数控加工过程仿真系统的研究

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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
" S& P1 ^" `9 w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
' X! Y7 T7 Q* q3 a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。
" m6 B4 X6 z4 @, p: H( {1.2 数控机床的面向对象分析
+ p. S* E% [* q: f! k& x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。
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' ^# q4 c8 ]1 i% E2 T2 v& J8 q1.3 排斥关系的检查
/ x: H+ ^9 V: Q5 h& g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。
1.4 对象类的建立
0 y5 R" Y5 R; k0 ?由于数控机床的型号较多，功能、结构均有差 异，对每一台数控机床，都去分析其结构特性、功能 特性，建立仿真模型，是一个费时费力的任务。从数控机床发展的历史来看，数控机床具有明显的继承 性，就加工中心而言，就是在数控铿铣床的基础上发 展起来的，简单而言，加工中心＝数控镗铣床十换刀装置。因此，利用数控机床的结构和功能特性相似的 特点，采用面向对象的方法建立起对象类的层次结 构关系并通过继承实现仿真模型信息的重用是非常必要的。
, D9 O# W, ^; ^) Z: x& Q1 \数控机床依其结构形式分类较简单，可划分为 以下3类：卧式数控机床(HNCMT)、立式数控机床 (VNCMT)、龙门式数控机床(GNCMT)。这3类数 控机床可以被抽象为3种基本的数控机床对象类，它们构成数控机床类库结构中的一层。这3类数控 机床对象类还具有一些共同的属性，象数控机床的 名称、型号、主轴的转速范围等这些所有数控机床都具有的属性，因而可以进一步向上概况抽象出一种 新类——数控机床(NCMT)类，它处于数控机床类 层次结构的最上层，是整个数控机床类的基类。考虑到数控机床的实际情况，对数控机床的结构与功能 属性进行更详尽的分析，HNCMT类、VNCMT类、 GNCMT类均可按3坐标、4坐标、5坐标进一步划 分类，它们处于数控机床类层次结构的下层。这样， 整个数控机床类的层次结构就建立起来了，数控机床对象类的层次结构如图2所示。
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$ g0 z* F0 [/ k9 Q7 K2 仿真系统的总体结构
数控机床加工系统由数控机床、刀具、工件和夹 具组成。数控加工的过程是数控机床在NC代码的 驱动下带动刀具对被夹具固定在工作台上的工件进行切削加工的过程。要实现对数控加工过程的仿真， 首先要建立数控机床、刀具、工件和夹具的几何模 型。在几何模型的基础上建立数控机床的运动模型。最后实现对数控加工过程的仿真。数控加工仿真系 统的整体结构如图3所示。
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3 仿真模型
* i% l/ U7 h7 s数控加工仿真系统的仿真模型包括数控机床、 刀具、工件和夹具的几何模型和运动模型，本文只讨 论数控机床的几何模型，刀具、工件和夹具的几何模型较简单，与数控机床类似，仿真系统的运动模型参 见文献[3]。数控机床的几何模型实际上是一个装配 模型，是装配单元按一定约束条件组合在一起的装配体，装配单元为零件或部件。以下主要讨论装配模 型的实现以及装配体内部各子部件之间位置关系描 述等问题。
: d( Z) ^, K* h$ E& K) H2 e3.1 装配模型的基本形式
装配模型的基本形式是层次树和图。层次树可 以清晰的表达装配体的组成关系，而且也利于装配 序列规划的求解，但它不易表达零件间的配合关系。与层次树结构相反，图的结构比较容易表达各零件 间的关系，并提供了在装配体中从一个零件直接找 到另一个零件之间联系的路径，特别适合公差和运动链的分析，但很难表示层次组成关系，结构比较复 杂，不易维护，而且操作也比较困难 [2] 。几何模型与其它系统(如CAD／CAM系统)的装配模型的要求 不同，可归纳为：(1)装配几何关系的描述；(2)装配拓扑关系的描述；(3)零件层次性的构造。由于几何 模型可不考虑公差配合，而且运动关系也具有层次 关系，因此，可采用层次结构。
3.2 仿真模型的建立
在本系统中，一个装配体被表示成一棵2叉树， 如图4所示，其中树的根节点表示用户最终需要的 装配体，非叶节点表示子装配体，子装配体是由零件或者子装配体构成，零件在这个树状结构中是用最 低层的叶结点表示。同时规定非叶节点的左子女作 为基体，它位置不发生变换，变换矩阵只作用它的右子女。只有同一层次的装配单元存在“位置约束”关 系，不同层次的装配单元存在“从属关系”。通过装配 单元的局部坐标系与被装配的装配单元所在坐标系进行转换及相应的移动和旋转，使装配单元定位于 理论装配位置。此模型具有描述简单、操作方便、容 易维护和存贮量小的特点。
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  C7 G8 p( Q2 |, Z6 q1 M+ o1 g% t9 e# a4 结束语
, H2 t: w' @8 M4 a现代仿真技术的发展趋势就是面向对象，将面 向对象技术引人数控加工过程仿真系统的研究与开 发中，必将提高数控加工过程仿真系统研究的质量，促进数控加工过程仿真系统的应用与发展。设计出 一个正确的仿真对象是整个仿真系统实现的基础。 本文在分析了数控机床的结构和功能特性后，指出数控机床是由相对独立的数量较为固定的不同功能 的模块组成，这些模块在组成数控机床的过程中，不 仅存在几何位置的约束关系，而且存在着选用上的排斥关系。由此，提出了一种面向对象的数控机床定 义方法，并在此基础上建立了数控机床类库，文中还 建立了数控加工过程仿真系统的整体结构。
# T7 a. `+ j9 E7 E+ b文章关键词： 数控加工