制造事故，所以，學(xué)員 動(dòng)手機(jī)會(huì)少，使得學(xué)員掌握操作技能的時(shí)間較長(zhǎng)。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(duì)檢驗(yàn)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(duì)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(duì)象類(lèi) 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(chēng)。 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(duì)對(duì)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(duì)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(duì)象抽象為類(lèi)，對(duì)象是類(lèi)的一個(gè)實(shí)例。對(duì)象不僅具 有用數(shù)據(jù)來(lái)描述的狀態(tài)或?qū)傩?，還具有用于改變對(duì)象狀態(tài)的操作（在面向?qū)ο笾?，這些操作稱(chēng)為方法）， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與操作的結(jié)合，因而，對(duì)象可以同時(shí)描述 事物結(jié)構(gòu)和行為兩方面的信息。不同的對(duì)象之間通過(guò)消息傳遞來(lái)完成，而對(duì)象內(nèi)部數(shù)據(jù)操作對(duì)外是不 可見(jiàn)的。這稱(chēng)之為數(shù)據(jù)封裝。面向?qū)ο蟮膶?duì)象繼承 機(jī)制，使父類(lèi)的特性通過(guò)繼承可以傳遞到子類(lèi)，這一特性為描述客觀世界的對(duì)象提供了可能性。對(duì)象繼 承對(duì)于解決各對(duì)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(duì)軟件產(chǎn)品的可維護(hù)性。對(duì)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(duì)象之間派生關(guān)系是確立整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，整個(gè)系統(tǒng)往往只有一個(gè)或幾個(gè)最基本的對(duì)象基類(lèi)，其他 則是基類(lèi)的派生類(lèi)。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(lèi)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?cè)谂缮?lèi)中定義 不同于基類(lèi)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(duì) 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(duì)象，即數(shù)控機(jī)床由相互獨(dú)立的各種對(duì)象 組成，圖1所示為數(shù)控機(jī)床的對(duì)象模型。在對(duì)象模型 中，數(shù)控機(jī)床是由主軸、立柱、床身、工作臺(tái)、控制面板、換刀裝置及托盤(pán)交換裝置組成。它和實(shí)際的仿真 對(duì)象的組成稍有差別，對(duì)一些與仿真無(wú)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(jiǎn)化仿真模型。圖中的黑圓球點(diǎn)“·”和“l(fā)十” 是多重符號(hào)，表示一個(gè)類(lèi)的許多實(shí)例相關(guān)于另外一個(gè)類(lèi)的實(shí)例，空心圓球點(diǎn)“O”表示一個(gè)類(lèi)的0或1 個(gè)實(shí)例相關(guān)于另外一個(gè)類(lèi)的實(shí)例。從對(duì)象圖中可以 看出，主軸、主柱、床身、工作臺(tái)、控制面板是每一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的必需部件，換刀裝置和托盤(pán)交換裝置則 是可選部件，但對(duì)加工中心而言，換刀裝置和托盤(pán)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(duì) 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(kù)是必需部件，但一旦選定鏈?zhǔn)降稁?kù)， 就必須要選一種機(jī)械手；加工中心可以有多個(gè)刀庫(kù)，但必須和機(jī)械手配合才能完成換刀動(dòng)作；同樣，工作 臺(tái)和托盤(pán)裝置也存在排斥關(guān)系，長(zhǎng)方工作臺(tái)不能與 托盤(pán)裝置配備在同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上；分度工作臺(tái)基座的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定分度工作臺(tái)與托盤(pán)裝置類(lèi)型的搭 配關(guān)系，基座固定的分度工作臺(tái)只能與回轉(zhuǎn)式托盤(pán) 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(lèi)型數(shù)量有限（但每一類(lèi) 型中，部件型號(hào)無(wú)限），所以，每個(gè)部件類(lèi)型都可預(yù)先賦予一個(gè)確定的ID號(hào)。按照數(shù)控機(jī)床規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，數(shù) 控機(jī)床的類(lèi)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(hào)。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(hào)，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(hào)，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(shuō)明該模型中存在部件排斥，需重新選擇部件類(lèi)型。 1.4 對(duì)象類(lèi)的建立 由于數(shù)控機(jī)床的型號(hào)較多，功能、結(jié)構(gòu)均有差 異，對(duì)每一臺(tái)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(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)。從數(shù)控機(jī)床發(fā)展的歷史來(lái)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(lái)的，簡(jiǎn)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?duì)象類(lèi)的層次結(jié) 構(gòu)關(guān)系并通過(guò)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(lèi)較簡(jiǎn)單，可劃分為 以下3類(lèi)：臥式數(shù)控機(jī)床（HNCMT）、立式數(shù)控機(jī)床 （VNCMT）、龍門(mén)式數(shù)控機(jī)床（GNCMT）。這3類(lèi)數(shù) 控機(jī)床可以被抽象為3種基本的數(shù)控機(jī)床對(duì)象類(lèi)，它們構(gòu)成數(shù)控機(jī)床類(lèi)庫(kù)結(jié)構(gòu)中的一層。這3類(lèi)數(shù)控 機(jī)床對(duì)象類(lèi)還具有一些共同的屬性，象數(shù)控機(jī)床的 名稱(chēng)、型號(hào)、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(lèi)——數(shù)控機(jī)床（NCMT）類(lèi)，它處于數(shù)控機(jī)床類(lèi) 層次結(jié)構(gòu)的最上層，是整個(gè)數(shù)控機(jī)床類(lèi)的基類(lèi)?？紤]到數(shù)控機(jī)床的實(shí)際情況，對(duì)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(lèi)、VNCMT類(lèi)、 GNCMT類(lèi)均可按3坐標(biāo)、4坐標(biāo)、5坐標(biāo)進(jìn)一步劃 分類(lèi)，它們處于數(shù)控機(jī)床類(lèi)層次結(jié)構(gòu)的下層。這樣， 整個(gè)數(shù)控機(jī)床類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)就建立起來(lái)了，數(shù)控機(jī)床對(duì)象類(lèi)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(guò)程是數(shù)控機(jī)床在NC代碼的 驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)刀具對(duì)被夾具固定在工作臺(tái)上的工件進(jìn)行切削加工的過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工過(guò)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(dòng)模型。最后實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控加工過(guò)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(dòng)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(jiǎn)單，與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似，仿真系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型參 見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。數(shù)控機(jī)床的幾何模型實(shí)際上是一個(gè)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(wèn)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(shù)和圖。層次樹(shù)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(shù)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(gè)零件直接找 到另一個(gè)零件之間聯(lián)系的路徑，特別適合公差和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)裝配體被表示成一棵2叉樹(shù)， 如圖4所示，其中樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)表示用戶(hù)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(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中是用最 低層的葉結(jié)點(diǎn)表示。同時(shí)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(guò)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(dòng)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(jiǎn)單、操作方便、容 易維護(hù)和存貯量小的特點(diǎn)。 結(jié)束語(yǔ) 現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)就是面向?qū)ο螅瑢⒚?向?qū)ο蠹夹g(shù)引人數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi) 發(fā)中，必將提高數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)研究的質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。設(shè)計(jì)出 一個(gè)正確的仿真對(duì)象是整個(gè)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(duì)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(guò)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(lèi)庫(kù)，文中還 建立了數(shù)控加工過(guò)程仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。