基于UML的硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)建模

陶建華，黎達(dá)成，吳庭筠，盧永焰

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

電力變壓器的主要組成部分有鐵芯、繞組、絕緣材料、外殼等，其中鐵芯是由不同形狀且片厚（0.23～0.35）mm的硅鋼片堆疊而成。硅鋼片在早期是通過單機(jī)手工產(chǎn)生或用機(jī)械定位的簡易生產(chǎn)線制造，使得勞動強(qiáng)度大，加工效率低，精度低，廢料多等缺點(diǎn)[1]。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了硅鋼片數(shù)控橫剪線。其中一種加工方式是利用CNC控制器實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)靠鍵盤和顯示器輸入計算機(jī)，操作簡單。另外一種方式是利用PLC實(shí)行片形計算和控制，通過上位機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)輸入并加工。以上兩種方式均需要手工編寫大量程序，存在修改困難，系統(tǒng)柔性差，開放性和重構(gòu)性差，不方便擴(kuò)充，勞動強(qiáng)度大，效率低等缺點(diǎn)。利用“PC+運(yùn)動控制卡”的開放式數(shù)控系統(tǒng)解決這些問題，利用計算機(jī)復(fù)雜算法編寫的能力，使加工策略更加豐富，免去各個片形的程序編寫，極大提高工作效率；同時提高系統(tǒng)的開放性、重構(gòu)性和柔性。

2 硅鋼片數(shù)控橫剪線的工作原理

如圖1（a）所示，硅鋼片橫剪線主要是由開卷機(jī)、送料機(jī)構(gòu)（包括送料、拉料輥）、機(jī)床部分、出料機(jī)構(gòu)和分理料機(jī)構(gòu)組成；每組送料輥都包括上下輥，氣動壓緊并通過反向運(yùn)動送料；機(jī)床部分由不同加工類型的沖床和剪床組成。開始加工時需把放卷機(jī)送出一定長度硅鋼帶，置于送料輥之間，硅鋼帶在送料輥的轉(zhuǎn)動下向前送料并進(jìn)入機(jī)床部分，沖床在一定的限位范圍內(nèi)在線調(diào)整位置以適應(yīng)送料距離，此后在系統(tǒng)的控制下并按照加工策略沖剪出特定形狀和尺寸的片形，如圖1（b）所示。最后送到出料機(jī)構(gòu)將成品送出，分理料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)把不同規(guī)格的硅鋼片分類、疊料[2]。

3 硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)運(yùn)行原理

硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的運(yùn)行原理，如圖2所示。上位機(jī)軟件可調(diào)用系統(tǒng)，它們之間通過動態(tài)鏈接庫互相通訊，以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令傳輸；另外通過動態(tài)鏈接庫給運(yùn)動控制卡下達(dá)指令，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括需要監(jiān)控的外設(shè)狀態(tài)等；上位機(jī)軟件、系統(tǒng)和運(yùn)動控制卡都由線程管理軟件來管理線程、程序調(diào)度等。運(yùn)動控制卡與外部硬件也要進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的交換，運(yùn)動控制卡通過本地軸連接板與外部的伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)連接，由于運(yùn)動控制卡自帶的本地軸主要用于送料輥送料和各機(jī)床的加工位置調(diào)整，因此需要使用編碼器模塊；除了本地軸以外，還需要控制機(jī)床的沖剪動作，因此需要用軸控模塊進(jìn)行軸的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，連接外部伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)，不同的是運(yùn)動控制卡與本地軸連接板通過DB62針插座連接，而軸控模塊與運(yùn)動控制卡通過工業(yè)網(wǎng)線連接[3]；另外通過工業(yè)網(wǎng)線，使用輸入輸出模塊來控制外部氣缸、開關(guān)等邏輯信號。

圖1 橫剪線和硅鋼片加工Fig.1 Process of Transverse Shear Line and Silicon Steel Sheet

圖2 運(yùn)行原理圖Fig.2 Operating Principle of System

4 基于UML的硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)設(shè)計

4.1 UML理論

UML是統(tǒng)一建模語言，其作用是為開發(fā)面向?qū)ο蟮能浖峁┮惶子糜陉U述、設(shè)計、建立和編寫軟件密集系統(tǒng)的開放的、可視化的方法。它在表達(dá)面向?qū)ο筌浖男枨蟆⒖蚣芊矫嫣峁┝藦?qiáng)有力的手段。在表達(dá)軟件的功能和框架兩方面，UML提供了兩種模型，分別是設(shè)計用例模型和實(shí)體類模型[4]。組成設(shè)計用例模型有四大要素，參與者、用例、關(guān)系、系統(tǒng)邊界。基本的設(shè)計用例模型，如圖3所示。其中，人形圖標(biāo)表示參與者，橢圓形圖標(biāo)表示用例，中間的連線表示它們之間的關(guān)系。實(shí)體類模型是直接用來反映實(shí)體類之間聯(lián)系機(jī)制的模型，可以清晰地反映系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時類是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的重要組成部分，了解了類的關(guān)系和內(nèi)部機(jī)制就能知道類中信息的結(jié)構(gòu)。實(shí)體類模型由類、接口、類的內(nèi)部要素和它們之間的關(guān)系組成，基本的實(shí)體類模型，如圖4所示。

圖3 設(shè)計用例模型Fig.3 Design Use Case Model

圖4 實(shí)體類模型Fig.4 Entity Class Model

4.2 系統(tǒng)需求分析

在進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析之前，需要了解該系統(tǒng)總體的使用流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體流程Fig.5 Overall Process System

表1 系統(tǒng)模塊功能分析Tab.1 Function Analysis of System Module

根據(jù)系統(tǒng)的使用流程，先從用戶的角度得出不同用戶的需求：（1）工人的步驟應(yīng)盡量少，因此工人需選擇已經(jīng)設(shè)計完成的硅鋼片或組合；并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行縮放、移動等；對于硅鋼片組合類型，應(yīng)能查看所有的片形，以確保正確；檢查無誤后，接收上位機(jī)軟件的指令進(jìn)行片形計算，轉(zhuǎn)化為用于加工的工藝數(shù)據(jù)。（2）技術(shù)人員擁有硅鋼片基本操作功能；能夠按照加工圖紙設(shè)計新的硅鋼片片形或者組合并編輯；必要情況下還要利用系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行片形仿真分析[5]；同時要確保與上位機(jī)軟件的通訊正常；能夠監(jiān)控和設(shè)置運(yùn)動軸的有關(guān)數(shù)據(jù)，也能從上位機(jī)軟件上獲取數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)；還需處理系統(tǒng)的報錯和反饋。（3）管理人員可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)定硅鋼片生產(chǎn)計劃，對總體產(chǎn)量和各類硅鋼片片形的產(chǎn)量管理，方便補(bǔ)充某一種片形。在不同用戶需求分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分模塊分析，簡化、整理需求，如表1所示。

4.3 系統(tǒng)用例分析

要建立用例圖，需要先確定系統(tǒng)的參與者，根據(jù)系統(tǒng)的使用流程和需求分析，確立系統(tǒng)的參與者有工人、技術(shù)員、管理者和上位機(jī)[6]，得出系統(tǒng)的用例圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)用例圖Fig.6 Use Case Model of System

4.4 系統(tǒng)設(shè)計類圖

系統(tǒng)類圖是系統(tǒng)設(shè)計階段的關(guān)鍵一環(huán)，是實(shí)現(xiàn)用例的邏輯解決方案。結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行原理和用例圖，以硅鋼片加工用例為例，得到實(shí)現(xiàn)該用例所需要的設(shè)計類圖，如圖7所示。主要設(shè)計的類如下：（1）硅鋼片方面：特征坐標(biāo)類（Coordinate）；（2）運(yùn)動軸方面：軸類（Axis）、軸數(shù)據(jù)類（AxisData）；（3）工藝方面：單步工藝類（Process），工藝組類（MyProcess）；（4）加工方面：規(guī)劃類（Planning），工步類（Step），加工狀態(tài)類（ProcessState），動作類（Action），伺服控制類（ServoControl），加工流程控制類（TaskControl）。

圖7 硅鋼片加工類圖Fig.7 Silicon Steel Sheet Processing Class Diagram

4.5 系統(tǒng)狀態(tài)分析

狀態(tài)圖主要用來描述對象、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的生命周期，通過狀態(tài)圖可以了解到一個對象所能達(dá)到的所有狀態(tài)以及對象收到的事件對對象的影響[8]。系統(tǒng)人機(jī)界面的狀態(tài)圖，如圖8所示。

從狀態(tài)圖中可知，當(dāng)無上位機(jī)運(yùn)行信號時，可以進(jìn)入或退出系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)、通訊測試狀態(tài)、硅鋼片設(shè)計和修改狀態(tài)、硅鋼片片形文件管理狀態(tài)，但是當(dāng)成功接受上位機(jī)信號時，不允許進(jìn)入這些狀態(tài)。當(dāng)橫剪線運(yùn)行過程中可以進(jìn)入或退出計劃管理和監(jiān)控狀態(tài)。采用狀態(tài)機(jī)方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)管理[9]。人機(jī)界面方便了對系統(tǒng)的配置，進(jìn)一步提高了硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的開放性。

圖8 人機(jī)界面狀態(tài)圖Fig.8 Man-Machine Interface State

4.6 系統(tǒng)序列圖

序列圖是描述對象如何交互，并且將重點(diǎn)放在消息序列上。系統(tǒng)中設(shè)計編輯的序列圖，如圖9所示。當(dāng)用戶用鼠標(biāo)選擇硅鋼片的特征時，通過CPoint類獲取當(dāng)前鼠標(biāo)的坐標(biāo)，返回給主界面，再判定特征類別從而發(fā)送窗口消息到ModifyDlg類供用戶修改數(shù)據(jù)，修改完成后發(fā)送數(shù)據(jù)到GroupSheets類進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，校驗無誤后就發(fā)送信息到Draw類進(jìn)行繪圖，最終通過主界面CScreenEditorDlg類進(jìn)行片形顯示的更新[10]。

圖9 設(shè)計編輯序列圖Fig.9 Sequence of Design and Edit

5 實(shí)例仿真與數(shù)據(jù)驗證

采用基于SolidWorks的片形仿真來驗證硅鋼片數(shù)控橫剪線加工策略可行性。兩剪三沖數(shù)控橫剪線的加工裝置具體為：第一剪加工裝置C1，第二剪加工裝置C2，沖V槽加工裝置V：橫向移動，第一沖圓孔裝置O1、第二沖圓孔裝置O2：縱向移動，兩個沖圓孔加工裝置刀具相同；設(shè)定以下機(jī)械參數(shù)進(jìn)行模擬。各軸零位：|OC2|=50、|OC1|=100、|OO2|=150、|OV|=200、|OO1|=250、|OSb|=300、|OSa|=120。沖圓孔裝置的正負(fù)限位：ON=-40，OP=40，沖V槽加工裝置的正負(fù)限位：VN=-20，VP=20。生產(chǎn)的片形以一組邊片和軛片作為例子，組片形并已標(biāo)注尺寸，假設(shè)生產(chǎn)2組，共4片硅鋼片，即邊片和軛片各2片，如圖10所示。運(yùn)行兩剪三沖數(shù)控橫剪線自動利用得出的加工數(shù)據(jù)文件結(jié)合SolidWorks系統(tǒng)進(jìn)行片形仿真，片形仿真文件，如圖12所示。加工系統(tǒng)，得到的加工數(shù)據(jù)文件，如圖11所示。

圖10 示例片形組Fig.10 Example of Shapes

圖11 加工數(shù)據(jù)文件Fig.11 Process Data File

把加工裝置塊置于硅鋼帶后就充當(dāng)硅鋼片片形的基本特征，多個片形基本特征組成了整個硅鋼片片形；同時各個特征均有尺寸，仿真完成后，通過驗證尺寸可知片形正確無誤。仿真驗證的片形尺寸和形狀均無誤后，再次對系統(tǒng)輸出的加工數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的檢驗分析。以圖11所示的加工數(shù)據(jù)文件作為分析對象，把②區(qū)中兩個送料軸的送料距離合為ds，把③區(qū)中加工裝置的軸當(dāng)前位置轉(zhuǎn)化為加工裝置的軸位置，并把有動作的裝置列出，如表2所示。片形仿真文件，如圖12所示。

圖12 片形仿真文件Fig.12 Simulation File of Shape

表2 轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)Tab.2 Converted Data

從表中數(shù)據(jù)看出：（1）表中O1動作了5次，而O2動作了3次，它們之和剛好對應(yīng)圖10片形組的8個孔；通過該加工系統(tǒng)，待加工特征可以選擇能夠進(jìn)行該特征加工的加工裝置。（2）工步4中的第二沖圓孔裝置O2相對于工步3作了移動，但是O2沒有動作，只通過移動送料軸來實(shí)現(xiàn)O1、C2的動作，因此當(dāng)前工步雖然是空移動，但卻可以移動到第5步的O2的軸位置，即提前移動到35，實(shí)現(xiàn)了O2提前移動優(yōu)化。（3）工步6中O1從-40移動至工步7的-15，工步7中O1相對于工步6沒有動作，是因為O1提前移動了部分距離，假如從-10移動到工步8的O1位置40，需要移動80的距離，但比當(dāng)前工步7中送料軸移動的距離25還要大，由于送料軸送料和加工裝置移動是并發(fā)的，勢必會造成送料軸等待加工裝置移動到位，因此，加工裝置移動的距離最多跟送料軸一樣為25，故工步7中O1的軸位置為-15，實(shí)現(xiàn)了O1提前移動優(yōu)化。（4）加工2組的“邊片+軛片”需要9個工步，而原來一個工步加工一個特征的加工方法需要16個工步，減少7個工步；加工效率得到了大大的提升。

6 結(jié)語

通過橫剪線的工作原理、加工系統(tǒng)的運(yùn)行原理，分析了系統(tǒng)的功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系和系統(tǒng)的控制流程。在硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的分析、設(shè)計、測試過程中引入UML技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性、重構(gòu)性和柔性提供了有力支持，提高了數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)開發(fā)的效率。最后以加工邊片和軛片的片形組合為例子，采用SolidWorks的參數(shù)化功能對兩剪三沖數(shù)控橫剪線自動加工系統(tǒng)生成的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行片形仿真，得出正確片形，并驗證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和加工策略的可行性，以及加工的高效性，證明了基于UML所建的硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)模型體系的合理性，達(dá)到了建模的目的和效果。