陶建華，黎達(dá)成，吳庭筠，盧永焰

（廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

電力變壓器的主要組成部分有鐵芯、繞組、絕緣材料、外殼等，其中鐵芯是由不同形狀且片厚（0.23～0.35）mm的硅鋼片堆疊而成。硅鋼片在早期是通過單機手工產(chǎn)生或用機械定位的簡易生產(chǎn)線制造，使得勞動強度大，加工效率低，精度低，廢料多等缺點[1]。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了硅鋼片數(shù)控橫剪線。其中一種加工方式是利用CNC控制器實現(xiàn)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)靠鍵盤和顯示器輸入計算機，操作簡單。另外一種方式是利用PLC實行片形計算和控制，通過上位機進(jìn)行生產(chǎn)參數(shù)輸入并加工。以上兩種方式均需要手工編寫大量程序，存在修改困難，系統(tǒng)柔性差，開放性和重構(gòu)性差，不方便擴充，勞動強度大，效率低等缺點。利用“PC+運動控制卡”的開放式數(shù)控系統(tǒng)解決這些問題，利用計算機復(fù)雜算法編寫的能力，使加工策略更加豐富，免去各個片形的程序編寫，極大提高工作效率；同時提高系統(tǒng)的開放性、重構(gòu)性和柔性。

2 硅鋼片數(shù)控橫剪線的工作原理

如圖1（a）所示，硅鋼片橫剪線主要是由開卷機、送料機構(gòu)（包括送料、拉料輥）、機床部分、出料機構(gòu)和分理料機構(gòu)組成；每組送料輥都包括上下輥，氣動壓緊并通過反向運動送料；機床部分由不同加工類型的沖床和剪床組成。開始加工時需把放卷機送出一定長度硅鋼帶，置于送料輥之間，硅鋼帶在送料輥的轉(zhuǎn)動下向前送料并進(jìn)入機床部分，沖床在一定的限位范圍內(nèi)在線調(diào)整位置以適應(yīng)送料距離，此后在系統(tǒng)的控制下并按照加工策略沖剪出特定形狀和尺寸的片形，如圖1（b）所示。最后送到出料機構(gòu)將成品送出，分理料機構(gòu)負(fù)責(zé)把不同規(guī)格的硅鋼片分類、疊料[2]。

3 硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)運行原理

硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的運行原理，如圖2所示。上位機軟件可調(diào)用系統(tǒng)，它們之間通過動態(tài)鏈接庫互相通訊，以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令傳輸；另外通過動態(tài)鏈接庫給運動控制卡下達(dá)指令，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括需要監(jiān)控的外設(shè)狀態(tài)等；上位機軟件、系統(tǒng)和運動控制卡都由線程管理軟件來管理線程、程序調(diào)度等。運動控制卡與外部硬件也要進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令的交換，運動控制卡通過本地軸連接板與外部的伺服驅(qū)動器、伺服電機連接，由于運動控制卡自帶的本地軸主要用于送料輥送料和各機床的加工位置調(diào)整，因此需要使用編碼器模塊；除了本地軸以外，還需要控制機床的沖剪動作，因此需要用軸控模塊進(jìn)行軸的網(wǎng)絡(luò)擴展，連接外部伺服驅(qū)動和伺服電機，不同的是運動控制卡與本地軸連接板通過DB62針插座連接，而軸控模塊與運動控制卡通過工業(yè)網(wǎng)線連接[3]；另外通過工業(yè)網(wǎng)線，使用輸入輸出模塊來控制外部氣缸、開關(guān)等邏輯信號。

圖1 橫剪線和硅鋼片加工Fig.1 Process of Transverse Shear Line and Silicon Steel Sheet

圖2 運行原理圖Fig.2 Operating Principle of System

4 基于UML的硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)設(shè)計

4.1 UML理論

UML是統(tǒng)一建模語言，其作用是為開發(fā)面向?qū)ο蟮能浖峁┮惶子糜陉U述、設(shè)計、建立和編寫軟件密集系統(tǒng)的開放的、可視化的方法。它在表達(dá)面向?qū)ο筌浖男枨?、框架方面提供了強有力的手段。在表達(dá)軟件的功能和框架兩方面，UML提供了兩種模型，分別是設(shè)計用例模型和實體類模型[4]。組成設(shè)計用例模型有四大要素，參與者、用例、關(guān)系、系統(tǒng)邊界?；镜脑O(shè)計用例模型，如圖3所示。其中，人形圖標(biāo)表示參與者，橢圓形圖標(biāo)表示用例，中間的連線表示它們之間的關(guān)系。實體類模型是直接用來反映實體類之間聯(lián)系機制的模型，可以清晰地反映系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時類是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計中的重要組成部分，了解了類的關(guān)系和內(nèi)部機制就能知道類中信息的結(jié)構(gòu)。實體類模型由類、接口、類的內(nèi)部要素和它們之間的關(guān)系組成，基本的實體類模型，如圖4所示。

圖3 設(shè)計用例模型Fig.3 Design Use Case Model

圖4 實體類模型Fig.4 Entity Class Model

4.2 系統(tǒng)需求分析

在進(jìn)行系統(tǒng)的需求分析之前，需要了解該系統(tǒng)總體的使用流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體流程Fig.5 Overall Process System

表1 系統(tǒng)模塊功能分析Tab.1 Function Analysis of System Module

根據(jù)系統(tǒng)的使用流程，先從用戶的角度得出不同用戶的需求：（1）工人的步驟應(yīng)盡量少，因此工人需選擇已經(jīng)設(shè)計完成的硅鋼片或組合；并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行縮放、移動等；對于硅鋼片組合類型，應(yīng)能查看所有的片形，以確保正確；檢查無誤后，接收上位機軟件的指令進(jìn)行片形計算，轉(zhuǎn)化為用于加工的工藝數(shù)據(jù)。（2）技術(shù)人員擁有硅鋼片基本操作功能；能夠按照加工圖紙設(shè)計新的硅鋼片片形或者組合并編輯；必要情況下還要利用系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行片形仿真分析[5]；同時要確保與上位機軟件的通訊正常；能夠監(jiān)控和設(shè)置運動軸的有關(guān)數(shù)據(jù)，也能從上位機軟件上獲取數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)；還需處理系統(tǒng)的報錯和反饋。（3）管理人員可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)定硅鋼片生產(chǎn)計劃，對總體產(chǎn)量和各類硅鋼片片形的產(chǎn)量管理，方便補充某一種片形。在不同用戶需求分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)分模塊分析，簡化、整理需求，如表1所示。

4.3 系統(tǒng)用例分析

要建立用例圖，需要先確定系統(tǒng)的參與者，根據(jù)系統(tǒng)的使用流程和需求分析，確立系統(tǒng)的參與者有工人、技術(shù)員、管理者和上位機[6]，得出系統(tǒng)的用例圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)用例圖Fig.6 Use Case Model of System

4.4 系統(tǒng)設(shè)計類圖

系統(tǒng)類圖是系統(tǒng)設(shè)計階段的關(guān)鍵一環(huán)，是實現(xiàn)用例的邏輯解決方案。結(jié)合系統(tǒng)運行原理和用例圖，以硅鋼片加工用例為例，得到實現(xiàn)該用例所需要的設(shè)計類圖，如圖7所示。主要設(shè)計的類如下：（1）硅鋼片方面：特征坐標(biāo)類（Coordinate）；（2）運動軸方面：軸類（Axis）、軸數(shù)據(jù)類（AxisData）；（3）工藝方面：單步工藝類（Process），工藝組類（MyProcess）；（4）加工方面：規(guī)劃類（Planning），工步類（Step），加工狀態(tài)類（ProcessState），動作類（Action），伺服控制類（ServoControl），加工流程控制類（TaskControl）。

圖7 硅鋼片加工類圖Fig.7 Silicon Steel Sheet Processing Class Diagram

4.5 系統(tǒng)狀態(tài)分析

狀態(tài)圖主要用來描述對象、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的生命周期，通過狀態(tài)圖可以了解到一個對象所能達(dá)到的所有狀態(tài)以及對象收到的事件對對象的影響[8]。系統(tǒng)人機界面的狀態(tài)圖，如圖8所示。

從狀態(tài)圖中可知，當(dāng)無上位機運行信號時，可以進(jìn)入或退出系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)、通訊測試狀態(tài)、硅鋼片設(shè)計和修改狀態(tài)、硅鋼片片形文件管理狀態(tài)，但是當(dāng)成功接受上位機信號時，不允許進(jìn)入這些狀態(tài)。當(dāng)橫剪線運行過程中可以進(jìn)入或退出計劃管理和監(jiān)控狀態(tài)。采用狀態(tài)機方便實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)管理[9]。人機界面方便了對系統(tǒng)的配置，進(jìn)一步提高了硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的開放性。

圖8 人機界面狀態(tài)圖Fig.8 Man-Machine Interface State

4.6 系統(tǒng)序列圖

序列圖是描述對象如何交互，并且將重點放在消息序列上。系統(tǒng)中設(shè)計編輯的序列圖，如圖9所示。當(dāng)用戶用鼠標(biāo)選擇硅鋼片的特征時，通過CPoint類獲取當(dāng)前鼠標(biāo)的坐標(biāo)，返回給主界面，再判定特征類別從而發(fā)送窗口消息到ModifyDlg類供用戶修改數(shù)據(jù)，修改完成后發(fā)送數(shù)據(jù)到GroupSheets類進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，校驗無誤后就發(fā)送信息到Draw類進(jìn)行繪圖，最終通過主界面CScreenEditorDlg類進(jìn)行片形顯示的更新[10]。

圖9 設(shè)計編輯序列圖Fig.9 Sequence of Design and Edit

5 實例仿真與數(shù)據(jù)驗證

采用基于SolidWorks的片形仿真來驗證硅鋼片數(shù)控橫剪線加工策略可行性。兩剪三沖數(shù)控橫剪線的加工裝置具體為：第一剪加工裝置C1，第二剪加工裝置C2，沖V槽加工裝置V：橫向移動，第一沖圓孔裝置O1、第二沖圓孔裝置O2：縱向移動，兩個沖圓孔加工裝置刀具相同；設(shè)定以下機械參數(shù)進(jìn)行模擬。各軸零位：|OC2|=50、|OC1|=100、|OO2|=150、|OV|=200、|OO1|=250、|OSb|=300、|OSa|=120。沖圓孔裝置的正負(fù)限位：ON=-40，OP=40，沖V槽加工裝置的正負(fù)限位：VN=-20，VP=20。生產(chǎn)的片形以一組邊片和軛片作為例子，組片形并已標(biāo)注尺寸，假設(shè)生產(chǎn)2組，共4片硅鋼片，即邊片和軛片各2片，如圖10所示。運行兩剪三沖數(shù)控橫剪線自動利用得出的加工數(shù)據(jù)文件結(jié)合SolidWorks系統(tǒng)進(jìn)行片形仿真，片形仿真文件，如圖12所示。加工系統(tǒng)，得到的加工數(shù)據(jù)文件，如圖11所示。

圖10 示例片形組Fig.10 Example of Shapes

圖11 加工數(shù)據(jù)文件Fig.11 Process Data File

把加工裝置塊置于硅鋼帶后就充當(dāng)硅鋼片片形的基本特征，多個片形基本特征組成了整個硅鋼片片形；同時各個特征均有尺寸，仿真完成后，通過驗證尺寸可知片形正確無誤。仿真驗證的片形尺寸和形狀均無誤后，再次對系統(tǒng)輸出的加工數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的檢驗分析。以圖11所示的加工數(shù)據(jù)文件作為分析對象，把②區(qū)中兩個送料軸的送料距離合為ds，把③區(qū)中加工裝置的軸當(dāng)前位置轉(zhuǎn)化為加工裝置的軸位置，并把有動作的裝置列出，如表2所示。片形仿真文件，如圖12所示。

圖12 片形仿真文件Fig.12 Simulation File of Shape

表2 轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)Tab.2 Converted Data

從表中數(shù)據(jù)看出：（1）表中O1動作了5次，而O2動作了3次，它們之和剛好對應(yīng)圖10片形組的8個孔；通過該加工系統(tǒng)，待加工特征可以選擇能夠進(jìn)行該特征加工的加工裝置。（2）工步4中的第二沖圓孔裝置O2相對于工步3作了移動，但是O2沒有動作，只通過移動送料軸來實現(xiàn)O1、C2的動作，因此當(dāng)前工步雖然是空移動，但卻可以移動到第5步的O2的軸位置，即提前移動到35，實現(xiàn)了O2提前移動優(yōu)化。（3）工步6中O1從-40移動至工步7的-15，工步7中O1相對于工步6沒有動作，是因為O1提前移動了部分距離，假如從-10移動到工步8的O1位置40，需要移動80的距離，但比當(dāng)前工步7中送料軸移動的距離25還要大，由于送料軸送料和加工裝置移動是并發(fā)的，勢必會造成送料軸等待加工裝置移動到位，因此，加工裝置移動的距離最多跟送料軸一樣為25，故工步7中O1的軸位置為-15，實現(xiàn)了O1提前移動優(yōu)化。（4）加工2組的“邊片+軛片”需要9個工步，而原來一個工步加工一個特征的加工方法需要16個工步，減少7個工步；加工效率得到了大大的提升。

6 結(jié)語

通過橫剪線的工作原理、加工系統(tǒng)的運行原理，分析了系統(tǒng)的功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)模塊之間的關(guān)系和系統(tǒng)的控制流程。在硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)的分析、設(shè)計、測試過程中引入UML技術(shù)，為實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性、重構(gòu)性和柔性提供了有力支持，提高了數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)開發(fā)的效率。最后以加工邊片和軛片的片形組合為例子，采用SolidWorks的參數(shù)化功能對兩剪三沖數(shù)控橫剪線自動加工系統(tǒng)生成的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行片形仿真，得出正確片形，并驗證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和加工策略的可行性，以及加工的高效性，證明了基于UML所建的硅鋼片數(shù)控橫剪線加工系統(tǒng)模型體系的合理性，達(dá)到了建模的目的和效果。