基于UML的母線沖壓機床需求分析與建模

□ 楊 振 □ 樊瑜瑾 □ 周 巍 □ 鄭淮河

1.昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院 昆明 650500

2.昆明昆開專用數(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) 機電工程學(xué)院 昆明 650500

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

統(tǒng)一建模語言UML是一種定義良好、易于表達(dá)、功能強大的圖形化建模語言，它的目標(biāo)是以面向?qū)ο蟮姆绞絹砻枋鋈魏晤愋偷南到y(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)，如機械系統(tǒng)、企業(yè)機構(gòu)或業(yè)務(wù)過程等。基于UML，以昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司研發(fā)的數(shù)控母線沖壓機床的設(shè)計要求為對象，對數(shù)控母線機床系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行需求分析，以利于機床的后續(xù)研發(fā)。

UML 建模 Rational Rose 母線沖壓機床

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對各行各業(yè)都提出了更高的技術(shù)要求，這對電器控制柜行業(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產(chǎn)安全。目前傳統(tǒng)的母線加工設(shè)備已很難滿足社會發(fā)展的需求，國外的母線加工設(shè)備雖然加工精度及設(shè)備質(zhì)量本身相比國內(nèi)要好，但其價格也非常昂貴，所以有必要研發(fā)一種能夠滿足我國生產(chǎn)加工要求的母線加工設(shè)備。國內(nèi)已有許多公司獨立或?qū)で蟾咝：献鲗δ妇€沖壓機床進(jìn)行開發(fā)，將需求分析作為系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)工作，對整個開發(fā)過程有著重要的影響。統(tǒng)一建模語言UML是始于1997年的一個OMG（對象管理組織）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)建模語言。UML作為一種面向?qū)ο蟮膱D形建模語言，能夠直觀簡潔地對系統(tǒng)進(jìn)行描述，可以對任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(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、時序圖等，通過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)建立一個易于理解的現(xiàn)實模型，即系統(tǒng)的需求分析。筆者以昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司研發(fā)的數(shù)控母線沖壓機床為對象，以統(tǒng)一建模語言UML為工具，運用IBM公司的Rational Rose軟件對數(shù)控母線沖壓機床進(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)建模語言，采用圖形符號來表示系統(tǒng)中的對象和關(guān)系，從不同的角度描述待開發(fā)系統(tǒng)，它為開發(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。一個系統(tǒng)應(yīng)有功能、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為所組成，因此，要建立一個系統(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)功能由誰來完成，主要表示類與類之間的關(guān)系，用類圖來表示。

（3）動態(tài)模型。描述系統(tǒng)的動態(tài)行為，即功能如何完成，什么時間完成，包括對象的事件序列、狀態(tài)和操作等，主要用狀態(tài)圖、時序圖、協(xié)作圖來表示。

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)動態(tài)模型。

上述3類模型既有各自不同的特點，又相互存在著內(nèi)在的聯(lián)系。用上述3類模型對整個系統(tǒng)進(jìn)行描述，能使機床研發(fā)人員在較短的時間內(nèi)對母線沖壓機床的功能、硬件結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)有一個直觀的認(rèn)識。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)文字性的分析說明相比較，具有直觀、規(guī)范等優(yōu)點，是面向?qū)ο箝_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，該母線沖壓機床分為4個子系統(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來實現(xiàn)的；沖剪和折彎工序是由液壓缸驅(qū)動來完成的，其動力來自液壓系統(tǒng)。將參與者分為操作人員和維修人員，操作人員對4個子系統(tǒng)進(jìn)行操作，維修人員對4個子系統(tǒng)進(jìn)行維修。從圖2還可以清晰地看出，沖壓機床對于外界操作者所具有的功能，它是以一種可視化的方式來幫助開發(fā)團(tuán)隊了解系統(tǒng)的功能需求。

▲圖2 用例圖

3 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

對任何一個系統(tǒng)建模，對其靜態(tài)結(jié)構(gòu)的分析是必不可少的。在UML圖形建模語言中，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)中的類以及各個類之間的關(guān)系來描述系統(tǒng)的靜態(tài)視圖，可以使系統(tǒng)開發(fā)人員快速了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該沖壓機床的類圖如圖3所示。

該類圖是從沖壓機床的整體類與部分類之間的聚合關(guān)系來描述沖壓機床的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，從圖3可以看出，沖壓機床系統(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，液壓缸的動力來自液壓系統(tǒng)，模具是由凸模和凹模構(gòu)成，送料裝置和出料裝置由機械手和伺服電機組成。整個圖由部分類指向整體類，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述十分清晰。

▲圖3 類圖

4 動態(tài)行為分析

任何系統(tǒng)都具有動態(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。UML提供了狀態(tài)圖、活動圖、時序圖以及協(xié)作圖用來描述系統(tǒng)動態(tài)行為，筆者選取狀態(tài)圖、時序圖以及協(xié)作圖。狀態(tài)圖是展示狀態(tài)與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換圖，它通過建立對象的生存周期模型來描述對象是隨時間和事件變化的動態(tài)行為。在UML中，一個狀態(tài)圖依附于一個類的實例（對象），狀態(tài)圖包含了一個類的對象在其生命期間所有狀態(tài)的序列以及對象對接收到的事件所產(chǎn)生的反應(yīng)，它是用來描述系統(tǒng)當(dāng)中某一個對象的狀態(tài)與狀態(tài)之間的控制流，狀態(tài)圖由狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、事件、活動和動作5部分組成。沖壓機床系統(tǒng)中的送料機械手在送料過程中的狀態(tài)變化如圖4所示。

▲圖4 狀態(tài)圖

送料機械手在初始狀態(tài)時是松開的，此時電磁閥失電，通過PLC控制裝置發(fā)出的指令與機械手的光電編碼器（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)動伺服電機，機械手運動到取料位置；電磁閥得電，機械手完成夾料動作；夾料后機械手運動到指定位置，電磁閥失電，機械手松開，完成卸料動作。通過整個狀態(tài)圖的描述，反映出送料機械手在整個送料過程中自身狀態(tài)的變化過程。

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

從圖5中可以看出，機床各對象的功能、完成此功

能系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)以及完成此功能時間上的相互關(guān)系。當(dāng)操作人員發(fā)送對母線加工的指令后，PLC開始工作，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，整個加工過程完成。

雖然在UML中的協(xié)作圖和時序圖一樣，都是用來描述對象之間的交互過程，并且兩種圖形可以進(jìn)行等價轉(zhuǎn)換，但是兩種圖形所描述的側(cè)重點還是有差異的。時序圖主要用來強調(diào)整個交互過程中的時間順序，而協(xié)作圖則主要強調(diào)交互過程中的信息。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，如圖6所示的協(xié)作圖。

▲圖5 時序圖

▲圖6 協(xié)作圖

5 結(jié)論

UML作為一種圖形化建模語言，雖然其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是軟件開發(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)用于母線沖壓機床的研發(fā)中，分別用UML提供的用例圖、類圖、狀態(tài)圖、時序圖、協(xié)作圖建立了機床的功能模型、靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型以及動態(tài)行為模型。通過對沖壓機床不同側(cè)面的描述來完成系統(tǒng)的需求分析，使研發(fā)人員能夠在短時間內(nèi)對機床的功能、結(jié)構(gòu)到行為有一個直觀的認(rèn)識。這不僅對研發(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)過程中可能發(fā)生的錯誤，為整個研發(fā)過程降低了勞動成本。也希望能夠通過本文能夠使讀者對UML有一個更加全面的了解，充分發(fā)揮其圖形化語言的特點，并應(yīng)用到不同領(lǐng)域的建模工作中。

［1］蔡敏，徐慧慧，黃炳強.UML技術(shù)與Rose建模教程［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］施穆勒.UML基礎(chǔ)、案例與應(yīng)用（第三版）［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

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

［4］龍克濱.UML應(yīng)用建模實踐過程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

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

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［8］邱仲潘.UML與Rational Rose2002從入門到精通 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

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（編輯 美 華）

中亞機床公司成功研制大型高端數(shù)控折彎機

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

中亞機床公司是生產(chǎn)折彎機、卷板機的專業(yè)廠，多年來，在許齊寶董事長為首的領(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，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。公司在“十二五”期間進(jìn)行技術(shù)改造，建有高大廠房，購置先進(jìn)設(shè)備，為發(fā)展大型高端機床創(chuàng)造了條件。

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

（徐斌）

TH312

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1000-4998（2015）09-0029-03

2015年4月