（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）數(shù)控編程通用后置處理器的開發(fā)研究.pdf

數(shù)控編程通用后置處理器的開發(fā)研究摘要數(shù)控編程通用后置處理器是數(shù)控自動(dòng)編程技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容之一。本論文運(yùn)用面向?qū)ο蟮膗 m l p n s 集成建模方法建立系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了從用戶需求分析、模型描述和設(shè)計(jì)、模型分析和仿真直至模型實(shí)現(xiàn)的一體化框架；通過分析已有典型的數(shù)控系統(tǒng)的功能指令，建立完善的數(shù)控車床通用數(shù)據(jù)模板；利用遺傳算法理論對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的刀位文件進(jìn)行工步序列優(yōu)化從而正確生成n c 程序，并對(duì)n c 程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真；采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言v i s u a lc + + 6 0 和o b j e c t a r x 作為開發(fā)工具，并以m s g c c e s s2 0 0 0 數(shù)據(jù)庫作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，初步建立了一個(gè)完整的數(shù)控編程通用后置處理軟件系統(tǒng)( n c p g p s ) ，從而實(shí)現(xiàn)c a d c a p p c a m 的有效集成。關(guān)鍵詞：通用后置處理器u m l p n s 集成建模遺傳算法工步序列優(yōu)化o b j e c t a r xt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho i lg e n e r a lp o s t p r o c e s s o ro fn cp r o g r a m m i n ga b s t r a c tt h eg e n e r a lp o s t p r o c e s s o ro fn cp r o g r a m m i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts u b j e c t so fn ca u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fu m l p n si n t e g r a t e dm o d e l i n gb a s e do no b j e c t o r i e n t e dt h e o r yisa p p ll e dt os e tu pt h es y s t e mm o d e l t h es t a n d a r d i z e dc u t t e rl o c a t i o nf i l e sc a nb ep r o c e s s e dt oo p t i m i z e dt e c h n o l o g i cs e q u e n c e sb ym a k i n gu s eo fg e n e t i ca l g o r i t h mt h e o r y ，a n dt h e nn cp r o g r a mc a nb ep r o d u c e d ，a tl a s td y n a m i cs i m u l a t i o nc a nb ee x e c u t e di nt h eli g h to fn cp r o g r a m t h isi n t e g r a t e dg e n e r a lp o s t p r o c e s s o rs o f t w a r es y s t e mo fn cp r o g r a m m i n g ( n c p g p s )c a nb ef o u n d e dp r i m a r i l y ，a n di ta p p l i e so b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gk i t st ot h es y s t e m s u c ha sv i s u mc + + 6 0l a n g u a g e ，o b j e c t a r xl a n g u a g e ，a n di tu s e sm s a c c e s s2 0 0 0s o f t w a r ea sb a c k g r o u n dd a t a b a s e ，f i n a l l yt h es y s t e mo fi n t e g r a t e dc a d c a p p c a mc a nb ei m p l e m e n t e de f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：g e n e r a lp o s t p r o c e s s o ru m l p n si n t e g r a t e dm o d e li n gg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z e dt e c h n o l o g i cs e q u e n c eo b j e c t a r x致謝衷心地感謝尊敬的導(dǎo)師桂貴生教授把我引入這一研究領(lǐng)域。在本論文的完成過程中和讀研期間，導(dǎo)師百忙中無論是在學(xué)習(xí)科研上還是在生活中都給予了我極大的指導(dǎo)和鼓勵(lì)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)和淵博的學(xué)識(shí)都時(shí)刻激勵(lì)著我，鞭策我永遠(yuǎn)奮發(fā)向上，我所取得的每一點(diǎn)成績(jī)都是和導(dǎo)師的辛勤工作分不開的。值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)煴硎咀钫\(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。非常感謝江吉彬博士在我課題及論文完成過程中所提出的各種建議和無私的幫助。感謝蔣中偉、鮑捷、李曉歐等同學(xué)的指導(dǎo)與幫助，感謝所有曾給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)。最后，深深感謝辛勤養(yǎng)育我的父母雙親，深深感謝我的朋友及父母給予我的關(guān)心和照顧。徐傳明2 0 0 1 年2 月2 7 日插圖清單圖1 1 數(shù)控自動(dòng)編程基本結(jié)構(gòu)圖圖2 1n c p g p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖3 1p e t r i 網(wǎng)圖例圖3 2u m l p n s 集成建模方法圖3 3n c p g p s 用例圖圖3 4 活動(dòng)圖描述刀位文件標(biāo)準(zhǔn)化處理的需求圖3 5 活動(dòng)圖描述反向動(dòng)態(tài)仿真的需求圖3 6n c 程序基本結(jié)構(gòu)圖3 7n c 程序段的格式圖3 8 字的格式圖3 9n c p g p s 系統(tǒng)管理和配置模塊類組織結(jié)構(gòu)圖3 1 0 用u m l 類圖描述n c p g p s 系統(tǒng)的管理和配置模塊對(duì)象圖3 1 1n c p g p s 系統(tǒng)包圖圖3 1 2 用u m l 交互圖( 順序圖) 描述消息事件圖3 1 3 用u m l 活動(dòng)圖描述n c p g p s 系統(tǒng)對(duì)象活動(dòng)過程圖3 1 4 由u m l 模型映射得到的單層p e t r i 子網(wǎng)模型圖4 1 生成n c 程序的基本流程圖4 2a p t 語言編程系統(tǒng)的刀位文件數(shù)據(jù)記錄格式圖4 3i s o 標(biāo)準(zhǔn)的刀位文件數(shù)據(jù)記錄格式圖4 4n c p g p s 系統(tǒng)的刀位文件數(shù)據(jù)記錄格式圖4 5 遺傳算法的基本計(jì)算流程圖4 6 工步序列的調(diào)序操作圖4 7 工步序列的合并操作圖4 8 工步序列的分離操作圖4 9 一個(gè)染色體的串結(jié)構(gòu)圖4 1 0 一點(diǎn)交叉示意圖圖4 1 1t e o 零件圖圖4 1 2t e o 零件刀位文件工步圖4 1 3 不同類型切削段轉(zhuǎn)接的軌跡計(jì)算圖4 1 4 前后n c 程序段轉(zhuǎn)接類型的計(jì)算圖4 1 5 當(dāng)前段走刀軌跡的計(jì)算( 前后段均為直線時(shí)) 圖5 1n c p g p s 系統(tǒng)流程圖圖5 2a d o 的結(jié)構(gòu)衛(wèi)舟塢坫掩均均加扎虬孔孫拍打勰趴弛站弘”弘如鈣帖們的釘舛弱圖5 3圖5 4圖5 5圖5 6圖5 7圖5 8n c p g p s 系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)模板e(cuò) - r 圖數(shù)控編程通用后置處理系統(tǒng)n c p g p s 的工作環(huán)境系統(tǒng)集成化總界面螺紋加工指令選擇子模板n c 程序生成的信息選擇界面零件p 3 c l i 一8 的反向仿真界面5 65 76 06 06 16 1表格清單表3 1 地址字符的意義表3 2 數(shù)控車床功能配置模塊對(duì)象組成表3 3n c p g p s 系統(tǒng)管理模塊對(duì)象組成表3 4u m l p e t r i 網(wǎng)映射表表4 1 零件t e o 工步表1 72 22 32 94 71 1 數(shù)控編程發(fā)展歷史第一章緒論自從1 9 5 2 年美國(guó)麻省理工學(xué)院( m i t ) 與帕森斯公司合作發(fā)明世界第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床以來，幾乎所有品種的機(jī)床都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化，數(shù)控機(jī)床以其高性能、高精度、高生產(chǎn)效率與高自動(dòng)化的特點(diǎn)發(fā)展迅速。那些利用傳統(tǒng)方式不可能加工出來的復(fù)雜、精密零件在現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床上可以便捷地制造出來，特別是數(shù)控加工中一t l , 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等先進(jìn)制造技術(shù)的相繼出現(xiàn)，數(shù)控技術(shù)己日益成為先進(jìn)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。數(shù)控編程是數(shù)控技術(shù)的重要內(nèi)容之一，幾乎就在數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的同時(shí)，為了解決數(shù)控加工中的程序編制問題，m i t 已開始設(shè)計(jì)了一種專門用于機(jī)械零件數(shù)控加工程序編制的語言，稱為a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d t 0 0 1 ) 語言，并于1 9 5 2 年至1 9 5 4 年間在自行研制的旋風(fēng)i 型計(jì)算機(jī)上開發(fā)出a p t i ，這是數(shù)控加工自動(dòng)編程技術(shù)的開端。剛開始，由m i t 研制的a p t 只能處理直線、圓弧，后來進(jìn)一步發(fā)展為a p t i i 、a p t i i i 、a p t i v 。采用a p t 語言編制的零件源程序具有程序簡(jiǎn)煉、走刀控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語言”，上升到面向制造的高級(jí)語言。因此，a p t 語言在世界范圍內(nèi)影響越來越大。但面對(duì)a p t 語言系統(tǒng)龐大、較難掌握和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求較高的問題，各國(guó)又在a p t 語言基礎(chǔ)上各自發(fā)展了帶有一定特色的更具專業(yè)應(yīng)用的a p t 語言，如美國(guó)的a d a p t 、a u t o s p o t 等小型自動(dòng)編程系統(tǒng)，德國(guó)的e x a p t l 點(diǎn)位系統(tǒng)、e x a p t - 2 車削編程系統(tǒng)、e x a p t 一3 銑削編程系統(tǒng)，日本的f a p t 、h a p t 和我國(guó)研制的z c x 、s k c 等符號(hào)表示型自動(dòng)編程系統(tǒng)。盡管a p t 語言為數(shù)控自動(dòng)編程的發(fā)展起過開拓性的作用，但它仍有許多不足之處：( 1 ) a p t 語言采用批處理方式工作，缺少對(duì)零件形狀、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗(yàn)證手段；( 2 ) a p t 語言解釋系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)其和c a d 數(shù)據(jù)庫以及c a p p 系統(tǒng)有效連接，不容易形成c a d c a p p c a m 高度的自動(dòng)化、集成化。( 3 ) a p t 語言數(shù)控編程系統(tǒng)需要針對(duì)數(shù)量眾多的數(shù)控機(jī)床編寫不同的專用后置處理程序，存在程序管理、維護(hù)等許多難題，難以適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展需要。1 2 數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在c a d c a p p c a m 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了不同功能子系統(tǒng)( 或模塊) 都與公用的工程數(shù)據(jù)庫共享信息，以便把越來越多的c a d c a p p c a m功能融于一體，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息系統(tǒng)的集成化。c a m 的核心是計(jì)算機(jī)數(shù)控加工自動(dòng)編程系統(tǒng)系統(tǒng)( n c p ) ，其目的是按照c a d 軟件所設(shè)計(jì)的零件和c a p p 所規(guī)劃的工藝流程，產(chǎn)生數(shù)控加工代碼并進(jìn)行仿真，控制數(shù)控機(jī)床上加工出符合圖樣要求的、高質(zhì)量的零件，由此可見c a d 是通過c a m 來體現(xiàn)其效益。由于生產(chǎn)需求的驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外都對(duì)數(shù)控自動(dòng)編程技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了豐碩成果。數(shù)控自動(dòng)編程的核心工作是利用計(jì)算機(jī)交互式生成刀具路徑軌跡，然后通過前置處理將其離散成刀位點(diǎn)以產(chǎn)生刀具位置數(shù)據(jù)，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 _ 1 所示。圖1 1數(shù)控自動(dòng)編程基本結(jié)構(gòu)圖前置處理指根據(jù)所規(guī)劃的加工零件刀具軌跡結(jié)構(gòu)特征、加工環(huán)境特征( 其中包括機(jī)床一夾具一刀具一工件所組成的具體工序加工系統(tǒng)的特征) ，結(jié)合工藝決策( 包括刀具選擇、進(jìn)給量、加工速度等工藝參數(shù)的選擇) ，生成描述加工過程的刀位文件；后置處理根據(jù)前置處理所產(chǎn)生的刀位文件，結(jié)合特定數(shù)控機(jī)床的性能及相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)所要求的數(shù)控程序格式，通過計(jì)算分析、判斷、處理，生成該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)所識(shí)別的n c 代碼；刀具軌跡正向仿真是基于刀位文件的模擬仿真，所產(chǎn)生的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡用以檢驗(yàn)刀位文件的正確性，保證零件的加工質(zhì)量；刀具軌跡反向仿真是基于n c 代碼的模擬仿真，由于直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的是n c 代碼，而不是刀位文件，刀具軌跡反向仿真比刀具軌跡正向仿真更接近實(shí)際加工狀況；n c 代碼通過紙帶、磁盤或d n c 輸出，目前大多數(shù)裝有c a m系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)可通過通訊端口r s 2 3 2 c 或r s 4 2 2 或r s 4 2 3 串行接口與一臺(tái)( 或多臺(tái)) 數(shù)控機(jī)床相連進(jìn)行d n c 通訊，按照通訊協(xié)議將c a m 系統(tǒng)中產(chǎn)生的n c 代碼直接傳至數(shù)控機(jī)床，控制其加工。當(dāng)今國(guó)內(nèi)、外數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，廣泛采用圖形交互式編程和c a d c a m 一體化編程方式。從目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平看，其實(shí)現(xiàn)c a d c a m 系統(tǒng)集成的途徑有兩類：( 1 ) 建立一個(gè)統(tǒng)一的集成信息模型，使產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中可以進(jìn)行交換和共享，目前這種系統(tǒng)還不多，u gi i 、e u c l i d 、p r o e n g i n e e r 等：( 2 )面向現(xiàn)有的c a d 系統(tǒng)，通過二次開發(fā)，擴(kuò)展c a m 功能，如合肥工業(yè)大學(xué)圖形交互式數(shù)控車床自動(dòng)系統(tǒng)n c g a p t 2 等。前者以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從c a d 系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型，使產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中可以進(jìn)行信息共享與交換，而后者主要通過中性數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換文件從其它c(diǎn) a d 系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型，通過特征定義和提取信息實(shí)現(xiàn)間接集成。目前，國(guó)內(nèi)、外在生產(chǎn)實(shí)際中使用的c a d c a m 系統(tǒng)很多，其輸出的刀位文件格式不盡一致，數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的功能、技術(shù)要求和數(shù)控程序結(jié)構(gòu)、格式存在眾多差異。為了適應(yīng)這種多種刀位文件輸入和多種數(shù)控程序輸出的要求，通常定制開發(fā)針對(duì)特定數(shù)控機(jī)床和特定數(shù)控系統(tǒng)的專用后置處理器，將刀位文件處理成n c 程序，如m a s t e r c a m 系統(tǒng)，但這種后置處理方式需要編寫數(shù)量眾多不同的專用后置處理程序，開發(fā)工作量大，影響數(shù)控技術(shù)的推廣應(yīng)用。在實(shí)際數(shù)控編程中，經(jīng)過對(duì)各種數(shù)控系統(tǒng)的對(duì)比研究，不難發(fā)現(xiàn)不同數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的指令和程序段格式雖不盡相同，但仍可以發(fā)現(xiàn)它們之間有共同之處，如數(shù)控程序都由程序段組成，程序段由字代碼組成，字代碼由地址字符和數(shù)字組成，地址字符意義基本相同等，這些共性構(gòu)成了開發(fā)通用后置處理器的前提。因此針對(duì)專用后置處理方式的不足，近年來出現(xiàn)一些c a d c a m 系統(tǒng)開始采用通用后置處理方式，如美國(guó)p t c 公司p r o e n g i n e e r 、北航海爾的c a x a m e 制造工程師，能針對(duì)不同類型的數(shù)控系統(tǒng)對(duì)刀位文件進(jìn)行后置處理并輸出n c 程序。1 3 數(shù)控編程發(fā)展趨勢(shì)1 9 9 0 年以來，考慮c a d c a m 集成化、數(shù)控加工智能化、生產(chǎn)管理和生產(chǎn)自動(dòng)化等實(shí)際問題，同時(shí)由于人工智能在制造系統(tǒng)及其各環(huán)節(jié)的開始應(yīng)用，以及制造知識(shí)的獲取、表示、存儲(chǔ)和推理成為可能，世界各國(guó)競(jìng)相大力發(fā)展智能制造技術(shù)和系統(tǒng)。智能制造在國(guó)際上尚無公認(rèn)的定義。目前比較通行的一種定義是，智能制造技術(shù)是指在制造工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以一種高度柔性與高度集成的方式，通過計(jì)算機(jī)來模擬人類專家的制造智能活動(dòng)，對(duì)制造問題進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動(dòng)；并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存貯、完善、共享、繼承和發(fā)展。對(duì)于智能制造技術(shù)和系統(tǒng)重要組成部分的數(shù)控自動(dòng)編程的研究同樣已廣泛展開，其中提出了完善的通用后置處理器應(yīng)具備以下功能：( 1 ) 智能接口功能：通用后置處理器能自動(dòng)地識(shí)別、讀取不同的c a d c a m系統(tǒng)所生成的刀位文件。( 2 ) n c 程序生成功能：數(shù)控機(jī)床具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、自動(dòng)換刀、夾具偏置、冷卻等一系列功能，功能的實(shí)現(xiàn)是通過一系列的代碼組成。代碼的結(jié)構(gòu)、順序由數(shù)控機(jī)床規(guī)定的n c 格式?jīng)Q定。提供一種功能數(shù)據(jù)庫模型，用戶根據(jù)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的具體情況回答它所提出的問題，通過問題的回答生成用戶指定的數(shù)控機(jī)床的專用后置處理器。( 3 ) 專家系統(tǒng)功能：通用后置處理器不只是對(duì)刀位文件進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，還要能加入一定的工藝知識(shí)。如高速加工的處理、加工絲杠時(shí)切削參數(shù)的選擇等。( 4 ) 反向動(dòng)態(tài)仿真功能：以n c 代碼指令集及其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為信息源的仿真，驗(yàn)證刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性及加工參數(shù)的合理性。根據(jù)上述的內(nèi)容，形成了眾多的研究方向，諸如：基于知識(shí)的n c 程序智能優(yōu)化生成基于可視化的數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真1 3 1 基于知識(shí)的n c 程序智能優(yōu)化生成人工智能特別是計(jì)算智能在制造系統(tǒng)及其各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，以及制造知識(shí)的獲取、表示、存儲(chǔ)和推理成為可能，導(dǎo)致了制造智能與制造技術(shù)的智能化。智能化制造系統(tǒng)需要大量的知識(shí)，需利用人工智能的方法通過計(jì)算機(jī)來獲取、表示、組織和利用知識(shí)。計(jì)算智能是基于數(shù)值計(jì)算的智能方法，對(duì)提高制造系統(tǒng)和制造單元的智能化有著重大的意義，主要包括進(jìn)化計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊系統(tǒng)等。遺傳算法基于自然突變、自然選擇的生物進(jìn)化思想，將復(fù)雜的制造系統(tǒng)描述為生物進(jìn)化模型，利用其自重組、自適應(yīng)與進(jìn)化特性，研究制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重組與自組織行為。由于智能制造技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的強(qiáng)烈需求，作為其基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)也不斷向智能化發(fā)展，智能化數(shù)控自動(dòng)編程也成為目前的研究熱點(diǎn)之一。而驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工是n c 程序，在實(shí)際加工中n c 程序還要結(jié)合工藝知識(shí)，基于知識(shí)的n c 程序智能優(yōu)化生成便成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。新一代的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)不僅可繼承并智能化判斷工藝特征，而且具有模型對(duì)比、殘余模型分析與判斷功能，使刀具路徑和n c 程序更優(yōu)化。同時(shí)面向整體模型的形式也具有對(duì)工件、夾具的防過切、防碰撞修復(fù)功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工藝要求，并開放工藝相關(guān)聯(lián)的工藝庫、知識(shí)庫、材料庫和刀具庫，使工藝知識(shí)積累、學(xué)習(xí)、運(yùn)用成為可能。1 3 2 基于可視化的數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真通常數(shù)控加工計(jì)算機(jī)仿真分析的過程與結(jié)果是抽象的數(shù)據(jù)，有些仿真分析軟件有較強(qiáng)的前后處理能力，但是對(duì)于一些分析結(jié)果卻并不十分直觀生動(dòng)。通過可視化技術(shù)，可以將數(shù)據(jù)場(chǎng)或分析狀態(tài)用直觀形象的表現(xiàn)形式描繪數(shù)控加工仿真分析的過程或結(jié)果?？梢暬且环N計(jì)算方法，它將信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，使研究者能觀察他們的模擬與計(jì)算；它將“不可見的”變?yōu)椤翱梢姷摹?，豐富了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，給予人們深刻與意想不到的洞察力，在很多領(lǐng)域使科學(xué)家的研究方式發(fā)生了根本變化。從加工環(huán)境模型特點(diǎn)來看，目前n c 切削過程仿真分幾何仿真和力學(xué)仿真。幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力及其它物理因素的影響，只仿真刀具一工件幾何體的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)證n c 程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的機(jī)床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報(bào)廢等問題：同時(shí)可以減少從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。切削過程的力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測(cè)刀具破損、刀具振動(dòng)、控制切削參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。1 4 本課題的研究意義及主要研究工作數(shù)控編程通用后置處理器( n c p g p s ) 的開發(fā)研究是當(dāng)代數(shù)控加工技術(shù)的重要研究?jī)?nèi)容。當(dāng)前世界上一些c a d c a m 公司開發(fā)的軟件雖具有通用后置處理器模塊，但往往由于機(jī)床數(shù)據(jù)模型不完善難以滿足使用者需求。以開發(fā)通用后置處理器為基礎(chǔ)，應(yīng)用數(shù)控加工指令代碼向?qū)У认嚓P(guān)技術(shù)定制數(shù)控機(jī)床專用后置處理器，用通用后置處理器解決共性問題，用專用后置處理器解決個(gè)性問題，提高數(shù)控編程系統(tǒng)的柔性。本課題是國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“具有工藝優(yōu)化的數(shù)控車床自動(dòng)編程系統(tǒng)”的重要研究?jī)?nèi)容之一，具有理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)參考文獻(xiàn)、個(gè)人能力及所具備的條件，本人設(shè)計(jì)出一套研究方案，考慮到通用后置處理器要求能適應(yīng)多種刀位文件輸入和多種n c 程序輸出的要求，根據(jù)f a n u c o o t c o t d o t e 、s i n u m e r i k8 1 0 t 、d y n a p a t hs y s t e ml o 、n u m l 0 4 0 等數(shù)控系統(tǒng)，并參照i s o 功能代碼定義，在課題中解決如下的問題：( 1 ) 利用標(biāo)準(zhǔn)建模語言和p e t r i 網(wǎng)對(duì)數(shù)控車床通用后置處理器進(jìn)行集成建模，如數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控車床功能數(shù)據(jù)模板。( 2 ) 多種格式刀位文件數(shù)據(jù)識(shí)別及標(biāo)準(zhǔn)化處理。( 3 ) n c 程序的智能優(yōu)化生成。( 4 ) 反向動(dòng)態(tài)仿真。( 5 ) 建立數(shù)控車床通用后置處理器的研究開發(fā)計(jì)算機(jī)模型，開發(fā)出相應(yīng)的軟件。一6 一第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2 1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及目標(biāo)數(shù)控編程通用后置處理n c p g p s 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思想是：向用戶提供一個(gè)信息輸入簡(jiǎn)潔、易于掌握、系統(tǒng)功能通用化和適用的軟件系統(tǒng)，用戶通過對(duì)數(shù)控車床功能數(shù)據(jù)模板的定制，生成所需的數(shù)控系統(tǒng)功能指令庫，通過輸入多種數(shù)據(jù)格式的刀位文件生成用戶所指定數(shù)控車床和數(shù)控系統(tǒng)的n c 程序，同時(shí)對(duì)所生成的n c 程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)反向仿真，以驗(yàn)證刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性及加工參數(shù)的合理性，減少加工調(diào)試時(shí)間，提高編程效率和編程質(zhì)量。設(shè)計(jì)和開發(fā)n c p g p s 系統(tǒng)的總目標(biāo)是：依靠后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和刀具設(shè)備庫、n c生成規(guī)則庫的支持，運(yùn)用面向?qū)ο蟮膗 m l - - p n s 集成建模方法建立系統(tǒng)模型；通過分析f a n u c o o t c o t d o t e 、s i n u m e r i k8 1 0 t 、d y n a p a t hs y s t e mi 0 、n u m l 0 4 0等數(shù)控系統(tǒng)，并參照i s o 功能代碼定義，建立完善的數(shù)控車床通用數(shù)據(jù)模板；利用遺傳算法對(duì)刀位文件進(jìn)行工步優(yōu)化，進(jìn)而生成n c 程序，并對(duì)n c 程序進(jìn)行仿真，幫助用戶發(fā)現(xiàn)問題，完善n c 程序。具體來講，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以分為以下幾個(gè)方面：1 確立數(shù)控車床通用后置處理器的系統(tǒng)構(gòu)架通過人機(jī)交互進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)過前置處理產(chǎn)生刀具位置數(shù)據(jù)文件，經(jīng)通用后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。在c a d c a p p c a m 集成環(huán)境下，要求通用后置處理器能適應(yīng)多種格式刀位文件輸入和多種n c 程序輸出。本文采用套較完整的數(shù)控編程通用后置處理器開發(fā)研究方法，包括：面向?qū)ο髇 c p g p s 系統(tǒng)模型的建立、工步序列的智能優(yōu)化算法等，這些都為通用后置處理器的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持，同時(shí)這對(duì)數(shù)控編程的前置處理設(shè)計(jì)也有參考價(jià)q 值。2 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型建立利用u m l p n s 集成建模方法，通過分析用戶需求，自頂向下分層細(xì)化建立系統(tǒng)模型，再由低向上地逐層修改系統(tǒng)模型，直到各層的設(shè)計(jì)滿足需求為止，保證軟件程序功能實(shí)現(xiàn)的正確性和完備性。3 多種數(shù)據(jù)格式刀位文件的讀取與翻譯由于作為系統(tǒng)信息輸入的刀位文件存在多種不同的數(shù)據(jù)格式，不僅需要進(jìn)行檢錯(cuò)，還要以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式作為目標(biāo)，翻譯成規(guī)定的刀位文件格式，使后續(xù)模塊的處理工作順利完成?！? 建立數(shù)控車床功能數(shù)據(jù)模板通過分析已有的數(shù)控系統(tǒng)功能指令，按照n c 程序的結(jié)構(gòu)要求，分組建立各子模板，用戶利用功能數(shù)據(jù)模板定制具體車床和數(shù)控系統(tǒng)的功能指令庫，同時(shí)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)功能指令庫的修改、查詢、更新、保存等功能。5 初步實(shí)現(xiàn)刀位文件工步序列的優(yōu)化在功能指令數(shù)據(jù)庫、刀具設(shè)備庫和n c 程序生成規(guī)則庫的支持下，系統(tǒng)利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)工步序列的優(yōu)化，同時(shí)生成用戶所需數(shù)控車床的n c 程序。6 n c 程序動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)通過對(duì)n c 程序的語法分析、詞法分析、語義分析，進(jìn)行檢錯(cuò)與翻譯，從n c 代碼中提取控制機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令和動(dòng)作狀態(tài)信息，將運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)按照位移和速度的變化劃分成一系列時(shí)間片段，計(jì)算出各時(shí)間片段的機(jī)床各坐標(biāo)的位移，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)n c 代碼驅(qū)動(dòng)的加工過程反向仿真。7 提供一個(gè)高度集成的圖形界面本系統(tǒng)將集成多個(gè)模塊的功能，包括數(shù)控車床功能數(shù)據(jù)模板的配置與管理、刀位文件標(biāo)準(zhǔn)化處理、n c 程序優(yōu)化生成和反向動(dòng)態(tài)仿真模塊。系統(tǒng)以圖形界面為主，具有界面友好、易于使用等優(yōu)點(diǎn)。采用c a d c a m 一體化的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)與c a d 系統(tǒng)的無縫集成，集成環(huán)境模塊將各功能模塊有機(jī)地聯(lián)系為一體，負(fù)責(zé)控制、管理系統(tǒng)的運(yùn)行。2 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架數(shù)控編程通用后置處理系統(tǒng)n c p g p s 的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。系一嬲h 嬲锍卜n c統(tǒng)管程理序模一翼rh 卦生成塊輸出n c 程序圜2 1n c p g p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架( 1 ) 系統(tǒng)管理模塊系統(tǒng)管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的總控制臺(tái)。其主要功能是對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行管理和調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊之間相互關(guān)系，使各模塊聯(lián)結(jié)成一個(gè)有機(jī)整體。同時(shí)系統(tǒng)管理模塊也是整個(gè)系統(tǒng)的總界面、總包裝。它通過系統(tǒng)菜單和提示對(duì)話框，接受用戶指示，驅(qū)動(dòng)各功能模塊，通過系統(tǒng)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能配置、刀位文件、n c 文件的修改、更新、保存、查詢等功能，并協(xié)調(diào)各模塊之間的信息傳遞。系統(tǒng)管理模塊是保證系統(tǒng)性能良好，運(yùn)行順利，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)。( 2 ) 刀位文件標(biāo)準(zhǔn)化處理將不同格式的刀位文件翻譯處理成標(biāo)準(zhǔn)格式的刀位文件。( 3 ) 刀位文件工步序列優(yōu)化對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化刀位文件進(jìn)行工步序列優(yōu)化。( 4 ) 數(shù)控系統(tǒng)功能配置根據(jù)系統(tǒng)所提供的數(shù)控車床功能數(shù)據(jù)模板，進(jìn)行所需數(shù)控系統(tǒng)的功能指令配置。( 5 ) 數(shù)控系統(tǒng)功能指令庫作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶所定制的數(shù)控系統(tǒng)功能指令。( 6 ) n c 程序生成該模塊根據(jù)輸入的優(yōu)化工步序列、刀具設(shè)備庫、用戶定制的功能指令庫和n c 程序生成規(guī)則庫，生成n c 程序。( 7 ) 反向仿真通過對(duì)n c 程序的理解，檢查代碼語法、語義的正確性，獲取刀具加工位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息，生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)和顯示輔助功能命令，對(duì)n c 程序的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。以上各模塊既相對(duì)獨(dú)立，又緊密聯(lián)系，共同構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。有關(guān)各模塊的具體內(nèi)容將在后面章節(jié)詳述。第三章數(shù)控編程的u m l p n s 集成建模眾所周知，在解決問題之前必須首先理解所要解決的問題。為了更好地理解問題，常采用建立問題模型的方法。所謂模型，就是為了理解事物而對(duì)事物作出的一種抽象，是對(duì)事物的一種無歧義的書面描述。通常，模型是由一組圖示符號(hào)和組織這些符號(hào)的規(guī)則組成，利用它們來定義和描述問題域中的術(shù)語和概念，即模型是一種思考工具，利用這種工具可以把知識(shí)規(guī)范地表示出來。模型可以幫助我們思考問題、定義術(shù)語、在選擇術(shù)語時(shí)作出適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，并且可以幫助我們保持定義和假設(shè)的一致性。以前，人們常常只針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)一制造過程中某一確定時(shí)刻或特定處理階段，擬定計(jì)算方法并編制成程序，上機(jī)計(jì)算，得出結(jié)果，解決一些單元技術(shù)問題，如c a d 、c a p p 、c a m 。c a d c a p p c a m 集成系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)一制造的全過程、企業(yè)的全局出發(fā)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)一制造中形成一個(gè)統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的信息流，以統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換格式i g e s 或s t e p 等傳遞產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并與公用的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息交流，這就迫切需要建立完備的集成系統(tǒng)模型。為了開發(fā)通用后置處理器系統(tǒng)，應(yīng)從不同角度抽象出目標(biāo)系統(tǒng)的特性，使用精確的表示方法構(gòu)造系統(tǒng)的模型，驗(yàn)證模型是否滿足使用者對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的需求，并在設(shè)計(jì)過程中逐漸把和實(shí)現(xiàn)有關(guān)的細(xì)節(jié)加進(jìn)模型中，直至用程序?qū)崿F(xiàn)模型。因?yàn)槿说念^腦每次只能處理一定數(shù)量的信息，模型通過把系統(tǒng)的重要部分分解成若干個(gè)一次能處理的子部分，從而減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本人綜合考慮集成系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)品模型、設(shè)計(jì)與制造信息流動(dòng)等問題，在面向?qū)ο蠼５幕A(chǔ)上，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建模語言( t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 和p e t r i 網(wǎng)( p e t r in e t s ，p n s ) 作為數(shù)控編程通用后置處理器開發(fā)過程建模工具一u m l p n s 集成建模方法。該建模方法能夠提供支持需求分析、模型描述和設(shè)計(jì)、模型分析和仿真直至模型實(shí)現(xiàn)的一體化框架，實(shí)現(xiàn)以面向?qū)ο蠓椒榛A(chǔ)的數(shù)控編程通用后置處理器系統(tǒng)建模。3 1u m l p n s 集成建模理論u m l p n s 集成建模方法綜合了u m l 和p e t r i 網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，具備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)建模機(jī)制，是具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的描述系統(tǒng)特征的方法，同時(shí)具有準(zhǔn)確、無二義性的特點(diǎn)，有助于驗(yàn)證系統(tǒng)模型有效性和完整性。3 1 1 標(biāo)準(zhǔn)建模語言標(biāo)準(zhǔn)建模語言( u m l ) 是美國(guó)r a t i o n a l 公司1 9 9 6 年在b o o c h 、r u m b a u g h 和l oj a c o b s o n 三人共同努力下開發(fā)的一種用于描述、可視化和構(gòu)架軟件系統(tǒng)的建模語言，是面向?qū)ο蠼７椒ㄏ蚪y(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展的產(chǎn)物，是在b o o c h 、o m t 、o o s e 等多種面向?qū)ο蠼７椒ɑA(chǔ)之上發(fā)展起來的一種建模語言。作為一種建模語言，u m l 的定義包括u m l 語義和u m l 表示法兩個(gè)部分。( 1 ) u m l 語義描述基于u m l 的精確元模型。元模型為u m l 的所有元素在語法和語義上提供了簡(jiǎn)單、一致、通用的定義性說明，使開發(fā)者能在語義上取得一致，消除了因人為因素所造成的影響。此外u m l 還支持對(duì)元模型的擴(kuò)展定義。( 2 ) u m l 表示法定義u m l 符號(hào)的表示方法，為開發(fā)者或開發(fā)工具使用這些圖形符號(hào)和文本語法為系統(tǒng)建模提供了標(biāo)準(zhǔn)。這些圖形符號(hào)和文字所表達(dá)的是應(yīng)用級(jí)的模型，在語法上它是u m l 元模型的實(shí)例。標(biāo)準(zhǔn)建模語言u(píng) m l 的主要內(nèi)容由用例圖、靜態(tài)圖、行為圖、交互圖、實(shí)現(xiàn)圖五類圖( 共9 種圖形) 來定義：用例圖( u s e rc a s ed i a g r a m ) ：從用戶角度描述系統(tǒng)功能，并指出各功能的操作者。靜態(tài)圖( s t a t i cd i a g r a m ) ：包括類圖、對(duì)象圖和包圖。類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)以及類之間的關(guān)系。類圖不僅定義系統(tǒng)中的類，以及表示類之間的聯(lián)系，如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等，也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)( 類的屬性和操作) 。類圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期都有效。類圖實(shí)例化的產(chǎn)物就是對(duì)象圖。對(duì)象圖顯示類的多個(gè)對(duì)象實(shí)例，而不是實(shí)際的類。一個(gè)對(duì)象圖是類圖的一個(gè)實(shí)例。但由于對(duì)象存在生命周期，因此對(duì)象圖只能在系統(tǒng)某一時(shí)間段存在。包圖由包或類組成，表示包和包之間的關(guān)系。包圖是多個(gè)類的集合形成的一個(gè)更高層次的單位，用于描述系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。行為圖( b e h a v i o rd i a g r a m ) ：描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和系統(tǒng)組成對(duì)象間的交互關(guān)系，包括狀態(tài)圖和活動(dòng)圖。狀態(tài)圖描述類的對(duì)象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時(shí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件，通常狀態(tài)圖是對(duì)類圖的補(bǔ)充。在實(shí)際應(yīng)用中并不需要為所有的類畫狀態(tài)圖，僅為那些有多個(gè)狀態(tài)及其行為受外界環(huán)境的影響并且發(fā)生改變的類畫狀態(tài)圖。活動(dòng)圖描述滿足用例要求所要進(jìn)行的活動(dòng)以及活動(dòng)間的約束關(guān)系，有利于識(shí)別工作流程和并行活動(dòng)。交互圖( i n t e r a c t i v ed i a g r a m ) ：描述對(duì)象間的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系，包括順序圖和合作圖。順序圖顯示對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)合作關(guān)系，著重體現(xiàn)對(duì)象間交互的時(shí)間和順序；合作圖描述對(duì)象間的協(xié)作關(guān)系，強(qiáng)調(diào)對(duì)象間交互的動(dòng)態(tài)合作上下級(jí)關(guān)系。實(shí)現(xiàn)圖( i m p l e m e n t a t i o nd i a g r a m ) ：用于描述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一些特性，包括構(gòu)件圖和配置圖。構(gòu)件圖描述代碼部件的物理結(jié)構(gòu)及各部件之間的依賴關(guān)系。一個(gè)部件可能是一個(gè)資源代碼部件、一個(gè)二進(jìn)制部件或一個(gè)可執(zhí)行部件，它包括邏輯類或?qū)崿F(xiàn)類的有關(guān)信息。構(gòu)件圖有助于分析和理解部件之間的相互影響程度。配置圖定義系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)。它可以顯示實(shí)際的計(jì)算機(jī)和設(shè)備( 用節(jié)點(diǎn)表示) 以及它們之間的連接關(guān)系，也可顯示連接的類型及部件之間的依賴性。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，放置可執(zhí)行部件和對(duì)象以顯示節(jié)點(diǎn)與可執(zhí)行軟件單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。p e t r i 網(wǎng)是由德國(guó)c a r la d a mp e t r i 在他的博士論文用自動(dòng)機(jī)通信中首次提出的使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模擬通信系統(tǒng)模型。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，p e t r i 網(wǎng)理論日趨完善，其應(yīng)用已涉及計(jì)算機(jī)學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域，例如軟件工程、形式語言、數(shù)據(jù)管理等，并與面向?qū)ο蠹夹g(shù)緊密地結(jié)合。p e t r i 網(wǎng)可由資源、庫所、變遷、容量等基本術(shù)語進(jìn)行描述：資源：指與系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)的元素，如設(shè)備、數(shù)據(jù)及信息等。庫所：又稱狀態(tài)元素。它不僅表示一個(gè)場(chǎng)所，而且表示在該場(chǎng)所存放了一定的資源。變遷：資源的消耗、使用及產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于狀態(tài)元素的變化。容量：庫所對(duì)儲(chǔ)存資源的數(shù)量限制稱為庫所的容量。定義：六元組= ( s ，t ；f ，k ，w ，m o ) 構(gòu)成網(wǎng)系統(tǒng)的充要條件是：( 1 ) s n t = 中( 2 )s u t o( 3 )f s x t u t s ( “x ”為笛卡爾積)( 4 ) d o m ( ，) u c o d ( f ) = s u t其中d o m ( f ) = x 1 3 y ：( x ，y ) 日，c o d ( f ) = y 1 3 x ：( x ，y ) f ) 分別為f 的定義域和值域( 5 )k ：s w u 細(xì))其中i n = 1 ，2 ，3 ， ，( i ) 表示無窮( 6 )w ：f - - - i n( 7 ) m ：s 寸1 n o 其中i n o = o ，l ，2 ，)s 和t 分別稱為的庫所集和變遷集，f 為流關(guān)系。k ，w ，m 依次為上的容量函數(shù)，權(quán)函數(shù)和標(biāo)識(shí)。m 0 稱為的初始標(biāo)識(shí)。網(wǎng)論尊重資源有限的事實(shí)，所以代表資源分布的標(biāo)識(shí)m 只能為每一個(gè)庫所指定有限多個(gè)資源。庫所的容量也是有限的。按定義允許有些庫所的容量為u ，這只是表明這些庫所的容量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的行為構(gòu)成限制。網(wǎng)系統(tǒng)除了上述的形式化定義外，同時(shí)網(wǎng)系統(tǒng)還具有直觀的圖形表示，如圖3 1 所示，其中p 表示狀態(tài)元素，t 表示變遷元素，k 表示庫所的容量，箭頭上的數(shù)字表示所需或產(chǎn)生該種資源的數(shù)量：p 2圖3 1p e t r i 網(wǎng)圖例上圖中庫所和變遷分別用圓圈。和方框口表示，每個(gè)。代表一種資源，其中黑點(diǎn)個(gè)數(shù)表示該種資源的數(shù)量。庫所所代表的資源在變遷發(fā)生時(shí)如箭頭一所示的方向流動(dòng)。3 1 3 集成u m l 和p e t r i 網(wǎng)的動(dòng)機(jī)u m l 具有面向?qū)ο蠓椒ǖ姆庋b和繼承的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和模型的重用。利用u m l 提供的各種圖形元素，可以方便直觀地描述用戶需求、系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程、組織、資源和信息等內(nèi)容的描述。然而，這種建模語言缺乏嚴(yán)格的語法和語義。對(duì)u m l 描述的系統(tǒng)模型，目前尚缺乏嚴(yán)密有效的驗(yàn)證和分析方法，同時(shí)也難以在模型實(shí)現(xiàn)之前進(jìn)行仿真運(yùn)行，因此難于進(jìn)行有效的模型修正和改進(jìn)。利用p e t r i 網(wǎng)模型，既能對(duì)分布、并發(fā)的過程進(jìn)行有效的形式化建模，又能對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行嚴(yán)密的數(shù)學(xué)分析和直觀的計(jì)算機(jī)仿真。然而，利用p e t r i 網(wǎng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，經(jīng)常存在節(jié)點(diǎn)過多的問題，這需要有建模方法論的指導(dǎo)。此外，p e t r i 網(wǎng)雖然具有圖形化的表示方法，但其描述方式與人們對(duì)客觀系統(tǒng)的描述和理解方式仍存在相當(dāng)?shù)木嚯x?？偵纤?，u m l 和p e t r i 網(wǎng)各具特點(diǎn)：u m l 對(duì)用戶友好，p e t r i 網(wǎng)具有形式化的嚴(yán)密性；u m l 能夠有效描述系統(tǒng)，p e t r i 網(wǎng)能夠嚴(yán)密地分析系統(tǒng)：u m l 模型與程序?qū)崿F(xiàn)緊密相聯(lián)，p e t r i 網(wǎng)模型則易于進(jìn)行仿真。根據(jù)u m l 和p e t r i 網(wǎng)各自的優(yōu)點(diǎn)，本人把u m l 和p e t r i 網(wǎng)集成起來，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出了用于數(shù)控編程通用后置處理器開發(fā)過程建模的u m l p n s 集成建模方法。3 1 4u m l p n s 集成建模方法的特點(diǎn)集成u m l 和p e t r i 網(wǎng)的數(shù)控編程通用后置處理器系統(tǒng)建模方法，充分發(fā)揮u m l 和p e t r i 網(wǎng)的長(zhǎng)處，能夠支持從需求分析直至模型實(shí)現(xiàn)的全生命周期。它具有以下顯著特點(diǎn)：( 1 ) 使用用例圖描述數(shù)控編程通用后置處理器系統(tǒng)的建模需求使用用例圖，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能且標(biāo)( 在用例圖中定義) 和系統(tǒng)行為( 在模型描述和設(shè)計(jì)中定義) 的分離，使得它們的修改互不影響。( 2 ) 使用u m l 的靜態(tài)圖、交互圖和狀態(tài)圖進(jìn)行模型的描述和設(shè)計(jì)建立的模型是一個(gè)可執(zhí)行的過程( 系統(tǒng)) 模型，功能分解可多層進(jìn)行、逐步優(yōu)化；可繼承和重用模型，支持對(duì)各構(gòu)件庫的靈活管理和基于構(gòu)件的程序設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)過程構(gòu)件、需求描述、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件構(gòu)件的復(fù)用和組裝，降低建模的復(fù)雜性；( 3 ) 集成u m l 和p e t r i 網(wǎng)交互進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和分析模型設(shè)計(jì)是整個(gè)建模方法的核心，模型采用可視化的圖符與正文描述相結(jié)合的表達(dá)方式，按照系統(tǒng)內(nèi)外部的約束條件對(duì)模型的建立進(jìn)行靈活的控制，通過u m l 模型設(shè)計(jì)和p e t r i 網(wǎng)模型分析之間反復(fù)進(jìn)行的“映射和修正”過程，可以根據(jù)p e t r i 網(wǎng)模型的分析和仿真結(jié)果，不斷改進(jìn)基于u m l 的模型設(shè)計(jì)，逐漸地建立正確的、性能良好的數(shù)控編程通用后置處理器系統(tǒng)模型。( 4 ) 基于u m l 的模型描述與計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言緊密相聯(lián)，易于模型實(shí)現(xiàn)。3 2u m l p n s 在數(shù)控編程通用后置處理器開發(fā)研究中的應(yīng)用3 2 1 數(shù)控編程通用后置處理過程及其面向?qū)ο蟮拿枋鐾ǔ?，根?jù)數(shù)控自動(dòng)編程的基本結(jié)構(gòu)，通用后置處理過程可以分解為多個(gè)模塊執(zhí)行過程，模塊執(zhí)行過程需要分配到執(zhí)行任務(wù)的功能實(shí)體，并對(duì)之進(jìn)行相應(yīng)的資源分配。這里的功能實(shí)體是一個(gè)廣義的概念，它可能是一個(gè)具體的人，也可能是一個(gè)抽象的角色，或者是計(jì)算機(jī)程序或機(jī)器等。功能實(shí)體具有一定的狀態(tài)，它決定通用后置處理能否正確產(chǎn)生n c 代碼，而后置處理活動(dòng)的執(zhí)行又將改變功能實(shí)體的狀態(tài)。在c a d c a p p c a m 集成系統(tǒng)中，數(shù)控編程通用后置處理在n c 代碼產(chǎn)生過程中和反向仿真過程中存在集成系統(tǒng)全局信息資源的交換和共享，又存在邏輯和時(shí)間上的相互聯(lián)系。功能實(shí)體隸屬于各功能模塊，而各功能模塊必須在參與共享全局的信息和資源的同時(shí)，又要保護(hù)自己的私有信息和資源。根據(jù)以上分析，可以對(duì)數(shù)控編程的通用后置處理過程進(jìn)行面向?qū)ο蟮拿枋?。每個(gè)功能實(shí)體都被作為一個(gè)對(duì)象，稱為實(shí)體對(duì)象。實(shí)體對(duì)象具有自己的屬性和操作：屬性表示該實(shí)體對(duì)象中所定義的各種數(shù)據(jù)；操作表示讀取刀位文件并產(chǎn)生n c 程序的各種數(shù)據(jù)信息處理活動(dòng)，以及進(jìn)行這些數(shù)據(jù)信息處理活動(dòng)的前提條件和后繼狀態(tài)a 操作既可以描述對(duì)象的執(zhí)行動(dòng)作，也可以描述對(duì)象對(duì)自身屬性( 如信息) 的處理。實(shí)體對(duì)象之間相互通訊，通過前提條件判斷和后繼狀態(tài)傳遞，決定后置處理活動(dòng)的執(zhí)行情況。實(shí)體對(duì)象之間的這種交互，提供了它們?cè)谡_時(shí)間里執(zhí)行正確操作的途徑，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)通用后置處理過程的順利進(jìn)行。面向?qū)ο蟮臄?shù)控編程通用后置處理過程描述，實(shí)現(xiàn)了以面向?qū)ο蠓椒榛A(chǔ)的通用后置處理過程建模，更重要的是提供了構(gòu)建數(shù)控編程通用后置處理u m l p n s 集成模型的基礎(chǔ)。3 2 2n c p g p s 系統(tǒng)的u 虬一p n s 集成模型構(gòu)建u m l p n s 集成建模方法如圖3 2 所示。利用u m l 的各種圖形元素進(jìn)行需求分析、模型描述和設(shè)計(jì)，建立描述系統(tǒng)的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型；u m l 的模型描述被映射成p e t r i 網(wǎng)模型，進(jìn)行模型的分析和仿真，其結(jié)果可用于修正和改進(jìn)模型設(shè)計(jì)；反復(fù)進(jìn)行這樣的模型設(shè)計(jì)和模型分析，不斷改進(jìn)直至滿意為止，最后應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)u m l 模型。實(shí)現(xiàn)圖3 2u m l p n s 集成建模方法1 需求分析進(jìn)行數(shù)控編程通用后置處理過程建模，首先進(jìn)行需求分析。在u m l 模型中，一個(gè)用例模型由若干個(gè)用例圖描述，用例圖主要元素是用例和執(zhí)行者。從本質(zhì)上講，一個(gè)用例就是用戶與計(jì)算機(jī)之間的一次典型交互作用，因此，使用用例可以捕捉和描述數(shù)控編程通用后置處理過程中各功能模塊執(zhí)行活動(dòng)的功能目標(biāo)。這一階段通常具有高度的抽象性，以避免過早地陷入細(xì)節(jié)而忽略了全局。用例模型的主要構(gòu)件是用例、角色和系統(tǒng)邊界。用例用于描述每個(gè)功能需求，系統(tǒng)邊界用于界定系統(tǒng)功能范圍，而角色用于描述與系統(tǒng)功能有關(guān)的外部實(shí)體，它可以是用戶，也可以是外部系統(tǒng)。用例的啟動(dòng)取決于來自執(zhí)行者的信號(hào)，執(zhí)行者可以按照特定的順序啟動(dòng)多個(gè)用例，該過程可以用合作圖和順序圖表示。其中順序圖描述了用例之間的執(zhí)行順序，而合作圖則描述了用例之間的連接關(guān)系。這樣，以這兩種圖聯(lián)系起來的多個(gè)用例圖，就描述了數(shù)控編程通用后置處理過程中的功能目標(biāo)及其相互關(guān)系。后置處理器讀取并識(shí)別前置處理所產(chǎn)生的刀位文件，針對(duì)特定的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床將刀位文件處理成正確的n c 程序。反向動(dòng)態(tài)仿真是模仿實(shí)際加工條件驗(yàn)證n c 程序，提前發(fā)現(xiàn)隱含在n c 程序中的錯(cuò)誤。簡(jiǎn)言之，后置處理器的主要工作是刀位文件檢錯(cuò)、刀位文件翻譯和n c 程序驗(yàn)證。刀位文件檢錯(cuò)，即根據(jù)刀位文件的數(shù)據(jù)格式、生成刀具軌跡的工藝和幾何知識(shí)，對(duì)刀位文件進(jìn)行語法、詞法分析和語義分析，從而檢查出該刀位文件的語法錯(cuò)誤、詞法錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤( 其中包括刀位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，工藝規(guī)劃和工藝參數(shù)不合理等) 。經(jīng)過檢錯(cuò)階段，若刀位文件未被查出錯(cuò)誤，則進(jìn)入翻譯階段。刀位文件翻譯，即從刀位文件中提取有關(guān)加工段幾何數(shù)據(jù)、刀補(bǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)和有關(guān)加工狀態(tài)信息( 冷卻液、主軸及刀具速率等) ，根據(jù)指定的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床功能指令集，產(chǎn)生數(shù)控機(jī)床可識(shí)別的功能指令和加工數(shù)據(jù)組成的代碼，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行零件加工。n c 程序驗(yàn)證包含n c 程序檢錯(cuò)和翻譯兩部分。n c 程序檢錯(cuò)與刀位文件處理方式類似，按照規(guī)定數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)定和有關(guān)數(shù)控加工知識(shí)進(jìn)行檢錯(cuò)處理。n c 程序翻譯，即從n c 代碼中提取控制機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的有關(guān)命令動(dòng)作和狀態(tài)信息，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)按照位移和速度的變化劃分成一系列時(shí)間片段，計(jì)算出各時(shí)間片段的機(jī)床各坐標(biāo)軸的位移，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)床模型的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)n c 代碼驅(qū)動(dòng)的加工過程反向仿真。而通用后置處理器，顧名思義，即適用于多種機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的刀位文件翻譯，它除了包含普通的后置處理器主要工作以外，還能識(shí)別多種刀位數(shù)據(jù)格式，解決多種機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所完成功能的通用性和特殊性問題，即通用后置處理器如何針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)正確翻譯多種數(shù)據(jù)格式的刀位文件為n c 程序。目前數(shù)控系統(tǒng)品種太多，其中比較突出的大都在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前就早已形成自己的一套數(shù)控指令，由于無標(biāo)準(zhǔn)可依或由于競(jìng)爭(zhēng)原因，各種系統(tǒng)的數(shù)控功能指令和n c 程序格式存在差異。但仍然可以找到它們之間的共性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：( 1 ) 數(shù)控程序由數(shù)控程序段組成，數(shù)控程序段由字代碼組成，字代碼由字地址符和數(shù)字組成；( 2 ) 地址字符意義基本相同，見表3 1 ；表3 1 地址字符的意義字符意義字符意義a關(guān)于x 軸的角度坐標(biāo)m輔助功能b關(guān)于y 軸的角度坐標(biāo)n程序段號(hào)c關(guān)于z 軸的角度坐標(biāo)o程序編號(hào)刀具