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。

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。

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。

1.4 對象類的建立

由于數控機床的型號較多，功能、結構均有差 異，對每一臺數控機床，都去分析其結構特性、功能 特性，建立仿真模型，是一個費時費力的任務。從數控機床發展的歷史來看，數控機床具有明顯的繼承 性，就加工中心而言，就是在數控鏗銑床的基礎上發 展起來的，簡單而言，加工中心＝數控鏜銑床十換刀裝置。因此，利用數控機床的結構和功能特性相似的 特點，采用面向對象的方法建立起對象類的層次結 構關系并通過繼承實現仿真模型信息的重用是非常必要的。

數控機床依其結構形式分類較簡單，可劃分為 以下3類：臥式數控機床(HNCMT)、立式數控機床 (VNCMT)、龍門式數控機床(GNCMT)。這3類數 控機床可以被抽象為3種基本的數控機床對象類，它們構成數控機床類庫結構中的一層。這3類數控 機床對象類還具有一些共同的屬性，象數控機床的 名稱、型號、主軸的轉速范圍等這些所有數控機床都具有的屬性，因而可以進一步向上概況抽象出一種 新類——數控機床(NCMT)類，它處于數控機床類 層次結構的最上層，是整個數控機床類的基類。考慮到數控機床的實際情況，對數控機床的結構與功能 屬性進行更詳盡的分析，HNCMT類、VNCMT類、 GNCMT類均可按3坐標、4坐標、5坐標進一步劃 分類，它們處于數控機床類層次結構的下層。這樣， 整個數控機床類的層次結構就建立起來了，數控機床對象類的層次結構如圖2所示。

2 仿真系統的總體結構

數控機床加工系統由數控機床、刀具、工件和夾 具組成。數控加工的過程是數控機床在NC代碼的 驅動下帶動刀具對被夾具固定在工作臺上的工件進行切削加工的過程。要實現對數控加工過程的仿真， 首先要建立數控機床、刀具、工件和夾具的幾何模 型。在幾何模型的基礎上建立數控機床的運動模型。最后實現對數控加工過程的仿真。數控加工仿真系 統的整體結構如圖3所示。

3 仿真模型

數控加工仿真系統的仿真模型包括數控機床、 刀具、工件和夾具的幾何模型和運動模型，本文只討 論數控機床的幾何模型，刀具、工件和夾具的幾何模型較簡單，與數控機床類似，仿真系統的運動模型參 見文獻[3]。數控機床的幾何模型實際上是一個裝配 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 型的實現以及裝配體內部各子部件之間位置關系描 述等問題。

3.1 裝配模型的基本形式

裝配模型的基本形式是層次樹和圖。層次樹可 以清晰的表達裝配體的組成關系，而且也利于裝配 序列規劃的求解，但它不易表達零件間的配合關系。與層次樹結構相反，圖的結構比較容易表達各零件 間的關系，并提供了在裝配體中從一個零件直接找 到另一個零件之間聯系的路徑，特別適合公差和運動鏈的分析，但很難表示層次組成關系，結構比較復 雜，不易維護，而且操作也比較困難 [2] 。幾何模型與其它系統(如CAD／CAM系統)的裝配模型的要求 不同，可歸納為：(1)裝配幾何關系的描述；(2)裝配拓撲關系的描述；(3)零件層次性的構造。由于幾何 模型可不考慮公差配合，而且運動關系也具有層次 關系，因此，可采用層次結構。

3.2 仿真模型的建立

在本系統中，一個裝配體被表示成一棵2叉樹， 如圖4所示，其中樹的根節點表示用戶最終需要的 裝配體，非葉節點表示子裝配體，子裝配體是由零件或者子裝配體構成，零件在這個樹狀結構中是用最 低層的葉結點表示。同時規定非葉節點的左子女作 為基體，它位置不發生變換，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 系，不同層次的裝配單元存在“從屬關系”。通過裝配 單元的局部坐標系與被裝配的裝配單元所在坐標系進行轉換及相應的移動和旋轉，使裝配單元定位于 理論裝配位置。此模型具有描述簡單、操作方便、容 易維護和存貯量小的特點。

4 結束語

現代仿真技術的發展趨勢就是面向對象，將面 向對象技術引人數控加工過程仿真系統的研究與開 發中，必將提高數控加工過程仿真系統研究的質量，促進數控加工過程仿真系統的應用與發展。設計出 一個正確的仿真對象是整個仿真系統實現的基礎。 本文在分析了數控機床的結構和功能特性后，指出數控機床是由相對獨立的數量較為固定的不同功能 的模塊組成，這些模塊在組成數控機床的過程中，不 僅存在幾何位置的約束關系，而且存在著選用上的排斥關系。由此，提出了一種面向對象的數控機床定 義方法，并在此基礎上建立了數控機床類庫，文中還 建立了數控加工過程仿真系統的整體結構。