液壓機床計算機輔助工藝研究
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為使普通液壓機床具有可編程特性，首先需對機床進行電氣化改造。基于普通液壓機床工作特點，將所有機床狀態(tài)、位置等信息規(guī)整為標準開關量信號，采用電磁閥等控制氣動單元、液壓單元執(zhí)行機床動作。從而，將機床控制問題簡化為對一序列開關量信號的處理問題，包括檢測信號和控制信號。在此基礎上，研發(fā)一款可采集和輸出標準開關量信號，處理工藝流程的數(shù)字控制電路板（以下統(tǒng)稱數(shù)控板），完成機床的數(shù)字化改造。數(shù)控板并不直接提供生成工藝流程的功能，只是根據(jù)預置的工藝流程數(shù)據(jù)執(zhí)行相關動作，從而降低其復雜度。但是，固化的工藝流程會使機床失去靈活性，不能體現(xiàn)數(shù)字化控制的優(yōu)勢[2]。因此，數(shù)控板中預置的工藝流程數(shù)據(jù)必須可以簡便的修改，這一功能由圖形化計算機輔助工藝設計系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱圖形化CAPP系統(tǒng)）來完成。圖形化CAPP系統(tǒng)將液壓機床的開關量信號序列抽象為規(guī)范I/O對象，并增加定時、計數(shù)等內置對象，提供一種完全不同于數(shù)控機床G代碼編程方式的、基于時間軸的流程圖式的簡易編程界面，從而使液壓機床既具有類似數(shù)控機床的適應不同產品、工藝的可編程的特點，又不需要掌握復雜的數(shù)控編程技術，一線產業(yè)工人可快速上手；設計系統(tǒng)提供CAM接口，圖形化設計結果可直接轉化為數(shù)控板可解釋執(zhí)行的編碼送往數(shù)控板用于機床加工控制。圖形化計算機輔助工藝設計系統(tǒng)創(chuàng)造性的實現(xiàn)了一種價格低廉、可圖形化編程、操作簡便的液壓機床升級改造或設計制造的解決方案[3]。
2工藝流程算法模型圖形化
CAPP系統(tǒng)的最基本目標是靈活、簡便，既要使液壓機床具備一個類似數(shù)控機床的可編程特性，又要足夠簡單方便，以降低成本和對操作人員的要求，在進行軟件系統(tǒng)設計時必須充分考慮這一需求。在算法設計中，首先將機床實際工序、動作等抽象成不同的邏輯對象，然后再根據(jù)具體機床、加工零件的不同創(chuàng)建不同的對象供用戶使用，并形成針對不同機床型號的配置文件[4]。首先，將機床加工過程中的各要素抽象為狀態(tài)、轉換條件和元件三種不同的對象類別，其中元件又分為輸入元件、輸出元件和邏輯元件三種類別。系統(tǒng)最基本的組成單元為元件，包括輸入元件、輸出元件和其它邏輯元件。輸入元件為液壓機床檢測信號的映射，輸出元件則為機床控制信號的映射，輸入元件和輸出元件合稱I/O元件，與數(shù)控板上的輸入點和輸出點一一對應，即輸入元件讀取對應輸入信號的值，輸出元件則數(shù)控控制信號以指令液壓機床工作。其它邏輯單元則包括定時元件、計數(shù)元件和中間元件等，中間元件指不直接對應數(shù)控板實際輸入輸出，內部的中間變量。所有元件的值只有1和0兩種情況，但同時可以包含其它屬性，如定時元件還具備設定值、當前值等屬性。轉換條件為元件的復合體，可以包含I/O元件、定時和計數(shù)元件等。轉換條件的值和元件一樣，只有1和0兩種情況，由元件間進行與、或、非邏輯運算而來。轉換條件用于系統(tǒng)狀態(tài)間的切換，例如若當前狀態(tài)為快速進刀，碰到行程開關后機床切換為進給加工狀態(tài)，則轉換條件為行程開關信號有效（值為1）；若除行程開關外還需其它信號有效，則轉換條件為兩者值的邏輯與。定時和計數(shù)元件則用于狀態(tài)轉換條件為時間或計數(shù)的場合，例如一個狀態(tài)維持若干時間后自動切換為下一狀態(tài)。狀態(tài)對應著機床加工工序，分基本狀態(tài)和復合狀態(tài)。基本狀態(tài)為一序列輸出元件的組合，即通過輸出信號控制機床各電磁閥正確得電和失電，完成一個工序。復合狀態(tài)為子狀態(tài)、轉換條件的組合，也可理解為符合狀態(tài)中又可以包含一個工作流程，即狀態(tài)中的子狀態(tài)可以象主處理流程中的狀態(tài)一樣根據(jù)轉換條件進行切換，這樣使系統(tǒng)具有足夠的靈活性。依據(jù)狀態(tài)、轉換條件、元件之間相互關聯(lián)特點，系統(tǒng)算法采用采用遞歸組合模式（COMPOSITE模式）。其中，為統(tǒng)一算法模型，基本元件可以進行邏輯取反操作，基本元件間相互關系可以為空（NOP）、邏輯與、邏輯或三種，而在基本狀態(tài)中基本元件間相互關系固定為空（NOP）關系。狀態(tài)理論上可以遞歸疊加，但在本例中將其限定為兩級，以提高軟件系統(tǒng)操作簡便性。
3圖形化設計系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1對象與數(shù)據(jù)結構根據(jù)工藝流程算法模型，將系統(tǒng)各要素抽象為三大類別對象，每個對象具有“值”及其它不同的屬性。對輸入元件、輸出元件來說，地址對應實際數(shù)控板中輸入輸出通道相應地址，對計時、計數(shù)和中間元件來說地址為一個唯一編號，以區(qū)分不同的元件。設置值與前值的目的為判斷元件值的變化，得到其上升沿和下降沿。對轉換條件、狀態(tài)這兩類對象而言，除具備基本元件中的別名、地址（編號）、值、前值、描述等必備屬性外，還具有基本元件或組合的子對象列表，從而形成遞歸組合的形式表達整個工藝流程的構成。基于上述分析，系統(tǒng)采用雙向鏈表結構來存儲設計數(shù)據(jù)。首先創(chuàng)建一個抽象基類Node來表達所有對象的共有屬性，如前向指針、后向指針、別名、地址、值、前值、描述以及視圖系統(tǒng)所需的坐標信息等；定義所有抽象接口，如AddNode、DelNode、GetHead、GetTail、GetPrev、GetNext等對象添加刪除及遍歷操作[5]。
3.2軟件流程與實現(xiàn)系統(tǒng)采用基于時間軸的流程圖式界面設計，所有對象采用拖放的形式加以創(chuàng)建。首先，在視圖中建立網(wǎng)格，得到一個易于檢測計算的坐標系統(tǒng)，所有對象根據(jù)其坐標的不同分布于不同的網(wǎng)格中。從對象庫中可拖放需要的對象到網(wǎng)格中，并建立相互關聯(lián)。
4CAPP/CAM接口設計
在計算機圖形化編輯環(huán)境中對液壓機床工藝流程配置完成后，需轉換為特定編碼下載到數(shù)控板中實際執(zhí)行。為使系統(tǒng)具有良好的兼容性和可擴展性，系統(tǒng)定義了一種文本格式中間代碼，即系統(tǒng)在進行CAPP/CAM代碼轉換時經(jīng)過圖形系統(tǒng)、中間代碼、執(zhí)行代碼三個環(huán)節(jié)。首先，系統(tǒng)將圖形數(shù)據(jù)轉換為文本格式中間代碼。在進行轉換時按照工藝流程走向依次展開，在每個中間文件的頭部有段代碼表達元件名稱和地址間的相互映射，即類似于可編程控制器（PLC）中的I/O分配表（分別用X、Y、T、C和M表示表2中的基本元件）；每個狀態(tài)以Section開始，以End結束，碰到復合狀態(tài)則以同樣的方式進行遞歸展開；每個轉換條件以Condition開始，以End結束；輸出元件賦值以name:value形式表達，如Output1:1；轉換條件中基本元件之間的關系以串并聯(lián)的概念表達。
5結語
液壓機床圖形化CAPP系統(tǒng)提出了一種價格低廉的液壓機床升級改造方案，實用價值高。從提高整體性考慮，還可以進一步精簡優(yōu)化CAPP系統(tǒng)的操作和數(shù)據(jù)模型，將其從計算機上移植到嵌入式設備，如人機界面系統(tǒng)中。另外，系統(tǒng)最后生成的執(zhí)行代碼除本文提出的編碼方法外，也可直接加入單片機代碼編譯系統(tǒng)，即將中間代碼編譯成單片機可直接運行的二進制編碼，從而實現(xiàn)編譯運行而不是解釋運行，以提高系統(tǒng)性能。
作者：田文奇單位：浙江交通職業(yè)技術學院
