基于UML的母线冲压机床需求分析与建模

□ 杨 振 □ 樊瑜瑾 □ 周 巍 □ 郑淮河

1.昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500

2.昆明昆开专用数控设备有限责任公司 昆明 650106

基于UML的母线冲压机床需求分析与建模

□ 杨 振1□ 樊瑜瑾1□ 周 巍1□ 郑淮河2

1.昆明理工大学 机电工程学院 昆明 650500

2.昆明昆开专用数控设备有限责任公司 昆明 650106

统一建模语言UML是一种定义良好、易于表达、功能强大的图形化建模语言，它的目标是以面向对象的方式来描述任何类型的系统。由于它得到Rational Rose等Case软件的支持，不但用于建立软件系统的模型，还可以用于描述非软件领域的系统，如机械系统、企业机构或业务过程等。基于UML，以昆明昆开专用数控设备有限责任公司研发的数控母线冲压机床的设计要求为对象，对数控母线机床系统进行建模，并对其进行需求分析，以利于机床的后续研发。

UML 建模 Rational Rose 母线冲压机床

随着我国经济的快速发展，对各行各业都提出了更高的技术要求，这对电器控制柜行业的发展起到了很大的促进作用。由于母线主要用于高危的电力行业，如质量得不到保证，将会导致漏电，甚至引发火灾，严重威胁到人类的生命及财产安全。目前传统的母线加工设备已很难满足社会发展的需求，国外的母线加工设备虽然加工精度及设备质量本身相比国内要好，但其价格也非常昂贵，所以有必要研发一种能够满足我国生产加工要求的母线加工设备。国内已有许多公司独立或寻求高校合作对母线冲压机床进行开发，将需求分析作为系统开发的基础工作，对整个开发过程有着重要的影响。统一建模语言UML是始于1997年的一个OMG（对象管理组织）标准，它不仅统一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法，而且对其作了进一步的拓展，并最终成为被大众所接受的标准建模语言。UML作为一种面向对象的图形建模语言，能够直观简洁地对系统进行描述，可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模分析，它从不同的角度出发，分别定义了用例图、类图、状态图、时序图等，通过这些图的可视化描述及相互之间有效地结合，可以为系统建立一个易于理解的现实模型，即系统的需求分析。笔者以昆明昆开专用数控设备有限责任公司研发的数控母线冲压机床为对象，以统一建模语言UML为工具，运用IBM公司的Rational Rose软件对数控母线冲压机床进行需求分析建模。

1 UML建模流程

UML是一种面向对象的可视化标准建模语言，采用图形符号来表示系统中的对象和关系，从不同的角度描述待开发系统，它为开发人员更好地理解系统的组成以及工作状态提供了有效的交流方式。一个系统应有功能、静态结构和动态行为所组成，因此，要建立一个系统模型主要需要以下3类模型。

（1）功能模型。从用户的角度描述系统的功能，即系统应该做什么，功能模型用例图来表示。

（2）静态结构模型。描述系统的静态结构，要在功能模型中表达功能由谁来完成，主要表示类与类之间的关系，用类图来表示。

（3）动态模型。描述系统的动态行为，即功能如何完成，什么时间完成，包括对象的事件序列、状态和操作等，主要用状态图、时序图、协作图来表示。

功能模型是系统的核心，建模流程是：首先从功能需求出发，建立系统功能模型；其次建立系统的静态结构模型；然后将系统要完成的功能在系统结构上进行分配，建立系统动态模型。

上述3类模型既有各自不同的特点，又相互存在着内在的联系。用上述3类模型对整个系统进行描述，能使机床研发人员在较短的时间内对母线冲压机床的功能、硬件结构以及工作状态有一个直观的认识。图1为系统建模流程图。

▲图1 系统建模流程图

2 功能分析

功能分析即用来描述系统的外部功能，UML为用

户提供了用例图描述系统的外部功能。用例图与传统文字性的分析说明相比较，具有直观、规范等优点，是面向对象开发中进行功能分析的一种有效手段。用例图是向外界用户展示系统的功能，通常应先找出外界参与者与子系统的关系。

该系统的用例图如图2所示，从图中可以看出，该母线冲压机床分为4个子系统，分别是送料子系统、出料子系统、冲剪子系统和折弯子系统。送料和出料工序是由伺服电机来实现的；冲剪和折弯工序是由液压缸驱动来完成的，其动力来自液压系统。将参与者分为操作人员和维修人员，操作人员对4个子系统进行操作，维修人员对4个子系统进行维修。从图2还可以清晰地看出，冲压机床对于外界操作者所具有的功能，它是以一种可视化的方式来帮助开发团队了解系统的功能需求。

▲图2 用例图

3 静态结构分析

对任何一个系统建模，对其静态结构的分析是必不可少的。在UML图形建模语言中，用类图去描述系统的静态结构，它是根据系统中的类以及各个类之间的关系来描述系统的静态视图，可以使系统开发人员快速了解系统结构，该冲压机床的类图如图3所示。

该类图是从冲压机床的整体类与部分类之间的聚合关系来描述冲压机床的静态结构，从图3可以看出，冲压机床系统由折弯装置、冲剪装置、送料装置、出料装置以及PLC控制系统构成，折弯装置和冲剪装置由液压缸和模具构成，液压缸的动力来自液压系统，模具是由凸模和凹模构成，送料装置和出料装置由机械手和伺服电机组成。整个图由部分类指向整体类，对系统的结构描述十分清晰。

▲图3 类图

4 动态行为分析

任何系统都具有动态行为，因此，仅描述系统功能和结构并不能将系统完整地表达出来。UML提供了状态图、活动图、时序图以及协作图用来描述系统动态行为，笔者选取状态图、时序图以及协作图。状态图是展示状态与状态的转换图，它通过建立对象的生存周期模型来描述对象是随时间和事件变化的动态行为。在UML中，一个状态图依附于一个类的实例（对象），状态图包含了一个类的对象在其生命期间所有状态的序列以及对象对接收到的事件所产生的反应，它是用来描述系统当中某一个对象的状态与状态之间的控制流，状态图由状态、转换、事件、活动和动作5部分组成。冲压机床系统中的送料机械手在送料过程中的状态变化如图4所示。

▲图4 状态图

送料机械手在初始状态时是松开的，此时电磁阀失电，通过PLC控制装置发出的指令与机械手的光电编码器（该系统位置传感器采用光电编码器）反馈的信息比较后驱动伺服电机，机械手运动到取料位置；电磁阀得电，机械手完成夹料动作；夹料后机械手运动到指定位置，电磁阀失电，机械手松开，完成卸料动作。通过整个状态图的描述，反映出送料机械手在整个送料过程中自身状态的变化过程。

状态图只表达了系统中单个对象在响应时间和事件过程中对自身状态做出的改变，但是在机床系统整个工作过程中，各部分的交互存在于整个工作周期，所以，还需要描述系统内部各个对象之间的交互过程，UML用时序图和协作图来描述对象间的动态交互过程。在UML中，时序图将交互关系表示为二维图，该数控冲压机床的时序交互关系如图5所示，纵轴是生命线，生命线代表时间，用一条向下延伸的虚线表示。生命线上的矩形表示激活，矩形长度表示对象被激活的时间长短，激活表示该对象被占用以完成某个任务。横轴代表了在交互过程中的对象。

从图5中可以看出，机床各对象的功能、完成此功

能系统的执行机构以及完成此功能时间上的相互关系。当操作人员发送对母线加工的指令后，PLC开始工作，将信息发送至送料装置、冲剪装置、折弯装置、出料装置，以上装置完成工作任务后再将信息反馈到PLC。至此，整个加工过程完成。

虽然在UML中的协作图和时序图一样，都是用来描述对象之间的交互过程，并且两种图形可以进行等价转换，但是两种图形所描述的侧重点还是有差异的。时序图主要用来强调整个交互过程中的时间顺序，而协作图则主要强调交互过程中的信息。为了在协作图中也能够表达出交互顺序，人们常在信息前面加上序号，如图6所示的协作图。

▲图5 时序图

▲图6 协作图

5 结论

UML作为一种图形化建模语言，虽然其最主要的应用领域是软件开发，但它的建模范围却十分宽泛。笔者借助于UML提供的可视化建模功能，将其应用于母线冲压机床的研发中，分别用UML提供的用例图、类图、状态图、时序图、协作图建立了机床的功能模型、静态结构模型以及动态行为模型。通过对冲压机床不同侧面的描述来完成系统的需求分析，使研发人员能够在短时间内对机床的功能、结构到行为有一个直观的认识。这不仅对研发人员有积极的指导作用，更是为后续的研发工作做好准备，提高研发效率，缩短研发周期，减少研发过程中可能发生的错误，为整个研发过程降低了劳动成本。也希望能够通过本文能够使读者对UML有一个更加全面的了解，充分发挥其图形化语言的特点，并应用到不同领域的建模工作中。

［1］蔡敏，徐慧慧，黄炳强.UML技术与Rose建模教程［M］.北京：人民邮电出版社，2006.

［2］施穆勒.UML基础、案例与应用（第三版）［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［3］邱郁惠.UML那些事儿［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］龙克滨.UML应用建模实践过程［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［5］邵维忠，蒋严冰，麻志毅.UML现存问题和发展道路［J］.计算机研究与发展，2003（4）：509-516.

［6］孔军，孙怡宁，蒋敏，等.基于UML的系统需求分析［J］.计算机工程与应用，2003（15）：217-219.

［7］周巍，樊瑜瑾，王为达，等.基于PLC的数控母线冲压机床控制系统研究［J］.新技术新工艺，2014（11）：12-14.

［8］邱仲潘.UML与Rational Rose2002从入门到精通 ［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［9］张龙祥.UML与系统分析设计［M］.北京：人民邮电出版社，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.

（编辑 美 华）

中亚机床公司成功研制大型高端数控折弯机

近日，马鞍山市中亚机床有限公司与合肥工业大学共同研制的6 400 t/20 m大型折弯机在博望区成功下线，成为安徽省双机最大吨位的折弯机，填补了安徽省在该吨位领域里的空白。该机采用电液伺服数控系统，一次试车成功，其各项技术参数和性能达到国内领先水平。

中亚机床公司是生产折弯机、卷板机的专业厂，多年来，在许齐宝董事长为首的领导班子带领下，致力于技术创新和自主研发；同时，公司善于与高校科研院所联合，进行技术攻关和产品升级。公司在“十二五”期间进行技术改造，建有高大厂房，购置先进设备，为发展大型高端机床创造了条件。

此项产品为山东晟合交通电力公司供货，用户表示满意，也为中亚机床公司进军大型高端机床开辟了新路。

（徐斌）

TH312

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1000-4998（2015）09-0029-03

2015年4月