（机械制造及其自动化专业论文）基于面向对象的石材异型制品加工设备数控系统开发.pdf

摘要 、根据石材异型制品加工设备的实际控制需要，结合当前数控系统的使用 脱状j 发展趋势，本文介绍了利用v c + + 6 0 开发的面向异型石材加工设备的 数控系统，应用面向对象的设计思想与方法对石材加工设备数控系统的控制 功能进行需求分析与设计，根据软件工程理论构造了数控系统的软、硬件体 系结构。系统的开发以开放性、可扩展性、实用性与经济性为原则i 主要内 容包括： 1 根据石材加工速度较慢，但需多轴联动的特点，提出了以p c 机为主，添 加必要的i o 硬件结构的方案，构造了软件运行的主应用程序框架，为软 件以后的扩充与维护提供了良好的开发环境。 2 根据异型石材制品的几何形状特点，归纳出针对于石材加工的七种常用基 本图元：应用面向对象的设计思想开发了图形编辑模块，它具有基本图元 的绘制、图形编辑功能；用户按照提示输入相应的工艺信息，即可自动生 成相应的数控代码。 3 利用v c + + 6 0 集成环境下的o p e n g l 技术，创建了针对几种常用石材异 型制品加工设备的三维模拟环境，实现了对模拟对象的几何建模与运动控 制。 在软件开发过程中保证各模块之间具有较高的独立性与内聚性，并保证 各模块之间有效、准确的接口。实验证明了本系统具有运行可靠、便于扩展、 操作方便等特点，为以后的进一步开发打下了基础。 关键词：异型石材数控系统模拟仿真o p e n g l 1 1 1 a b s t r a c t b a s e do nt h er e a lc o n t r o lr e q u i r e m e n to fn o n d i m e n s i o ns t o n em a c h i n i n g m a c h i n e ，c o m b i n e dt h eu s i n gs t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fc u l t e n tn u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec n cs y s t e mo r i e n t e dn o n - d i m e n s i o n s t o n em a c h i n i n gm a c h i n eb ym e a n so fv c + + 6 0 ，a p p l i e do b j e c t o r i e n t e dt h e o r y a n di d e at om a k et h ed e m a n da n a l y s i sa n dd e s i g nf o rt h ec n c s y s t e m sc o n t r o l f u n c t i o no fn o n d i m e n s i o ns t o n e m a c h i n i n gm a c h i n e ，c o n s t r u c t e dt h e w h o l e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ef r a m e w o r kb a s e do ns o f tt h e o r y t h ed e v e l o p m e n to fc n c s y s t e m i sb a s e do n o p e n i n g - - p r o p e r t y , e a s ye x p a n s i b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t y a n d e c o n o m y ，t h ed e t a i l e dc o n t e n t si si n t r o d u c e d a sf o l l o w e d ： 1 b a s e do nt h ec h a r a c t e rt h a ts t o n em a c h i n i n gn e e d ss l o ws p e e da n dm o r et h a n o n e s p i n d l e sm o v e m e n t ，p u t f o r w a r do n eb l u ep r i n tt h a tm a i n l yb eb a s e do np c m a c h i n e ，a d dn e c e s s a r y i 0h a r d w a r e c o n s t r u c t i o n ，c o n s t r u c t t h em a i n a p p l y i n gp r o g r a mf r a m e w o r ko fs o f t w a r er u n n i n g ，w h i c hp r o v i d e sag o o d e n v i r o n m e n tf o rt h el a t e re x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c eo fs o f t w a r e 2b a s e do nt h eg e o m e t r yc h a r a c t e ro fn o n d i m e n s i o ns t o n e ，s u m m e du ps e v e n b a s i cd r a w i n ge l e m e n t sa b o u ts t o n em a c h i n i n g ；d e v e l o p e dd r a w i n ge d i t e d m o d u l ew h i c hh a sb a s i c d r a w i n g a n d e d i t i n gf u n c t i o n ；t h e u s e r i n p u t s c o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n f o r m a t i o na c c o r d i n gt oc l u ea n di tw i l l g e n e r a t e c o r r e s p o n d i n g s t a n d a r dn cc o d ea u t o m a t i c a l l y 3 b ym e a n s o f o p e n g lt e c h n o l o g yi n t e g r a t e di nv c + + 6 0e n v i r o n m e n t ，c r e a t e d o n et h r e e d i m e n s i o n s i m u l a t i n g e n v i r o n m e n tf o rs e v e r a l g e n e r a l s t o n e m a c h i n e sa n df i n i s h e dt h e g r a p hm o d e l i n g a n dm o t i o n c o n t r o l l i n g o f s i m u l a t i n go b j e c t e n s u r e de a c hm o d u l en o to n l yh a sh i g h e ri n d e p e n d e n c ea n dc o h e s i o n ，b u ta l s o h a se f f e c ta n de x a c ti n t e r f a c eb e t w e e n m o d u l e st h i ss y s t e mh a sc h a r a c t e rs u c h a sr u n n i n gc r e d i b i l i t y ，e a s ye x p a n s i b i l i t ya n do p e r a t i o n ，w h i c hp r o v i d e ss t r o n g f o u n d a t i o nf o rt h el a t e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：n o n d i m e n s i o ns t o n e ，c n cs y s t e m ，s i m u l a t i o n ，o p e n g l v 第一章绪论 1 1 数控技术与自动编程技术概述 1 1 1 数控技术的发展历程与发展趋势 ( ) 数控技术的发展历程 自1 9 4 6 年世界第一台计算机在美国诞生，1 9 5 2 年第一台数控机床在麻省 理工学院诞生起，数控技术就紧随着微电子技术与数控技术的发展而发展。近 5 0 年来，数控技术经历了两个阶段、六个时代的发展里程【1 1 。 数控系统发展的第一阶段叫n c 阶段( 逻辑数字控制阶段) ，也叫硬件数 控阶段旺1 ，此阶段数控机床所有控制功能均由电路来实现，采用硬件来完成插 补、增量定位等功能，开放性很弱。 自1 9 7 0 年小型计算机开始用于数控系统，数控系统的发展进入第二阶段， 既c n c 阶段( 计算机数字逻辑控制) ，也叫软件数控阶段跎3 ，此阶段采用了大 规模的集成电路与微处理器，由程序来实现控制功能，此种数控系统通用性强， 具有较大的柔性。而到了9 0 年代，随着微电子技术与计算机技术的迅猛发展 以及软硬件及其外围器件方面技术的快速进展，使计算机芯片的集成化程度越 来越高，功能越来越强。原来在大、中型计算机上才能实现的功能在个人计算 机上即可实现。因此，就出现了在p c 机上开发的数控系统，既p c 机数控系统， 也就是我们所说的第六代数控系统。 9 0 年代以前，数控系统的最大特点就是计算机的专用性，既一台数控系统 就是一台专用计算机，与标准计算机不兼容，而他们之间也互相不兼容，再加 之数控系统本身的复杂性，这样，随着微电子技术与计算机技术的发展，计算 机所带来的许多新成果与新技术，此种数控系统都不能及时采用，其中最主要 的胤因就是兼容性差。在c a d c a m 充分发展与应用的今天，数控加工对程序 的存储量要求越来越高，对数控加工的速度、精度和光洁度的要求越来越高， 比如加工曲面时的刀：具间隔量从原来的几个毫米提高到零点几毫米，由于程序 由计算机自动编制出来，这样使加工程序的数量大大增加，已从手工编程时的 3 2 k 存储量发展到现在几百k 甚至几百兆，用此种类型数控系统的机床来加工 就比较困难。再加之显示器、网络技术等在此类数控系统上都比较难以实现， 而在第六代数控系统上则很容易做到。 ( 二) 数控技术的发展趋势 当前，控制技术、信息技术( 包括信息的处理、加工与传输) 、电子技术、 传感器技术、计算机技术与软件技术都取得了巨大进步，基于这些技术的数控 技术也取得了很大的发展，数控系统的主要发展趋势为：建立基于p c 机、具 有丌放式体系结构的数控系统。 当前的数控系统大多采用专用的体系结构，这种系统虽然具有结构简单、 技术成熟等优点。但随着计算机技术与微电子技术的高速发展，其缺点愈加明 疑：系统硬件的封闭性妨碍了数控技术的升级换代，无法使用最新的技术成果； 数控系统功能的单一和不可扩展性不能很好的适应加工需求多样化与设备的个 性化要求；用户很难在此基础上增添或开发自己的功能：这些缺点促使了开放 式数控系统的诞生。开放式数控系统研究的主要目的是解决变化频繁的需求与 控制系统专一、固定的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的、可重构的系统 工具平台，极大的增强系统的柔性与适应性，其主要特点如下【4 】： ( 1 ) 相互操作性：系统提供标准化接口、通讯和交互模型。不同的应用程序 模块可以通过标准化的应用程序接口运行于系统的平台上，相互之间保持 平等的操作能力，协调工作。 ( 2 ) 可移植性：不同的应用程序模块可运行于不同制造商提供的不同系统平 台上。 ( 3 ) 可缩放性：可以通过装载或卸载特定功能模块来实现增加或减少系统的 功能。 ( q ) 可互换性：不同性能、可靠性和不同功能的单厄u j 以相互替代。 此外，数控系统还向高速化、高精度化、智能化、嗍络化方向发展，但以 丌放性为基础。这样，用户可根据自己不同的需求而进行相应的内部结构重新 配置和开发自己特有的功能。本课题开发的面向异性石材加工设备的数控系 统，其软、硬件的体系结构构造正是基于数控系统的特性与发展趋势。 ( 三) 开放式数控系统软件的体系结构 由于通用计算机结构的透明性、硬件的开放性、资源的丰富性，数控系统 向通用型计算机既开放式体系结构方向发展，并将成为最具生命力的技术平台 【5 l 。斤放式体系结构数控系统如前所述是开放式、高可靠性、智能化、网络化、 系列化数控系统的统称。其核心是开放性，既系统各模块与运行平台的无关性， 系统中各模块之间的相互操作性与人机界面及通信接口的统一性。 丌放式数控系统除了使硬件模块具有统一的接口及互换性之外，更重要的 是使数控系统软件各模块间具有一致的接口与互换性哺1 ，方便用户，使其易于 融入新技术、接受最新的研究成果，降低使用成本。根据丌放式数控系统的特 点，当前系统软件的结构主要由系统软件平台与应用程序层组成。 应用程序层的组成如图1 1 所示，它包括过程控制、人机界面及系统集成 与配置支撑环境等三部分。系统集成与配置支撑环境将给用户提供方便易用的 数控系统培植与安装环境 1 。系统软件平台如图l 一2 所示，它是实时多任务 操作系统，提供实时多任务编程接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 、文 件系统、通用网络a p i 、各类设备驱动程序a p i 等接口。 面向异型石材加工设备数控系统的总体框架的构造及其所需的各个子功 能模块的开发，就是在所创建的开放式数控系统的体系结构基础上，针对石材 月口i 的实际需要与特点而构造的，对于其中某些模块的功能，根据实际的加工 需要，进行必要的选取。 过程控制 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i ； 人机界面 ： l 一 图1 1 应用程序层 操作系统+ 文件系统+ 网络+ 实时多任务接口系统设备驱动a p i 操作系统+ 文件系统+ 网络+ 实时内核系统设备驱动程序 硬件体系结构 图1 2 系统软件平台 数控系统的数据流程如图1 3 所示，其输入数据为数控代码加工指令，如 d n c 输入的文件或m d i ( 人工输入数据) 数据等，其输出为位置、速度控制指令， 通过伺服驱动单元完成对电机的指令控制。数控代码指令通过代码解释器、运 动控制器等组件的处理将数控代码变换成相应的位置、速度、电流指令，并输 出到相应的单元。 4 网圈困圈圈圈圈曰 文件系统 一 文件编辑 器 网络系统 d n c m d i 图1 - 3 数控系统的数据流程 1 1 2 自动编程技术概况 运动控制器 零件加工程序的编制是进行数控加工的一个重要步骤，国内外数控加工统 计数字表明，造成数控机床等待约2 0 3 0 是编程不及时所导致的，可见 数控编程直接影响着数控机床的加工效率馏1 。目前程序编制的方法主要有手工 编程和自动编程，手工编程由于其编程效率低，易出错，因而只适用于形状较 简单的零件编程。自动编程具有手工编程无可比拟的优越性，编程效率高，对 复杂零件编程的优越性更加明显，因而其应用更加广泛”1 0 o 自动编程的基本 原理为：编程人员将零件的几何信息输入计算机，由计算生成零件的几何数据， 习j 习 司j 一补件一 一置 一 一置 一 圆圈圈 然后进行相应的工艺处理与刀具轨迹计算，形成刀位数据文件，再经过后置处 理即可形成n c 代码。 h 前，自动编程系统主要分为三类”1 ： i 数控语言编程系统 这是最早研制的自动编程系统，应用较广，但其有不少缺点，主要是：编 程人员需掌握数控语言；需将零件的几何信息转换成文字信息，而文字信息不 如几何信息直观，且人为转换过程中易出错：它采用批处理形式，在处理过程 中编程人员不能对运行状态进行干预，也不能对运行结果进行调整，因而，零 件源程序的编写、编辑不够方便、直观。 2 会话式编程系统 会话式系统克服了语言编程系统的缺点，在工作时采用菜单方式引导编程 人员回答问题、填写菜单，描述被加工对象的几何形状、刀具运动轨迹及机床 的辅助功能操作等信息，相比数控语言编程系统，其优点是：编程人员无需学 爿数控语言，整个编辑工作更加直观、方便，编程效率与质量进一步提高。但 此类系统的缺点是：在输入零件信息时也须有一个将图纸信息进行转换的过程， 而此过程也是由人工来完成的，易产生人为失误。 3 数控图形编程系统 为了克服上述两种编程系统的缺点，产生了数控图形编程系统。数控图形 编程系统是利用图形输入装置，直接将被加工零件信息输入计算机，无须人工 对图形信息进行转换，极大的减少了人为失误，提高了编程效率与质量。这种 系统是从被加工零件的工序图来生成数控加工指令，由于c a d 的结果是图， 因此可以利用c a d 进行工件设计，然后经过工艺信息处理( c a p p l ，即可生成 数控加工指令，由于图形编程系统具有这样的优点，它是自动编程技术的发展 方向，也是c a d c a m 集成化发展的必然要求。数控图形编程系统一般须具备 三个功能【”1 ： 6 ( 1 ) 图形输入 ( 2 ) 工序设计 ( 3 ) 数控代码生成 本课题开发的就是具有图形编程功能的异型石材数控力厂系统，它具备图 眵的输入、编辑功能，无需人工进行工件信息的转换，根掘零件的数据信息与 发定的工艺信息即可生成相应的数控代码。 1 2 石材异型制品及其加工技术概况 天然石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、耐磨损、耐腐蚀、无磁性、 受热变形小等特点【l ”。近年来，随着建筑装饰业和石材加工业的发展，各种花 岗石、大理石弧形、波浪形曲面装饰幕墙、柱体等石材异型制品的需求量同益 增大。另外，由于石材受热时变形小，稳定性好等特点而广泛应用于精密机械 基础件，精密计量器具等方面。 目前，石材制品正朝着高档化、异型化、艺术化、大规模使用的方向发展， 高附加值的异型石材制品的市场非常广阔。因此，对石材异型制品的加工技术 及加工设备的研究越来越受到人们的重视。 石材异型制品可以理解为除石材板材制品以外的其它所有石材制品。按其 加工方法将石材异型制品分类如下“”： ( 1 ) 立体石材异型制品：包括立体人像、动物、植物等装饰造型的雕刻品， 各种柱体、柱座等。它们既可能是轴对称或规则的，也可以是非对称和 不规则的制品。 ( 2 ) 平面异型制品：如平面浮雕制品、壁炉、饰面各种曲线边缘的台面制品 ( 餐桌、茶几、厨房灶台板) 、花线条、拼花板材、曲线边板材等。 ( 3 ) 曲面板材制品：如内、外圆弧板材等。 随着计算机技术与微电子技术的飞速发展，数控技术的不断完善，先进的 自u 工工艺与方法不断涌现，这些技术在机加工行业得到极大应用，出现了许多 先进的石材产品加工设备，如各种高速、高精度的数控铣床、磨床，高效率的 加工中心等，用以满足社会对石材产品f 1 益增k 的需求。目前比较典型的异型 石材加工设备主要有多功能加工中一t b 、会冈0 石串珠锯加工技术等比较先进的加 设备。 1 多功能数控加工中心 多功能数控加工中心主要用来加工各种人像雕刻、圆柱雕刻、不规则的柱头、 等石材立体异型制品，平面浮雕，卫生间面盆、浴盆和面盆台板、厨房灶台面 板，直线、曲线花线条、曲线边板材等平面异型制品以及圆弧板材的粗铣、定 厚和磨抛，所加工制品的形状和造型可以是对称的，也可以是非对称的或不规 则的1 1 6 j 。 从结构上说，这类设备通常是将多个普通数控加工中心的功能集中于一台 设备上，设备的不同功能可以通过增加或删除相应配件来实现，如带有车床和 平面雕刻功能等。只有一个圆柱铣刀动力头的数控加工中心，一般需要五维控 制，即设备必须能控制工件的旋转角度定位、圆柱铣刀类刀具的水平( x 轴) 、 垂直( z 轴) 、前后( y 轴) 的移动和定位，以及刀具轴本身的摆动角度这五个方向 的运动，这是完成雕像类制品加工需要的最少控制维数。为了提高多维数控加 工中心的自动化程度和生产效率，设备还配备有容量为1 0 2 5 把刀具的刀具 库，加工过程中根据需要自动更换刀具。 从控制系统方面来说，多维数控加工中心一般采用图形编程和模型扫描两 种方法来建立制品造型程序【1 7 l 。对于简单或规则对称的制品可以用c a d 中几 何建模软件建立需要设计和加工制品的二、三维几何模型程序，利用所选定的 尺寸和形状参数定义几何模型的有关尺寸。如果修改这些参数，还可以生成其 它尺寸和形状的几何模型。c a d 的二、三维图形功能非常强大，是数控加工中 心必备的图形设计软件，c a m 是按照图形程序指导和编排刀具加工的计算机 辅助制造程序，它包含了三维图形全部加工模式的数据库，控制动力头、刀具 或工件按照所要加工的几何图形的形状运动，并可自动选择和更换刀具，完成 加工。对于人像雕刻这类形状复杂的立体雕刻制品，由于使用c a d 编程生成 几何模型的操作非常复杂，工作量太大，所以为了简化操作，提高生产效率， 可以使用激光扫描的办法，对预先制作的小型实体模型进行扫描，通过数控系 统转化成c a d 图形程序，从而提高了编程的效率和准确度。在功能齐全、控 制维数多的数控加工中心上，除了安装有图形设计程序外，般都配有激光扫 描装置，以完成各种形状制品的仿形加工。 2 金刚石串珠锯加工技术 数控金刚石串珠锯加工技术是使用柔性刀具加工异型石材制品的数控加工 技术，早在七十年代就已出现并应用于新型大理石开采。随着金刚石串珠制作 的进步从电镀发展到粉末冶金孕镶的串珠，金刚石串珠锯已能对硬质花岗 石进行锯切，而且由于采用了先进的数控系统，其应用范围已扩大到可加工各 种复杂曲面的异型板材。它的优点是设备简单，易于安装，可进行水平、垂直 与倾斜方向的切割，适应性强；工作时噪声低，振动小，对周围环境干扰小： 具有较高的切割效率和加工精度以及高表面光洁度，可大大提高石材加工的附 加值与效益。 按加工制品的形状不同，数控金刚石串珠锯主要分成两类，一类是用来加 工等截面的异型石材制品，另一类是用来加工截面形状不等的石材制品。二者 所要求的控制维数是不同的8 1 1 9 3 , 其中二维的运动控制主要是工件与刀具的 联合进给运动；一般的三维数控是在二维控制的基础上，增加了对荒料车回转 运动的控制；四维数控绳锯有两种控制方案，一是在前述三维基础上，取消料 车回转运动，增加对左右两对导向轮回转运动的分别控制功能，另一种方案是 在前述三维控制的基础上，将串珠绳驱动和从动飞轮整体同步升降运动的控制 分解为主动飞轮、从动飞轮各自独立升降运动的控制，以加工出不同形状的异 型石材制品。 9 1 3 课题提出的背景及主要研究内容 ( 一) 课题提出的背景 我国是石材资源十分丰富的国家，据不完全统计，我国大理石有6 4 0 多个 l 撕4 - ，花岗石有4 1 0 多个品种，储量在世界名列前茅20 1 。随着石材工业的迅速 发展，我国的石材加 技术与加工工艺水平有了较大的提高，但由于石材加工 研究1 作起步较晚，研究力量薄弱，加工工艺水平仍处于落后状态，至今未能 形成成熟的加工技术，缺乏指导生产的加工理论体系。我国石材加工企业大多 生产规模小、加工效率低、产品档次低、质量不稳定，尤其在异型石材加工技 术方面与先进国家相【：e 仍存在较大的差距心2 “，因而我国石材加工业迫切需要 发展多功能、效率高、投资小的适合我国国情的自动化加工设备以及与之相关 的加工工艺技术。由于多功能c n c 数控加工中心价格昂贵，普通企业难以接受： 而单类机加工技术的生产设备劳动强度大，生产效率低，难以满足石材异型制 品的加工要求，因此开发适合于我国国情的投资小、见效快、实用性强、通用 性好、质量稳定的石材加工设备是完全必要、可行的。 本课题正是基于这一背景而产生的，它是山东大学石材加工技术研究所申 请的“山东省高技术产业发展”资助项目之一，它的实施对于提高我国石材异 型制品的加工质量和加工效率，降低加工成本将起到重要的作用。 ( 二) 课题的主要研究内容 本课题根据异型石材加工的实际特点，开发了面向异型石材加工设备的数 控系统，课题的主要研究内容为： 1 根据软件工程理论与异型石材加工设备特点，参考开放型数控系统的标准， 利用面向对象的思想构造石材异型加工设备数控系统的软、硬件体系结构， 搭建软件的主应用程序框架与界面。 2 丌发基于v c 的矢量图形编辑模块。能够进行基本的图元绘制、编辑，并能 够自动识别与存储图元的几何特征数据信息。 o 3 根据系统动态提永输入相应的加工工艺信息，计算机会自动采集不同图元数 扼特_ l i = 信息并u ! 别乓标识，进而生成相应数控代码。 4 创建基于o p e n g l 的三维模拟仿真环境，实现了对石材加工设备所需控制 功能的几何建模与运动控制，对系统生成的数控代码进行模拟检验，以检验 代码的诈确性。 1 4 本章小结 本章主要对数控技术的发展历程与趋势以及石材异型制品加工设备与技术 进行了概述，具体内容主要有： 1 介绍了数控技术与自动编程技术的发展历程与发展趋势，概述了开放式数控 系统的特点，构造了开放式数控系统的软件平台，为后续的软件结构设计以 及各功能模块的j r 发提供了一个参考性基准。 2 介绍了当前几种彳i 材异型制品加工设备与先进的加工技术，提出了本课题的 研究背景与主要研究内容。 第二章基于面向对象的异型石材 j n t 设备的需求分析与设计 本章根据面向对象的原理分析了面向对象特性在程序设计与数控软件开发 中的应用，在此基础上对三种常用的石材加工设备的运动控制进行需求分析， 进而确定了基于此三种设备的通用型石材加工设备的控制需求，并进行了相应 类的设计。 2 1 面向对象技术的设计思想及其在程序设计中的应用 传统的软件开发是面向过程的，采用的是结构化的程序设计方法，按功能 划分模块，逐步将给；芒问题领域中的具体任务细化为若干个子任务，定义成基 本功能模块，模块与模块之间通过数据进行联系【2 3 1 。但是，按功能开发的软件 系统，若需要修改调整时，涉及面很宽，很多程序代码需要重新实现，开发效 率低，软件的可维护性、可扩充性差，代码可重用性差。相反，面向对象的程 序设计其着眼点是数据而不是功能，其设计思路是从确定表征客观实体的对象 开始，建立对象之间的层次结构，确定反映对象状态的属性及旌加于这些属性 之上的操作，对象之间通过消息互相作用和联系，从而形成软件结构，这种方 式符合人们对客观世界的认识过程c 2 4 按此方法开发软件可克服传统软件的一 些缺陷。 面向对象采用了数据抽象技术，狸序对一个对象的数据访问，只能通过其 公共界面，而不允许直接操作其数据，这就意味着改变数据的内部表达而不影 响使用该数据的程序f 2 5 3 ，这主要是通过对数据的封装来实现。封装性强调的是 数据和代码的一致性，将表达对象状态的数据结构定义与对该数据施加的操作 封装在一起，对外仅提供必要的表现该对象特征的有关属性，而将该对象的具 体实现细节及内部联系隐藏起来，对对象的访问只能通过公共界面中提供的操 作函数来实现【2 6 j ( 2 7 l 。只要保证接口方式不变，内部实现可随意改动丽不会影响 1 2 使用数据的程序，这便保证了程序的安全可靠。当系统不f 常时，只能是对象 的操作函数出了问题，使程序容易维护。由于模块对外接口关系简单明确，减 少了模块问的耦合度，更易实现程序的模块化，提高了模块的可组合性年呵重 用性。本课题在对各个子功能模块的1 发设计中，在进行每个类的设计时，充 分利用了面向对象的封装、隐藏特性，将每个类的特有属性与数据成员提取并 封装隐藏起来，取得较好的编程效果。 继承性是面向对象技术不同于结构化设计的一个重要特点，是基类和派生 类之问共享数据和方法的机制 2 8 1o 利用继承性，在定义和实现一个类的时候， 可以在个已存在的基类的基础之上来进行，把这个已存在的类所定义的内容 作为自己的内容，并加入反映自身特征的新内容捌，实际上，继承性体现的是 对问题的差别进行编程的思想f 3 0 】。在分类结构的高层定义公共属性和操作，而 在低层只需针对特殊情况增添基类所没有的属性和操作，或者对基类的属性和 操作进行修改和重置。 本课题所开发的图形编辑模块，其中有关各图形绘制功能的开发，就是充 分利用面向对象继承性与封装性的一个典范。按照图形元素不同的功能与组成 关系，可将图形元素划分为直线类、圆类、样条曲线类、椭圆类和矩形类等。 首先对各个子类进行功能与属性分析，提取他们的共有属性与操作，作为各个 图元的基类，然后在此基础上，对各个类的具体功能与特有属性进行开发设计。 比如在设计中将圆类定义为基类的一个子类，它既可以继承基类的所有属性和 操作，再针对自身的特征，增添相应的属性和操作，得到圆类的定义，也可对 从基类继承来的属性和操作进行修改和重置，以适应自身的情况。在进行圆弧 类设计时，通过对圆类与圆弧类的特性分析，圆弧类不必再从公共基类中继承， 而直接从圆类继承即可。 随着类层次结构的扩展，类库逐渐丰富，类的共享范围不断扩大，使得系 统的开发不是从零开始，丽是尽量利用已研制成的类，继承其有用的部分，倾 力开发专用的新子类，这就可以显著地减少创建新类和新对象时的工作量，大 大简化了系统的开发工作，并能有效地节省存储空间f 3 2 j 。另外，继承性提高 了软件的可重用性，使得丌发的软件系统具有良好的开放性，新模块创建可以 通过继承已有模块并加以补充修改来实现；同时也提高了系统的可靠性，因为 通过继承改变模块属性：的同时并未影响原模块在系统中的作用。因此，利用 面向对象技术可高效便利地开发出一个开放型系统，这是结构化方法难以实现 的。在本课题的开发中，为适应频繁变化的石村加工市场的需要，满足不同石 材加工机械的控制要求，对软件的开放性提出较高的要求，而利用面性对象技 术完全可以满足系统对开放性的要求。 综上所述，对于复杂的软件开发设计，用传统的面向过程的结构化设计方 法来开发是困难的，而且系统存在很多的缺陷，诸如系统结构复杂，代码重用 性差，可靠性差，调试维护困难，开发效率低等。面向对象技术更符合求解问 题的过程，而且较传统设计方法更易于把个复杂问题分解为许多子问题，以 良性结构表达和实现设计问题，充分体现了软件重用技术【3 4 1 ，为开发一个开放 型的系统提供了优良的环境，避免了许多不必要的重复工作，从而大大提高了 丌发效率及系统的稳定性和可靠性。 2 2 异型石材加工设备控制需求的面向对象分析( 0 0 a ) 传统的数控系统大多采用封闭、专用的体系结构，开放性差，以w i n d o w s 操作系统为软件支持环境的开放式数控系统软件平台，提供了一个方便的二次 丌发环境，能供不同的数控系统灵活配置、使用，并提供一种标准风格的软件 界面【3 纠。因此，建立一种通用、模块化、开放式的软件界面，提高数控软件 的可重构能力与可重用性，成为现代软件开发的一项关键技术t 3 6 o 采用面向 对象的软件开发方法对数控软件进行分析，利用v c + + 开发用户界面，这种方 法是提高数控软件的可重用性、开放性的一个有效方法【3 7 1 。 下面对几种常用 的石材异型制品加 ：设备的加工特点与所需要的控制进行需求分析，明确其各 1 4 自的拧制功能需求，进而提取其共有属性，进行相应类的设计。 奉课题主要研究工作是实现对石材加工设备各运动轴的控制及其辅助功能 的控制，卜i 面对几种石材设备的加工运动特性进行需求分析，明确其控制要求， 进行n i 确的分类与设计，实现系统要求的既定控制功能。 办：数控机床的运动控制中，数控系统主要任务是完成对加工零件的运动轨 迹控制以及机床各开关量的控制 3 8 1 0 因而可以明确本课题的论域分析对象为工 件、刀具与相应的运动轴以及机床的各种开关量( 冷却液的开关、主动力轴的 开启、换刀及刀具补偿等) 。由于本课题所开发的是通用型、开放性的数控系统， 要求系统的适应性较强，能满足不同类型的石材加工设备的控制需要，因而论 域分析的对象也不是仅局限于某一种设备，而是分析、综合几种常用的加工设 备的控制需求，力求达到系统的通用性与开放性。 下面对几种石材加工设备轮域对象的运动控制进行分析 3 9 3 c 4 0 。 ( 1 ) s s c 系列数控石材金刚石串珠锯加工设备的控制需求分析 该设备的加工刀具为金刚石串珠绳，主要用于各种异型曲面加工以及大型板 材的切割。具体的机械结构示意图如图2 1 所示： l 一液压装置2 - - 主动轮3 电机4 减速机 5 一横粱6 从动轮7 一右导向轮8 - 一台车 9 - - 控制系统1 0 - 一立柱1 1 - 一左导向轮 图2 一】s s c 系列加一i 一设备的结构示意图 l5 其所需要的控制需求为： = 进给系统的控制要求： y 轴方向：加工刀具( 金刚石串珠绳) 的上下移动。 x 轴方向：工件的前后移动。 机床辅助控制功能要求：冷却液的开关、主动力轴的启动、停止等。 主传动系统的控制要求：c 轴：主轴带动串珠绳的旋转运动 此外，压在串珠绳上的左、右导向轮须有沿加工轨迹切线方向的运动进给控制。 其所要求的控制需求表格如表2 1 所示： 表2 1s s c 系列控制需求表格 矿刀具1 二件 x 轴前后运动 y 轴上下移动 c 轴刀具旋转 ( 2 ) s s q 系列数控石材曲面加工设备的控制需求分析 该设备主要用于任意曲率的内外曲面、花线等石材制品的加工。 其所要求的控制为： 主进给系统的控制要求： x 轴方向：加工刀；具的左右移动。 z 轴方向：加工刀具在拖板上的上下进给运动。 机床辅助控制功能要求：冷却液的开关、主动力轴的启动、停止。 j ：传动系统的控制要求：c 轴：主轴带动刀具的旋转运动 相应的控制需求表格如表2 2 所示： 1 6 表2 2s s q 系州控制需求表格 矿 ，j 乒it 件 x 轴左右移动 z 轴上下进给 c 轴旋转 ( 3 ) s s w 系列数控石材多功能加工设备的控制需求分析 该设备主要用于加工各种球体、柱座、锥体以及任意曲率的内外曲面板材。 其对运动的控制要求为： 主进给系统的控制要求： x 轴方向：加工刀具的左右移动。 z 轴方向：加工刀具的上下进给运动。 b 轴：工件的旋转避给运动 机床辅助控制功能要求：冷却液的丌关、辛动力轴的启动、停止。 主传动系统的控制要求：c 轴：主轴带动刀具的旋转运动 相应的控制需求表格如表2 3 所示： 表2 3s s w 系列控制需求表格 矿 刀具。l ：悄： x 轴左右移动 z 轴上f 移动 c 轴旋转 b 翱l旋转 通过对上述三种石材加工设备论域对象的控制需求分析，明确了各加工设 备的控制功能需求。现分析一下三种设备的控制需求表格，可以看出，三种设 备都是对其中的两轴有运动控制要求，对辅助功能控制与主传动系统控制具有 相类似的要求，只不过每种设备所要求控制的轴数、轴的种类或者刀具的加工 厅式方面有各自的要求。因此，可以把三种设备控制需求中三者共性的控制要 求提取出来，重新组成一个新类，而其它三种机械则以此新类为基类进行功能 属性继承。根据对上述加工设备的控制需求分析，基类的属性描述如下： ( 1 ) 主进给系统控制方面：在基类中建立能够对三坐标轴进行控制的函数， 具体需要那两轴联动控制，根据具体的加工类型进行选择。 ( 2 ) 辅助功能控制方面：建立对冷却液的开、关，主轴的启动与停止方面的 控制函数。 ( 3 )主传动系统方面：建立对主动力轴的控制函数。 具体的运动控制要求如表2 4 所示： 表2 4 共有属性设备的运动控制需求表格 、 刀具工件 xr u n yr u n zr u n br o t p 汀e cr o t p 口e 为了编程方便，均是假定刀具相对于工件的进给运动，在表2 4 中用r u n 表示对相应轴具有运动控制要求，表中的r o t a t e 表示对刀具的c 轴以及工件的 旋转有运动控制要求。通过对三种设备的控制需求进行分析，提取其共有的控 制属性，建立一比较通用的控制平台，具体需要那些坐标轴的联动控制，只需 根据具体的控制设备要求进行相应选取即可。下一步既可在此分析基础上进行 相关类的设计( o o d ) 。 2 3 异型石材加工设备控制需求的面向对象设计( o o d ) 通过对石材加工设备所需控制的需求分析，明确了各类型加工设备所需要 的控制功能要求，即可在此基础上进行类的设计，以程序语言方式来体现其控 制功能要求。 具体类的设计方法与步骤如下： 第一步：基类的属性与功能设计 分析每个子系统类的属性与功能需求，提取它们共有的功能属性与需求， 以此来设计各子系统的基类，根据表2 4 的共有控制属性描述，基类的具体设 计如下： c l a s s g e n e r a m a c h i n e ：p u b l i cc o b j e c t ： p u b l i c ：g e n e r a l m a c h i n e 0 ： g e n e r a l m a c h i n e0 ： b o o lx a x b o o ly a x b o o lz a x b o o lc r o b o ( lb r o p u b li c ：v o i do p e n p o w e r0 ： b o o lo p e n c ( 1 0 1w a t e r0 ： b o o lc l o s e c o o l w a t e r0 ： p u b i c ：v o i dc h a b u ) ： p r o t e c t e d ：b o o lmc o o l w a t e r ： b o o lm o p e n p o w e r ： b o o lm _ c h a b u ： b o o lm _ x ，m _ y ，m _ z ，m _ b 1 9 vvv) n n n ( ( u u u e e r r r t t s s s a a a a a a a u u u u u i t 十l r r r r r i 【 l i l v v v v v cllbl【 p b o o lmc ： r 天培类属性及对属性操作的说明： 构造函数g e n e r a m a t h in e ( ) 的主要功能是当创建此类的对象时，自动完成对所 建 象的【f ：确初始化；析构函数g e n e r a l m a c h in e 0 的主要功能是当对象消失 时，自动调用其来完成一些清理工作，比如来释放动态分配的存储空间等。这 是创建一个类是所必需的。 函数v ir t u a lb o o lx a x i s r u n 0 是提取了三个子类的共有控制功能需求， 用来完成x 轴的运动控制，v i r t u a l 在语法上将函数x a x i s r u n 0 定义为虚函 数，其目的是更好的实现类的继承性与多态性。定义为虚函数的意义是当在基 类 ，描述了该函数的功能，在子类中对函数的功能需求需重新定义时，而此时 在予类中定义的函数与基类中的函数虽然是继承关系，但不会相互影响，体现 了继承与发展的关系。至于该函数的调用问题，只要定义了不同类的对象，则 会e l 动调用相应类的函数，虽然具有相同的函数名，但可以实现不同的功能， 既一个函数多种形态，也就是函数的多态性。 下i 匝i 既是对不同类对象的成员函数的调用 定义一个s s q m a c h i n e 类的对象指针 s s q m a c h if i e * p s s q ： 定义一个g e n e r a i m a c h ir l e 类的对象指针 g e n e r a l m a c h i n e * p g e n e a l ： 调用的是子类机械s s q 的 p s s q 一 x a x is r u n 0 ； 调用的是基类的x 轴运动 p g e n e a l 一 x a x i s r u n 0 ： 舆它函数v i r t u a lb o o l 似的属性。 函数v o ido p e n p o w e r 0 、 x 函 轴运动函数 数 y a x i s r u n 0 与v i r t u a lb o o lz a x is r u n ( ) 等具有类 b o o lo p e n c o o l w a t e r0 、b o o lc l o s e c o o l w a t e r0 2 0 主要是完成机床辅助功能的控制，因这i 种类型的机械在辅助控制方面对主动 力轴的肩、停，冷却，k 的丌、关方面具有相似的控制要求，因而将其设计到基 类中，以供各f 类继承使用，而不必在各f l 类l ，重复定义。 函数v o i dc h a b u0 作用是实现软件系统对轴的的插补运动控制。因为控制 加1 的本质是将数控指令编译为对工件与刀具的相对位置控制，实质上是对相 应轴的控制，所以也将插补功能模块设计到基类中，各个子类只需通过自己定 义的对象指针即可完成对插补模块的调用。布尔变量m x ，m _ y ，m _ z 等用来表征 轴的运动控制状态。 第二步：子类的属性与功能设计 每个子类除了具有基类的共有属性外，还要根据实际的控制要求，加入自己 的特有功能属性与操作。以实现各个子系统类的功能控制。 现针对各具体加工机械的特有殊性与控制功能需求，将各子系统类的属性与需 求设计如下： s s o 系列石材加工机械类的声明，以o e n e n a l m a c h i n e 类为基类 c l a s ss s q m a o h i t i e ：p u b l i cg e n e r a l m a c h i n e 类的构造函数与析构函数 p u b l i c ：s s q m a c h i n e0 ： 、s s o m a c h i