虚拟数控机床动态建模技术研究

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【摘 要】本文通过对数控机床功能的结构分析，将机床功能结构模型细化，并结合面向对象技术可以将此模型转换为虚拟数控机床OB图模型，对机床整机进行机床组件参数和基本单元构件组合，最终建立虚拟数控机床模型。

【关键词】机床功能；描述；参数；对象

一、数控机床功能结构分析

尽管数控机床型号繁多，结构各异，几何形状千差万别，但从功能结构角度来开，数控机床的结构具有高度的一致性，即数控机床是以床身为基体，各数控轴按一定的装配关系装配在床身，在数控系统的驱动下完成各轴的运动关系，因此可以将数控机床看成一个具有两级大的装配结构的装配体。第一级装配层为整机层的装配，即完整的数控机床组件如床身、X轴、Z轴、工作台和机床附件组件（刀塔、刀具和夹具）按一定的装配关系构成，功能组件的多少由机床的联动轴数来决定。第二级装配层为组件层的装配，即各组件是由基本的单元构件如（方块、圆柱、扫描体、旋转体、旋转体、STL对象等）按一定的装配关系构成。通过建立一个具有统一格式的机床装配结构描述文件来表达机床的两级装配关系，便可以表达各种复杂的数控机床结构。

二、虚拟数控机床OB图模型

将机床功能结构模型细化，并结合面向对象技术可以将此模型转换为虚拟数控机床OB图模型，在OB图模型的基础上可以直接写出或自动生成对应对象的类定义的源代码。OB图是表达类对象间聚集和继承行为图，其中实心的半圆表示聚集，用An表示聚集度，空心的整圆表示继承，反映类对象间的继承关系。在虚拟数控机床OB图模型中，机床（Machine）由颜色表（ColorTable）、参数表（ParameterTable）和机床组件（Componet）构成，其中颜色表和参数表的聚集度为1，而机床组件的聚集度为n，表示一台机床有多个机床组件组成。在机床组件装配层，机床组件由组件参数表（ComponetParameter）和装配体（Assembly）构成，而一个装配体（Assembly）由多个单元构件（ElementBase）构成，其聚集度为n，为了统一表达装配体构成关系，单元构件（ElementBase）对象是一个基类，是具体的单元构件对象的父类，具体的单元构件对象包括：方块对象（Block）、圆柱对象（Cylinder）、圆锥对象（Cone）、Stl对象（StlObj）、扫描体对象（SweepObj）和旋转体对象（SorObj）等。

单元构件对象是构成机床组件的基本单元，各单元构件对象又有自身的内部结构，如原点、参数、颜色等，为了解决复杂外形机床组件的造型问题，通过Stl对象建立和商业三维造型软件（如Pro/E、Catia、UG等）的图形接口，即在三维造型软件设计好具体的机床组件，输出为标准的Stl文件格式，然后再通过Stl对象读取Stl文件，生成里机床组件的装配结构，这种方法提高了对虚拟数控机床建模的能力，借助商业三维造型软件，几乎可以建立任意复杂的数控机床模型。

三、机床整机装配结构

机床整机装配结构存储在一个结构描述文件中，结构描述文件的格式是根据数控机床OB图模型制定的，对于不同的结构的数控机床其描述文件的格式是一致的。机床建模解析引擎通过解析结构描述文件而生成具体的数控机床结构。与机床OB图模型对应，数控机床结构描述文件由四部分组成：文件头、颜色表、机床参数表和机床组件，由于机床组件的聚集度为n所以机床组件的描述有多个，结构描述文件采用纯文本的方式。

四、机床组件单元构件装配结构

机床组件的装配结构描述和机床结构类似，由机床组件参数和基本单元构件组成，由于单元构件的聚集度为n，在一个机床组件结构描述中有多个单元构件的描述。

机床组件参数表中包含：组件名称，元件运动类型、源点坐标、连接属性等，其中连接属性非常重要，因为通过连接属性来构成机床的树状装配关系。下面是一个描述实例是一台机床Y轴的组件参数表描述结构

其中单元构件的结构描述根据具体的单元结构的外形参数有自己的描述结构，相对应的描述结构实例如下：

五、结束语

采用动态建模技术使仿真加工软件在虚拟数控机床建模上具有很好的柔性，且造型方便扩展机床库方便快捷，如果提供一个虚拟数控机床建模工具，甚至可以让用户自己来建立机床模型。在实际建模中，只要根据实际机床的装配结构按以上的机床结构描述格式建立对应的机床结构描述文件，解析引擎便可以建立对应的机床模型，由于具有和商业三维造型软件的图形接口，使解析引擎可以生成更为复杂的机床模型。