□ 楊 振 □ 樊瑜瑾 □ 周 巍 □ 鄭淮河

1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650500

2.昆明昆開(kāi)專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司 昆明 650106

基于UML的母線沖壓機(jī)床需求分析與建模

□ 楊 振1□ 樊瑜瑾1□ 周 巍1□ 鄭淮河2

1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650500

2.昆明昆開(kāi)專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司 昆明 650106

統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強(qiáng)大的圖形化建模語(yǔ)言，它的目標(biāo)是以面向?qū)ο蟮姆绞絹?lái)描述任何類型的系統(tǒng)。由于它得到Rational Rose等Case軟件的支持，不但用于建立軟件系統(tǒng)的模型，還可以用于描述非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，如機(jī)械系統(tǒng)、企業(yè)機(jī)構(gòu)或業(yè)務(wù)過(guò)程等?；赨ML，以昆明昆開(kāi)專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司研發(fā)的數(shù)控母線沖壓機(jī)床的設(shè)計(jì)要求為對(duì)象，對(duì)數(shù)控母線機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)其進(jìn)行需求分析，以利于機(jī)床的后續(xù)研發(fā)。

UML 建模 Rational Rose 母線沖壓機(jī)床

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)各行各業(yè)都提出了更高的技術(shù)要求，這對(duì)電器控制柜行業(yè)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。由于母線主要用于高危的電力行業(yè)，如質(zhì)量得不到保證，將會(huì)導(dǎo)致漏電，甚至引發(fā)火災(zāi)，嚴(yán)重威脅到人類的生命及財(cái)產(chǎn)安全。目前傳統(tǒng)的母線加工設(shè)備已很難滿足社會(huì)發(fā)展的需求，國(guó)外的母線加工設(shè)備雖然加工精度及設(shè)備質(zhì)量本身相比國(guó)內(nèi)要好，但其價(jià)格也非常昂貴，所以有必要研發(fā)一種能夠滿足我國(guó)生產(chǎn)加工要求的母線加工設(shè)備。國(guó)內(nèi)已有許多公司獨(dú)立或?qū)で蟾咝：献鲗?duì)母線沖壓機(jī)床進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將需求分析作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工作，對(duì)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程有著重要的影響。統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML是始于1997年的一個(gè)OMG（對(duì)象管理組織）標(biāo)準(zhǔn)，它不僅統(tǒng)一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法，而且對(duì)其作了進(jìn)一步的拓展，并最終成為被大眾所接受的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。UML作為一種面向?qū)ο蟮膱D形建模語(yǔ)言，能夠直觀簡(jiǎn)潔地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，可以對(duì)任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，它從不同的角度出發(fā)，分別定義了用例圖、類圖、狀態(tài)圖、時(shí)序圖等，通過(guò)這些圖的可視化描述及相互之間有效地結(jié)合，可以為系統(tǒng)建立一個(gè)易于理解的現(xiàn)實(shí)模型，即系統(tǒng)的需求分析。筆者以昆明昆開(kāi)專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司研發(fā)的數(shù)控母線沖壓機(jī)床為對(duì)象，以統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML為工具，運(yùn)用IBM公司的Rational Rose軟件對(duì)數(shù)控母線沖壓機(jī)床進(jìn)行需求分析建模。

1 UML建模流程

UML是一種面向?qū)ο蟮目梢暬瘶?biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，采用圖形符號(hào)來(lái)表示系統(tǒng)中的對(duì)象和關(guān)系，從不同的角度描述待開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它為開(kāi)發(fā)人員更好地理解系統(tǒng)的組成以及工作狀態(tài)提供了有效的交流方式。一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有功能、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為所組成，因此，要建立一個(gè)系統(tǒng)模型主要需要以下3類模型。

（1）功能模型。從用戶的角度描述系統(tǒng)的功能，即系統(tǒng)應(yīng)該做什么，功能模型用例圖來(lái)表示。

（2）靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型。描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，要在功能模型中表達(dá)功能由誰(shuí)來(lái)完成，主要表示類與類之間的關(guān)系，用類圖來(lái)表示。

（3）動(dòng)態(tài)模型。描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，即功能如何完成，什么時(shí)間完成，包括對(duì)象的事件序列、狀態(tài)和操作等，主要用狀態(tài)圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖來(lái)表示。

功能模型是系統(tǒng)的核心，建模流程是：首先從功能需求出發(fā)，建立系統(tǒng)功能模型；其次建立系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型；然后將系統(tǒng)要完成的功能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分配，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。

上述3類模型既有各自不同的特點(diǎn)，又相互存在著內(nèi)在的聯(lián)系。用上述3類模型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行描述，能使機(jī)床研發(fā)人員在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)母線沖壓機(jī)床的功能、硬件結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。圖1為系統(tǒng)建模流程圖。

▲圖1 系統(tǒng)建模流程圖

2 功能分析

功能分析即用來(lái)描述系統(tǒng)的外部功能，UML為用

戶提供了用例圖描述系統(tǒng)的外部功能。用例圖與傳統(tǒng)文字性的分析說(shuō)明相比較，具有直觀、規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，是面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)中進(jìn)行功能分析的一種有效手段。用例圖是向外界用戶展示系統(tǒng)的功能，通常應(yīng)先找出外界參與者與子系統(tǒng)的關(guān)系。

該系統(tǒng)的用例圖如圖2所示，從圖中可以看出，該母線沖壓機(jī)床分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別是送料子系統(tǒng)、出料子系統(tǒng)、沖剪子系統(tǒng)和折彎子系統(tǒng)。送料和出料工序是由伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；沖剪和折彎工序是由液壓缸驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的，其動(dòng)力來(lái)自液壓系統(tǒng)。將參與者分為操作人員和維修人員，操作人員對(duì)4個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行操作，維修人員對(duì)4個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行維修。從圖2還可以清晰地看出，沖壓機(jī)床對(duì)于外界操作者所具有的功能，它是以一種可視化的方式來(lái)幫助開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)了解系統(tǒng)的功能需求。

▲圖2 用例圖

3 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

對(duì)任何一個(gè)系統(tǒng)建模，對(duì)其靜態(tài)結(jié)構(gòu)的分析是必不可少的。在UML圖形建模語(yǔ)言中，用類圖去描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，它是根據(jù)系統(tǒng)中的類以及各個(gè)類之間的關(guān)系來(lái)描述系統(tǒng)的靜態(tài)視圖，可以使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員快速了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該沖壓機(jī)床的類圖如圖3所示。

該類圖是從沖壓機(jī)床的整體類與部分類之間的聚合關(guān)系來(lái)描述沖壓機(jī)床的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，從圖3可以看出，沖壓機(jī)床系統(tǒng)由折彎裝置、沖剪裝置、送料裝置、出料裝置以及PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，折彎裝置和沖剪裝置由液壓缸和模具構(gòu)成，液壓缸的動(dòng)力來(lái)自液壓系統(tǒng)，模具是由凸模和凹模構(gòu)成，送料裝置和出料裝置由機(jī)械手和伺服電機(jī)組成。整個(gè)圖由部分類指向整體類，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述十分清晰。

▲圖3 類圖

4 動(dòng)態(tài)行為分析

任何系統(tǒng)都具有動(dòng)態(tài)行為，因此，僅描述系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)并不能將系統(tǒng)完整地表達(dá)出來(lái)。UML提供了狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、時(shí)序圖以及協(xié)作圖用來(lái)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為，筆者選取狀態(tài)圖、時(shí)序圖以及協(xié)作圖。狀態(tài)圖是展示狀態(tài)與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖，它通過(guò)建立對(duì)象的生存周期模型來(lái)描述對(duì)象是隨時(shí)間和事件變化的動(dòng)態(tài)行為。在UML中，一個(gè)狀態(tài)圖依附于一個(gè)類的實(shí)例（對(duì)象），狀態(tài)圖包含了一個(gè)類的對(duì)象在其生命期間所有狀態(tài)的序列以及對(duì)象對(duì)接收到的事件所產(chǎn)生的反應(yīng)，它是用來(lái)描述系統(tǒng)當(dāng)中某一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)與狀態(tài)之間的控制流，狀態(tài)圖由狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、事件、活動(dòng)和動(dòng)作5部分組成。沖壓機(jī)床系統(tǒng)中的送料機(jī)械手在送料過(guò)程中的狀態(tài)變化如圖4所示。

▲圖4 狀態(tài)圖

送料機(jī)械手在初始狀態(tài)時(shí)是松開(kāi)的，此時(shí)電磁閥失電，通過(guò)PLC控制裝置發(fā)出的指令與機(jī)械手的光電編碼器（該系統(tǒng)位置傳感器采用光電編碼器）反饋的信息比較后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取料位置；電磁閥得電，機(jī)械手完成夾料動(dòng)作；夾料后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置，電磁閥失電，機(jī)械手松開(kāi)，完成卸料動(dòng)作。通過(guò)整個(gè)狀態(tài)圖的描述，反映出送料機(jī)械手在整個(gè)送料過(guò)程中自身狀態(tài)的變化過(guò)程。

狀態(tài)圖只表達(dá)了系統(tǒng)中單個(gè)對(duì)象在響應(yīng)時(shí)間和事件過(guò)程中對(duì)自身狀態(tài)做出的改變，但是在機(jī)床系統(tǒng)整個(gè)工作過(guò)程中，各部分的交互存在于整個(gè)工作周期，所以，還需要描述系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)對(duì)象之間的交互過(guò)程，UML用時(shí)序圖和協(xié)作圖來(lái)描述對(duì)象間的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程。在UML中，時(shí)序圖將交互關(guān)系表示為二維圖，該數(shù)控沖壓機(jī)床的時(shí)序交互關(guān)系如圖5所示，縱軸是生命線，生命線代表時(shí)間，用一條向下延伸的虛線表示。生命線上的矩形表示激活，矩形長(zhǎng)度表示對(duì)象被激活的時(shí)間長(zhǎng)短，激活表示該對(duì)象被占用以完成某個(gè)任務(wù)。橫軸代表了在交互過(guò)程中的對(duì)象。

從圖5中可以看出，機(jī)床各對(duì)象的功能、完成此功

能系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及完成此功能時(shí)間上的相互關(guān)系。當(dāng)操作人員發(fā)送對(duì)母線加工的指令后，PLC開(kāi)始工作，將信息發(fā)送至送料裝置、沖剪裝置、折彎裝置、出料裝置，以上裝置完成工作任務(wù)后再將信息反饋到PLC。至此，整個(gè)加工過(guò)程完成。

雖然在UML中的協(xié)作圖和時(shí)序圖一樣，都是用來(lái)描述對(duì)象之間的交互過(guò)程，并且兩種圖形可以進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換，但是兩種圖形所描述的側(cè)重點(diǎn)還是有差異的。時(shí)序圖主要用來(lái)強(qiáng)調(diào)整個(gè)交互過(guò)程中的時(shí)間順序，而協(xié)作圖則主要強(qiáng)調(diào)交互過(guò)程中的信息。為了在協(xié)作圖中也能夠表達(dá)出交互順序，人們常在信息前面加上序號(hào)，如圖6所示的協(xié)作圖。

▲圖5 時(shí)序圖

▲圖6 協(xié)作圖

5 結(jié)論

UML作為一種圖形化建模語(yǔ)言，雖然其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是軟件開(kāi)發(fā)，但它的建模范圍卻十分寬泛。筆者借助于UML提供的可視化建模功能，將其應(yīng)用于母線沖壓機(jī)床的研發(fā)中，分別用UML提供的用例圖、類圖、狀態(tài)圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖建立了機(jī)床的功能模型、靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型以及動(dòng)態(tài)行為模型。通過(guò)對(duì)沖壓機(jī)床不同側(cè)面的描述來(lái)完成系統(tǒng)的需求分析，使研發(fā)人員能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)床的功能、結(jié)構(gòu)到行為有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)。這不僅對(duì)研發(fā)人員有積極的指導(dǎo)作用，更是為后續(xù)的研發(fā)工作做好準(zhǔn)備，提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)過(guò)程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，為整個(gè)研發(fā)過(guò)程降低了勞動(dòng)成本。也希望能夠通過(guò)本文能夠使讀者對(duì)UML有一個(gè)更加全面的了解，充分發(fā)揮其圖形化語(yǔ)言的特點(diǎn)，并應(yīng)用到不同領(lǐng)域的建模工作中。

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［3］邱郁惠.UML那些事兒［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］龍克濱.UML應(yīng)用建模實(shí)踐過(guò)程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］邵維忠，蔣嚴(yán)冰，麻志毅.UML現(xiàn)存問(wèn)題和發(fā)展道路［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2003（4）：509-516.

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［7］周巍，樊瑜瑾，王為達(dá)，等.基于PLC的數(shù)控母線沖壓機(jī)床控制系統(tǒng)研究［J］.新技術(shù)新工藝，2014（11）：12-14.

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［9］張龍祥.UML與系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2001.

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（編輯 美 華）

中亞機(jī)床公司成功研制大型高端數(shù)控折彎?rùn)C(jī)

近日，馬鞍山市中亞機(jī)床有限公司與合肥工業(yè)大學(xué)共同研制的6 400 t/20 m大型折彎?rùn)C(jī)在博望區(qū)成功下線，成為安徽省雙機(jī)最大噸位的折彎?rùn)C(jī)，填補(bǔ)了安徽省在該噸位領(lǐng)域里的空白。該機(jī)采用電液伺服數(shù)控系統(tǒng)，一次試車成功，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

中亞機(jī)床公司是生產(chǎn)折彎?rùn)C(jī)、卷板機(jī)的專業(yè)廠，多年來(lái)，在許齊寶董事長(zhǎng)為首的領(lǐng)導(dǎo)班子帶領(lǐng)下，致力于技術(shù)創(chuàng)新和自主研發(fā)；同時(shí)，公司善于與高?？蒲性核?lián)合，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品升級(jí)。公司在“十二五”期間進(jìn)行技術(shù)改造，建有高大廠房，購(gòu)置先進(jìn)設(shè)備，為發(fā)展大型高端機(jī)床創(chuàng)造了條件。

此項(xiàng)產(chǎn)品為山東晟合交通電力公司供貨，用戶表示滿意，也為中亞機(jī)床公司進(jìn)軍大型高端機(jī)床開(kāi)辟了新路。

（徐斌）

TH312

A

1000-4998（2015）09-0029-03

2015年4月