引言 數控機床是按照......



引言
數控機床是按照事先編制好的加工程序對工件進行加工的設備，加工程序不僅要保證加工出來的 工件符合圖紙要求，而且要盡可能使數控機床的功 能和性能得到充分的發揮，因此，對加工程序的運行進行圖形仿真，以檢驗加工程序的正確性，具有重要 的意義。不僅如此，數控加工仿真培訓越來越受到人 們的重視，這是因為數控加工要求操作人員既要熟悉數控編程指令、CNC的功能，又要了解機床的性 能，數控加工的這些特點決定了傳統的技術培訓方 式已無法滿足需要。所謂傳統的技術培訓方式是指操作人員先學習技術理論和操作規程，再到生產現 場，以師傅帶徒弟的方式進行技能培訓的方式。這種 方式的主要缺點是數控機床一般是比較昂貴的設備，不允許學員任意的開、停和制造事故，所以，學員 動手機會少，使得學員掌握操作技能的時間較長。此外，師傅的水平參差不齊，教學質量難以保證。因此， 數控加工仿真對檢驗加工程序的正確性和培訓操作 人員兩方面都具有重要的作用。本文以應用廣泛的數控鏗銑床和加工中心為研究對象，主要討論采用 面向對象技術分析數控機床，建立數控機床對象類 和仿真模型。文中所指的數控機床是數控鏗銑床和加工中心的總稱。
1 仿真系統中的面向對象技術
面向對象技術對對象的描述和處理接近現實世 界，它的數據抽象、繼承和多態機制特別適合描述內 在機制復雜的對象，因而迅速在各行業中得到了廣 泛的應用。
1.1 面向對象技術
在面向對象技術中，具有相同結構和處理機制 的對象抽象為類，對象是類的一個實例。對象不僅具 有用數據來描述的狀態或屬性，還具有用于改變對象狀態的操作(在面向對象中，這些操作稱為方法)， 實現了數據與操作的結合，因而，對象可以同時描述 事物結構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，而對象內部數據操作對外是不 可見的。這稱之為數據封裝。面向對象的對象繼承 機制，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 可重用性和可擴充性是十分有用的，可重用性和可擴充性對軟件產品的可維護性。對更新換代產品的 質量和生產力有極大的影響。在面向對象技術中，確 定對象之間派生關系是確立整個系統的關鍵，整個系統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。面向對象技術的派生關系使我 們可以直接從已有的類中獲得大量現成的屬性和方法，而它的多態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。
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1.2 數控機床的面向對象分析
數控機床的結構雖然復雜，但它們都是由相對 獨立的數量較為固定的不同功能的模塊組成，用面 向對象的方法分析數控機床，具體數控機床和模塊都被視為對象，即數控機床由相互獨立的各種對象 組成，圖1所示為數控機床的對象模型。在對象模型 中，數控機床是由主軸、立柱、床身、工作臺、控制面板、換刀裝置及托盤交換裝置組成。它和實際的仿真 對象的組成稍有差別，對一些與仿真無關的部件，如 液壓系統、電氣系統等，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“·”和“l十” 是多重符號，表示一個類的許多實例相關于另外一個類的實例，空心圓球點“O”表示一個類的0或1 個實例相關于另外一個類的實例。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控機床的必需部件，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。
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1.3 排斥關系的檢查
數控機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系，仿真系統必須能對 這些排斥關系進行描述，確保仿真模型反映的是現實存在的數控機床。例如，在換刀裝置中，機械手是 可選部件，刀庫是必需部件，但一旦選定鏈式刀庫， 就必須要選一種機械手；加工中心可以有多個刀庫，但必須和機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系，長方工作臺不能與 托盤裝置配備在同一臺數控機床上；分度工作臺基座的運動方式決定分度工作臺與托盤裝置類型的搭 配關系，基座固定的分度工作臺只能與回轉式托盤 裝置搭配選用，等等。由于仿真系統中，只有部件間才存在排斥關系，而且部件類型數量有限(但每一類 型中，部件型號無限)，所以，每個部件類型都可預先賦予一個確定的ID號。按照數控機床規格標準，數 控機床的類型數量較少，仿真系統可枚舉每一種數 控機床中所有存在排斥關系的ID號。排斥關系用集合描述，設A、B為兩集合，a1、a2、…、an代表數控 機床部件的ID號，為集合A中的元素，b1、b2、…、bm 也代表數控機床部件的ID號，為集合B的元素，即 A＝{a1，a2，…，an} B＝{b1，b2，…，bm} 那么仿真系統中的排斥關系可表示為：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。