可重构电火花线切割CAD/CAM系统的研究

    由可重构机床、可重构控制器和相应的系统设计与诊断技术所组成的可重构制造系统(reconfiguration manufacturing system，RMS)是面向21世纪的先进制造模式。信息平台的可重构能力是制造系统成功重构的关键因素之一，必须允许相关的CAD/CAM应用模块在信息系统中的“插入与拔出，因此，支持重构的模块化设计方法在CAD/CAM系统开发过程中尤为重要。本文结合可重构电火花线切割CAD/CAM系统的设计，对系统结构和相关技术进行研究。

1 可重构电火花线切割加工CAD/CAM系统结构

1.1 设计目标

    电火花线切割加工的CAD/CAM系统结构的设计目标是提高实际应用的可重构性和集成性，同时，作为一种典型的交互系统，效率也是一个重要目标。

    系统的可重构包括数据的可重构、功能的可重构及系统的可扩充性，良好的可重构取决于系统结构的优劣。系统的集成性是指通过一致的信息描述手段和处理机制将各功能子系统统一到同一个集成环境，集成性的好坏也基木取决于系统结构。系统的效率通常包括系统运行的效率和应用开发的效率，运行效率与系统运行时的时空复杂度有关，而应用开发效率指开发的难易程度和执行效率。效率大部分取决于系统模型，也与系统的具体实现有关。

    可重构的系统结构使得子功能部件的集成易于实现，同时也必然提高应用开发的效率；集成和高效反过来又有利于更好地达到可重构的目的。

1.2 系统结构

    软件必须不断修改错误，并随着软硬件技术的发展和新的需求而更新版本。当系统规模越来越大，参与修改的人越来越多时，管理工作就成了大问题。如果原有的软件体系结构无法与新技术相容，对一部分的修改就可能造成另一部分程序崩溃。一种可行的修改方法是打补丁，当局部更改越来越得不偿失时，就得考虑对系统进行重新构造。这种情况存在于现有电火花线切割加工CAD/CAM系统中。

    对于电火花线切割加工的CAD/CAM系统来说，出现上述情况与其特殊的工艺要求有关。电火花线切割加工使用运动的电极丝与工件放电产生的瞬时高温切割工件，其电极补偿与机械加工中的刀具偏补概念是不同的。随着加工范围的不断扩大，其造型方法，尤其针对锥度、上下异型加工等也需要不断改进，早期的CAD/CAM系统己经不能适应实际需求。另外，后置处理缺乏统一性，有些厂家生产的电火花线切割加工数控系统，其加工指令和译码处理只能对应专用的CAD/CAM系统，缺乏开放性等。因而迫切需要从电火花线切割加工的CAD/CAM系统的体系结构上寻求解决方案。

    图1为可重构CAD/CAM系统的典型结构。对此结构加以分析不难发现，系统总线和作为核心组件的面向对象的数据管理系统构成了该系统的核心，而应用组件(如CAD，CAM组件)通过软件代理连接到应用总线上。由于应用总线与系统总线相通，使核心组件与应用组件保持了很好的互操作性，同时，应用总线屏蔽了应用组件的一部分服务请求，减少了系统总线上的流量，从而提高了系统核心的效率。

    同时，在这种系统中，组件是一种封装良好的功能部件，对外具有一致的接口，组件间的通讯由总线统一代理，降低了组件之间的相互依赖性。软件开发者可以方便地定义和构建新的即插即用组件来扩充系统。以命令为例，如果想在系统现有命令组件的基础上增加新的命令组件，只要按照命令组件的既定接口规范定义其各个状态，插入系统，在面向对象的数据管理系统中，就会像执行内部命令一样自动执行。应用组件的增加尤为容易，如尺寸驱动，甚至可以在系统运行期间动态载入和卸载。系统模型中引入组件结构，大大增加了系统功能的可重构和可扩充性，针对不同CAD/CAM系统的工艺特点，这种系统结构总能满足其可重构要求。

图1 可重构CAD/CAM系统结构

    由于可重构的特点，对于可重构电火花线切割加工CAD/CAM系统而言，从一开始就可以使系统建立在较新的体系结构上，软件的更新和升级周期将大大缩短，这是系统开发后迅速占领市场的关键所在。

2 可重构电火花线切割加工CAD/CAM系统的软件开发技术

2.1 组件技术与ACIS平台

    组件技术与组件化几何平台是可重构电火花线切割加工CAD/ CAM系统的软件开发基础。组件是指应用系统中可以明确辨识的、具有一定功能的构成模块；可复用组件(Reusable Component)是指功能独立、可复用的组件。随着对软件复用理解的深入，组件的概念己不再局限于代码组件，而延伸到软件系统的需求、构架、文档、测试计划、测试案例和数据以及其它对开发活动有用的信息，组件技术己成为软件复用的基础。

    在组件化平台ACIS的体系结构内，ACIS是几何建模内核，可以比作发动机，它几乎是一切二维应用软件的基础，其性能自然倍受关注，其它的部件称为ACIS Husk，即ACIS软件组件，根据特定的应用领域开发，围绕ACIS发挥作用。最终用户可以将各种商品组件和自己的专有技术集成到ACIS框架内，这种混合和匹配软件组件的能力称为ACIS几何总线。其它开发商可以不受限制地开发组件，这也为可重构电火花线切割加工CAD/CAM系统的开发提供了便利。

2.2 组件模型实现的规范

    在可重构电火花线切割加工CAD/CAM系统中，为规范功能各异的组件，实现组装目的，需对组件模型加以描述。组件模型定义了组件的本质属性，规定了组件接口的结构以及组件与软件构架、组件与组件之间的交互机制，通常还提供创建和实现组件的指导原则。组件模型有很多种，其中3C模型是业界普遍认同的一个具有指导性作用的组件模型，该模型从概念、内容和环境二个不同方面来描述组件。

    目前制定组件模型实现规范的机构主要有OMG组织、Microsoft公司和SUN公司，相应的规范分别为公共对象请求代理体系结构(CoRBA)、组件对象模型(CoM及COM +)和Web服务规范(J2EE)。比较而言，CORBA是一种技术上具有先进性、在商业上具有可行性且独立于厂商的较成熟的软件互联规范，强调以接口定义语言(IDL)的形式实现对象内部细节的完整封装，从而降低了软件系统的复杂程度，增加了软件功能的可重用性。CORBA提供对应C++，Java，SmallTalk等高级语言的映射，很大程度地减小了对程序设计语言的依赖性，使软件开发人员可以在较大范围内共享己有成果，本系统即采用了这一规范。

2.3 组件的封装

    在明确面向对象的数据管理系统需要的服务之后，需要对系统内各组件进行封装，关键是对各组件之间共享或交换的数据进行对象建模，从而使系统能根据对象建模中所列的操作获得组件的服务。组件封装分为内封装和外封装。外封装主要负责将对象操作请求转换为函数调用，可通过接口定义语言编译实现，它的移植性很强。内封装则负责数据的存取和函数的调用，由于系统选用ACIS作为开发平台，针对CAD组件，其内封装方式主要包括API函数，C++类和DI函数。

    组件封装之后必须考虑程序的错误处理，以保证组件的正确运行。为了简化组件的设计，需要建立一个严格的组件接口描述格式，根据给定的组件接口说明，对该组件中每个操作的条件和结果进行跟踪。这样，可以在不涉及组件实现细节的情况下保证程序的可靠性。分页

3 可重构电火花线切割加工CAD/ CAM系统的设计

3.1 系统原型

    本系统原型是NH一TPS线切割自动编程系统和APES线切割CAD/CAM专家系统，前者采用了模块化设计方法，共包括二维图形编辑、文件编辑、后置处理、动态仿真、二维直纹曲而编程、数控程序传输和AutoCAD接口七大模块，该软件包采用了先进的轨迹合成算法，其运算效率和精度较高，是其核心技术之一。后者在前者的基础上进一步将人工智能技术引入到电火花线切割加工CAD/CAM系统中，建立了相应的专家系统，较全面地实现了基于知识的一维、锥度及上下异形线切割自动编程系统。以上系统缺乏组件化几何平台的支撑，虽然也使用了模块化设计方法，但均不具有可重构性，不能满足可重构制造系统的需求。

3.2 系统设计

    选用ACIS6.1作为组件化几何平台，定义了客户端、逻辑区和服务器端二层结构，在32位Windows操作系统上进行系统的开发。

    采用CORBA规范实现一系列功能代理，即通过对CAD和CAM系统功能(如二维图形输入，锥度、上下异形轨迹合成，数据接口、后置处理，动态仿真等)的封装及其组合而形成而向对象的功能实体，它的颗粒度可根据实际要求来确定(如将一维图形细分为基本绘图、标准曲线和标准件等部分)，见图2

图2 电火花线切割加工CAD/CAM系统主要功能代理

    在实际开发过程中，对己有轨迹合成算法进行封装，形成功能实体，通过后置处理组件的使用，满足锥度和上下异形的自动编程需要。目前己经初步完成了图形处理功能和后置处理功能的组件化设计。

    在电火花线切割加工的CAD/CAM系统中，加工工艺数据库和知识库等专家系统需要用户的不断完善，因此，专家系统知识的积累与推理必须用组件来实现动态重用和更新。这充分体现了系统可重构的思想，相关的研究工作正在进行之中。

    另外，由于采用了可重构系统结构，在设计阶段新增的参数化设计功能(如尺寸驱动等)可以在不改变软件设计结构的基础上实现渐进开发。

3.3 软件的标准化

    目前，企业在应用CAX各单项技术的基础上都在向集成化发展。在实现系统集成时，要解决大量异构或异地数据的共享与交换问题必须遵循统一的标准，这是可重构系统必须注意的问题。

    我国CAD通用技术规范基木是参照1S0标准建立的。系统在开发过程中，严格遵循上述标准，如计算机图形标准、CAD技术制图标准、产品数据技术标准、术语标准、CAD系统汉字标准、软件质量标准等。

4 结论

    可重构电火花线切割加工的CAD/CAM系统研究是适应可重构制造系统发展的必然趋势。围绕可重构的实现，本文对系统结构、软件开发技术等进行了分析；在可重构思想的指导下，以组件化模型结构和ACIS平台为基础，运用组件技术设计了电火花线切割加工CAD/CAM系统，该系统初步实现了如下设计要求：(1)可以对己有应用系统功能进行封装，实现组件化要求，保护前期成果；(2)支持组件动态重用、更新和渐进开发；( 3)由于采用组件化几何平台，开发周期明显缩短，系统扩充能力强大；(4)支持lnternet和lntranet的应用；(5)支持分布、异构的软硬件平台