一种液压机床图形化计算机辅助工艺设计系统研究

田文奇

（浙江交通职业技术学院 机电学院，浙江 杭州 311112）

数控机床在现代制造业中应用广泛，具有普通机床无法比拟的优势。数控机床较好的解决了复杂、精密、多变零件的加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。然而，从企业生产实践来看，在特定生产领域数控机床也存在着一些明显劣势，主要表现在：（1）费用昂贵，对加工大批量零件尤为不利；（2）对操作人员素质要求高；（3）系统复杂，维护成本高等。而普通液压机床具有成本低廉，操作简单，对操作人员的知识和技能要求低等特点，在简单产品的大规模生产，或者是特殊零件的专门化生产等场合，具有数控机床不可比拟的人工和成本等优势，得到广泛采用。然而另一方面，普通液压机床自动化程度低，工艺流程固化，不具备数控机床高度灵活性等特点，具有很大的局限性，若要改变一台普通液压机床加工零件的种类、规格、甚至个别工艺流程等大多时候是非常困难的[1]。

基于普通液压机床与数控机床优缺点的对比分析，从加工制造企业的实际需要出发，提出一种普通液压机床数字化控制改造方案，在此基础上创造性的重点研究一种液压机床加工工艺流程图形化计算机辅助设计系统，两者有机结合构成液压机床CAPP/CAM一体化集成系统。其主要意义在于：（1）提高普通液压机床的自动化程度和灵活性，使其能象数控机床一样通过配置编程加工不同种类、规格的零件；（2）克服数控机床编程维护复杂的缺点，提供一种图形化、简便形象的工艺流程设计手段；（3）成本低廉的完整解决方案。

1 液压机床数字化改造方案

为使普通液压机床具有可编程特性，首先需对机床进行电气化改造。基于普通液压机床工作特点，将所有机床状态、位置等信息规整为标准开关量信号，采用电磁阀等控制气动单元、液压单元执行机床动作。从而，将机床控制问题简化为对一序列开关量信号的处理问题，包括检测信号和控制信号。在此基础上，研发一款可采集和输出标准开关量信号，处理工艺流程的数字控制电路板（以下统称数控板），完成机床的数字化改造。数控板并不直接提供生成工艺流程的功能，只是根据预置的工艺流程数据执行相关动作，从而降低其复杂度。但是，固化的工艺流程会使机床失去灵活性，不能体现数字化控制的优势[2]。因此，数控板中预置的工艺流程数据必须可以简便的修改，这一功能由图形化计算机辅助工艺设计系统（以下统称图形化CAPP系统）来完成。

图形化CAPP系统将液压机床的开关量信号序列抽象为规范I/O对象，并增加定时、计数等内置对象，提供一种完全不同于数控机床G代码编程方式的、基于时间轴的流程图式的简易编程界面，从而使液压机床既具有类似数控机床的适应不同产品、工艺的可编程的特点，又不需要掌握复杂的数控编程技术，一线产业工人可快速上手；设计系统提供CAM接口，图形化设计结果可直接转化为数控板可解释执行的编码送往数控板用于机床加工控制。图形化计算机辅助工艺设计系统创造性的实现了一种价格低廉、可图形化编程、操作简便的液压机床升级改造或设计制造的解决方案[3]。

2 工艺流程算法模型

图形化CAPP系统的最基本目标是灵活、简便，既要使液压机床具备一个类似数控机床的可编程特性，又要足够简单方便，以降低成本和对操作人员的要求，在进行软件系统设计时必须充分考虑这一需求。在算法设计中，首先将机床实际工序、动作等抽象成不同的逻辑对象，然后再根据具体机床、加工零件的不同创建不同的对象供用户使用，并形成针对不同机床型号的配置文件[4]。

首先，将机床加工过程中的各要素抽象为状态、转换条件和元件三种不同的对象类别，其中元件又分为输入元件、输出元件和逻辑元件三种类别，见表1。

表1 系统组成要素

从表1可以看出，系统最基本的组成单元为元件，包括输入元件、输出元件和其它逻辑元件。输入元件为液压机床检测信号的映射，输出元件则为机床控制信号的映射，输入元件和输出元件合称I/O元件，与数控板上的输入点和输出点一一对应，即输入元件读取对应输入信号的值，输出元件则数控控制信号以指令液压机床工作。其它逻辑单元则包括定时元件、计数元件和中间元件等，中间元件指不直接对应数控板实际输入输出，内部的中间变量。所有元件的值只有1和0两种情况，但同时可以包含其它属性，如定时元件还具备设定值、当前值等属性。

转换条件为元件的复合体，可以包含I/O元件、定时和计数元件等。转换条件的值和元件一样，只有1和0两种情况，由元件间进行与、或、非逻辑运算而来。转换条件用于系统状态间的切换，例如若当前状态为快速进刀，碰到行程开关后机床切换为进给加工状态，则转换条件为行程开关信号有效（值为1）；若除行程开关外还需其它信号有效，则转换条件为两者值的逻辑与。定时和计数元件则用于状态转换条件为时间或计数的场合，例如一个状态维持若干时间后自动切换为下一状态。

状态对应着机床加工工序，分基本状态和复合状态。基本状态为一序列输出元件的组合，即通过输出信号控制机床各电磁阀正确得电和失电，完成一个工序。复合状态为子状态、转换条件的组合，也可理解为符合状态中又可以包含一个工作流程，即状态中的子状态可以象主处理流程中的状态一样根据转换条件进行切换，这样使系统具有足够的灵活性。

依据状态、转换条件、元件之间相互关联特点，系统算法采用采用递归组合模式（COMPOSITE模式），其对象结构如图1所示。

其中，为统一算法模型，基本元件可以进行逻辑取反操作，基本元件间相互关系可以为空（NOP）、逻辑与、逻辑或三种，而在基本状态中基本元件间相互关系固定为空（NOP）关系。状态理论上可以递归叠加，但在本例中将其限定为两级，以提高软件系统操作简便性。

3 图形化设计系统实现

3.1 对象与数据结构

根据工艺流程算法模型，将系统各要素抽象为三大类别对象，每个对象具有“值”及其它不同的属性。基本元件的属性构成见表2。

表2 基本元件的属性

对输入元件、输出元件来说，地址对应实际数控板中输入输出通道相应地址，对计时、计数和中间元件来说地址为一个唯一编号，以区分不同的元件。设置值与前值的目的为判断元件值的变化，得到其上升沿和下降沿。

对转换条件、状态这两类对象而言，除具备基本元件中的别名、地址（编号）、值、前值、描述等必备属性外，还具有基本元件或组合的子对象列表，从而形成递归组合的形式表达整个工艺流程的构成。

基于上述分析，系统采用双向链表结构来存储设计数据。首先创建一个抽象基类Node来表达所有对象的共有属性，如前向指针、后向指针、别名、地址、值、前值、描述以及视图系统所需的坐标信息等；定义所有抽象接口，如AddNode、DelNode、GetHead、GetTail、GetPrev、GetNext等对象添加删除及遍历操作[5]。

3.2 软件流程与实现

系统采用基于时间轴的流程图式界面设计，所有对象采用拖放的形式加以创建。首先，在视图中建立网格，得到一个易于检测计算的坐标系统，所有对象根据其坐标的不同分布于不同的网格中。从对象库中可拖放需要的对象到网格中，并建立相互关联。界面的基本结构形式如图2所示：

图中每个状态和条件可以单独进行编辑，复合状态的编辑以类似子程序编辑的方式呈现，即与主流程的编辑界面一致。系统提供了仿真运行功能，按照状态顺序扫描执行，并在界面中显示当前执行位置和基本元件的数据。

4 CAPP/CAM接口设计

在计算机图形化编辑环境中对液压机床工艺流程配置完成后，需转换为特定编码下载到数控板中实际执行。为使系统具有良好的兼容性和可扩展性，系统定义了一种文本格式中间代码，即系统在进行CAPP/CAM代码转换时经过图形系统、中间代码、执行代码三个环节。

首先，系统将图形数据转换为文本格式中间代码。在进行转换时按照工艺流程走向依次展开，在每个中间文件的头部有段代码表达元件名称和地址间的相互映射，即类似于可编程控制器（PLC）中的I/O分配表（分别用X、Y、T、C和M表示表2中的基本元件）；每个状态以Section开始，以End结束，碰到复合状态则以同样的方式进行递归展开；每个转换条件以Condition开始，以End结束；输出元件赋值以name：value形式表达，如Output1：1；转换条件中基本元件之间的关系以串并联的概念表达。基本的中间代码格式如下所示：

上例中的condition表达的逻辑关系为Input1和Input2进行逻辑或运算后，结果和Input3进行逻辑与运算。并联 Input1和Input2并联后与Input3串联，即先或操作后再与操作。

将图形数据转换为中间文件后，为减少代码体积，可见中间文件进一步进行编码，生成最终执行文件，下载到数控板中执行。且由于中间文件具体通用性，要使系统支持不同的CAM硬件系统（如不同的数控板），只需修改中间文件到执行代码的编码程序即可，使系统获得了良好的可扩展性。

5 结语

液压机床图形化CAPP系统提出了一种价格低廉的液压机床升级改造方案，实用价值高。从提高整体性考虑，还可以进一步精简优化CAPP系统的操作和数据模型，将其从计算机上移植到嵌入式设备，如人机界面系统中。另外，系统最后生成的执行代码除本文提出的编码方法外，也可直接加入单片机代码编译系统，即将中间代码编译成单片机可直接运行的二进制编码，从而实现编译运行而不是解释运行，以提高系统性能。

[1]关红.PLC在液压传动组合机床控制中的应用[J].物联网技术.2012,11：74-76.