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 機電工程學院 昆明 650500

2.昆明昆開專用數控設備有限責任公司 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 機電工程學院 昆明 650500

2.昆明昆開專用數控設備有限責任公司 昆明 650106

統一建模語言UML是一種定義良好、易于表達、功能強大的圖形化建模語言，它的目標是以面向對象的方式來描述任何類型的系統。由于它得到Rational Rose等Case軟件的支持，不但用于建立軟件系統的模型，還可以用于描述非軟件領域的系統，如機械系統、企業機構或業務過程等。基于UML，以昆明昆開專用數控設備有限責任公司研發的數控母線沖壓機床的設計要求為對象，對數控母線機床系統進行建模，并對其進行需求分析，以利于機床的后續研發。

UML 建模 Rational Rose 母線沖壓機床

隨著我國經濟的快速發展，對各行各業都提出了更高的技術要求，這對電器控制柜行業的發展起到了很大的促進作用。由于母線主要用于高危的電力行業，如質量得不到保證，將會導致漏電，甚至引發火災，嚴重威脅到人類的生命及財產安全。目前傳統的母線加工設備已很難滿足社會發展的需求，國外的母線加工設備雖然加工精度及設備質量本身相比國內要好，但其價格也非常昂貴，所以有必要研發一種能夠滿足我國生產加工要求的母線加工設備。國內已有許多公司獨立或尋求高校合作對母線沖壓機床進行開發，將需求分析作為系統開發的基礎工作，對整個開發過程有著重要的影響。統一建模語言UML是始于1997年的一個OMG（對象管理組織）標準，它不僅統一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法，而且對其作了進一步的拓展，并最終成為被大眾所接受的標準建模語言。UML作為一種面向對象的圖形建模語言，能夠直觀簡潔地對系統進行描述，可以對任何具有靜態結構和動態行為的系統進行建模分析，它從不同的角度出發，分別定義了用例圖、類圖、狀態圖、時序圖等，通過這些圖的可視化描述及相互之間有效地結合，可以為系統建立一個易于理解的現實模型，即系統的需求分析。筆者以昆明昆開專用數控設備有限責任公司研發的數控母線沖壓機床為對象，以統一建模語言UML為工具，運用IBM公司的Rational Rose軟件對數控母線沖壓機床進行需求分析建模。

1 UML建模流程

UML是一種面向對象的可視化標準建模語言，采用圖形符號來表示系統中的對象和關系，從不同的角度描述待開發系統，它為開發人員更好地理解系統的組成以及工作狀態提供了有效的交流方式。一個系統應有功能、靜態結構和動態行為所組成，因此，要建立一個系統模型主要需要以下3類模型。

（1）功能模型。從用戶的角度描述系統的功能，即系統應該做什么，功能模型用例圖來表示。

（2）靜態結構模型。描述系統的靜態結構，要在功能模型中表達功能由誰來完成，主要表示類與類之間的關系，用類圖來表示。

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

功能模型是系統的核心，建模流程是：首先從功能需求出發，建立系統功能模型；其次建立系統的靜態結構模型；然后將系統要完成的功能在系統結構上進行分配，建立系統動態模型。

上述3類模型既有各自不同的特點，又相互存在著內在的聯系。用上述3類模型對整個系統進行描述，能使機床研發人員在較短的時間內對母線沖壓機床的功能、硬件結構以及工作狀態有一個直觀的認識。圖1為系統建模流程圖。

▲圖1 系統建模流程圖

2 功能分析

功能分析即用來描述系統的外部功能，UML為用

戶提供了用例圖描述系統的外部功能。用例圖與傳統文字性的分析說明相比較，具有直觀、規范等優點，是面向對象開發中進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的功能，通常應先找出外界參與者與子系統的關系。

該系統的用例圖如圖2所示，從圖中可以看出，該母線沖壓機床分為4個子系統，分別是送料子系統、出料子系統、沖剪子系統和折彎子系統。送料和出料工序是由伺服電機來實現的；沖剪和折彎工序是由液壓缸驅動來完成的，其動力來自液壓系統。將參與者分為操作人員和維修人員，操作人員對4個子系統進行操作，維修人員對4個子系統進行維修。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團隊了解系統的功能需求。

▲圖2 用例圖

3 靜態結構分析

對任何一個系統建模，對其靜態結構的分析是必不可少的。在UML圖形建模語言中，用類圖去描述系統的靜態結構，它是根據系統中的類以及各個類之間的關系來描述系統的靜態視圖，可以使系統開發人員快速了解系統結構，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系來描述沖壓機床的靜態結構，從圖3可以看出，沖壓機床系統由折彎裝置、沖剪裝置、送料裝置、出料裝置以及PLC控制系統構成，折彎裝置和沖剪裝置由液壓缸和模具構成，液壓缸的動力來自液壓系統，模具是由凸模和凹模構成，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，對系統的結構描述十分清晰。

▲圖3 類圖

4 動態行為分析

任何系統都具有動態行為，因此，僅描述系統功能和結構并不能將系統完整地表達出來。UML提供了狀態圖、活動圖、時序圖以及協作圖用來描述系統動態行為，筆者選取狀態圖、時序圖以及協作圖。狀態圖是展示狀態與狀態的轉換圖，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行為。在UML中，一個狀態圖依附于一個類的實例（對象），狀態圖包含了一個類的對象在其生命期間所有狀態的序列以及對象對接收到的事件所產生的反應，它是用來描述系統當中某一個對象的狀態與狀態之間的控制流，狀態圖由狀態、轉換、事件、活動和動作5部分組成。沖壓機床系統中的送料機械手在送料過程中的狀態變化如圖4所示。

▲圖4 狀態圖

送料機械手在初始狀態時是松開的，此時電磁閥失電，通過PLC控制裝置發出的指令與機械手的光電編碼器（該系統位置傳感器采用光電編碼器）反饋的信息比較后驅動伺服電機，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。通過整個狀態圖的描述，反映出送料機械手在整個送料過程中自身狀態的變化過程。

狀態圖只表達了系統中單個對象在響應時間和事件過程中對自身狀態做出的改變，但是在機床系統整個工作過程中，各部分的交互存在于整個工作周期，所以，還需要描述系統內部各個對象之間的交互過程，UML用時序圖和協作圖來描述對象間的動態交互過程。在UML中，時序圖將交互關系表示為二維圖，該數控沖壓機床的時序交互關系如圖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。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

能系統的執行機構以及完成此功能時間上的相互關系。當操作人員發送對母線加工的指令后，PLC開始工作，將信息發送至送料裝置、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行等價轉換，但是兩種圖形所描述的側重點還是有差異的。時序圖主要用來強調整個交互過程中的時間順序，而協作圖則主要強調交互過程中的信息。為了在協作圖中也能夠表達出交互順序，人們常在信息前面加上序號，如圖6所示的協作圖。

▲圖5 時序圖

▲圖6 協作圖

5 結論

UML作為一種圖形化建模語言，雖然其最主要的應用領域是軟件開發，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，將其應用于母線沖壓機床的研發中，分別用UML提供的用例圖、類圖、狀態圖、時序圖、協作圖建立了機床的功能模型、靜態結構模型以及動態行為模型。通過對沖壓機床不同側面的描述來完成系統的需求分析，使研發人員能夠在短時間內對機床的功能、結構到行為有一個直觀的認識。這不僅對研發人員有積極的指導作用，更是為后續的研發工作做好準備，提高研發效率，縮短研發周期，減少研發過程中可能發生的錯誤，為整個研發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，充分發揮其圖形化語言的特點，并應用到不同領域的建模工作中。

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

［2］施穆勒.UML基礎、案例與應用（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：機械工業出版社，2008.

［4］龍克濱.UML應用建模實踐過程［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［5］邵維忠，蔣嚴冰，麻志毅.UML現存問題和發展道路［J］.計算機研究與發展，2003（4）：509-516.

［6］孔軍，孫怡寧，蔣敏，等.基于UML的系統需求分析［J］.計算機工程與應用，2003（15）：217-219.

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

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

［9］張龍祥.UML與系統分析設計［M］.北京：人民郵電出版社，2001.

［10］Coad P，Yourdon E.Object-oriented Analysis［M］.NewYork：Prentice-Hall，1991.

［11］Booch G，Rumbaugh J，Jacobson I.The Unified Modeling Language User Guide［M］.MA：Addison-Wesley，1999.

（編輯 美 華）

中亞機床公司成功研制大型高端數控折彎機

近日，馬鞍山市中亞機床有限公司與合肥工業大學共同研制的6 400 t/20 m大型折彎機在博望區成功下線，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域里的空白。該機采用電液伺服數控系統，一次試車成功，其各項技術參數和性能達到國內領先水平。

中亞機床公司是生產折彎機、卷板機的專業廠，多年來，在許齊寶董事長為首的領導班子帶領下，致力于技術創新和自主研發；同時，公司善于與高校科研院所聯合，進行技術攻關和產品升級。公司在“十二五”期間進行技術改造，建有高大廠房，購置先進設備，為發展大型高端機床創造了條件。

此項產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