（机械电子工程专业论文）基于ccm技术的开放式组件化数控系统研究.pdf

摘要 摘要 在2 1 世纪，制造业所面l | 缶的激烈市场竞争迫使数控系统朝着高精、高速、高 效、智能网络化的方向发展然而，传统数控系统的结构封闭，功能单一，开发 周期长，成本高等弊端，已经成为制约制造业发展的瓶颈。随着信息技术的快速 发展，国内外很多研究机构纷纷提出了开放式数控系统的概念并进行了相关研究。 本文在详细分析开放式数控系统研究现状的基础上，提出了一种基于r t c 0 r b a 软 件总线的组件化开放式数控系统o c a r c n c 。 本文借鉴了o s a c a 、o r o c o s 及o m a c 的研究经验，根据组件技术开发的 原则，对数控系统的功能要求及其未来的发展进行了分析，提出了一种系统组件 架构的两层模型。本文精确定义了架构中每个组件的功能，并对组件之间的功能 交互情况进行了明确定义及介绍。为了保证整个系统的可伸缩性、安全性，保证 系统架构设计良好以方便代码重用，本文使用r a t i o n a lr o 辩对每个组件进行了 u m l 建模。系统的u m l 模型必将大大推动开放式数控系统研究的持续发展。 作为系统组件之间的通讯总线，本文重点对c o r b a 及r t c o r b a 的o r b 间通讯的实时技术进行了分析。本文在比较了当前几种典型的组件技术之后，选 择了独立于平台的c o r b ac o m p o n e n tm o d e l 作为组件开发技术。 t a o 是一种既支持r t c o r b a 又支持c o r b a 组件模型的o r b ，本文在对 t a o 进行简要介绍后，分别对它在l m u x w m d o w s 平台上的安装流程进行了详细 说明，并编写了基于x m l 语言的系统组件描述及配置文件。本文使用d l 及c m l 语言对系统的功能组件进行了定义和编译，得到了基于c + + 的组件实现源码文件。 然后，基于c + + 语言对他们进行了完善，并在v c 7 1 环境下进行了编译，得到了 每个组件的d l l 文件，根据c i a o 技术对系统组件进行了初步的封装、组装及部 署。最后，本文展示了w i n d o w s 平台下h m i 组件的g u i 界面和l i n u x 平台下p l c 组件的g u i 界面。最后，本文简要介绍了客户端应用程序开发，从而完成了整个 系统初步的应用开发。 关键词：组件；u m l 建模；r t c o r b a ；c c m ；t a o ；x m l 山东大学硕士学伊论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fd r a s t i cm a r k e t c o m p e t i t i o n c o n f r o n t e d b y m a n u f a c t u r i n g c o r p o r a t i o n s ，c n c s y s t e m i s d e v e l o p i n g t o h i g h p r e c i s i o n ，h i g h s p e e d ，h i g h - e f f i c i e n c y ，i n t e l l e c t u a l i z e d a n d d i s t r i b u t e dn e t w o r ka b i l i t yi n2 1s tc e n t u r y h o w e v e r ，t r a d i t i o n a ln c s y s t e mh a v eal o to fd i s a d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e s ，t h ec l o s es t r u c t u r e ， s i m p l e xf u n c t i o n s ，al o n gr e s e a r c hp e r i o d a n dh i g hc o s t se t c w h i c h h a v ec o n f i n e d m a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t s w i t h t h e f a s t d e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g i e s ，m a n yr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sb r o u g h t f o r w a r do n eo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e ma n dd i dl o t so fr e s e a r c ho n t h i sf i e l di ns u c c e s s i o n b a s e do nd e t a i l e da n a l y s i so ft h e s er e s e a r c h a c t u a l i t i e s ，o n eo p e nc o m p o n e n t a r c h i t e c t u r e & r t c o r b ac n c s y s t e m ( o c a r c n c ) i sp r e s e n t e d t a k i n ga d v a n t a g e so fo s a c a ，0 r o c o sa n do m a cp r o j e c t sa n d c o m b i n i n gw i t hp r i n c i p l e s o fc o m p o n e n tt e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e r a n a l y z e s o n ec o m m o uc n cs y s t e m sf u n c t i o n sa n dt h e i rf u t u r e d e v e l o p m e n t ，t h e na d v a n c e s o n et w o l a y e r c o m p o n e n t sm o d e lf o r o c a r c n c t h i sp a p e ra c c u r a t e l yd e f i n e se a c hc o m p o n e n t sf u n c t i o n s a n dd e f i n i t e l yp o i n t so u ti n t e r c o m m u n i c a t i o na m o n gc o m p o n e n t s i n o r d e rt om a k et h i s s y s t e m s c a l a b l ea n ds e c u r e ，t oa s s u r ei t s a r c h i t e c t u r eg o o de n o u g ht op r o m o t ec o d e sr e u s a b l e ，t h i sp a p e rm a k e s m o d e l sf o re a c hc o m p o n e n tw i t hu m lm o d e l i n gt o o l r a t i o n a lr o s e a l lt h e s em o d e l sw i l lu n d o u b t e d l yp r o m o t ec o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t o fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mg r e a t l y a st h ec o m m u n i c a t i o ns o f tb u sa m o n gc o m p o n e n t s ，c o r b aa n d r t c o r b ai n t e r o r bs c o m m u n i c a t i o na b i l i t i e sa r ee m p h a t i c a l l y 瓒i i k c r a n a l y z e d ，t h e nc o m p a r e ss o m et y p i c a lc o m p o n e n tt e c h n o l o g i e s b a s e d o nt h ea b o v e da n a l ys i s ，t h i sp a p e rs e l e c t sc o r b ac o m p o n e n tm o d e l a so n ea c t u a ld e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t a oi so n e0 r bp r o d u c tw h i c hs u p p o r t sb o t hr t c o r b aa n d c o r b ac o m p o n e n tm o d e l t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st a oa tf i r s t ， e x p l a i n s i t si n s t a l l a t i o nf l o wa n dm e t h o d so l lw i n d o w sa n dl i n u x p l a t f o r m si nd e t a i l ，a tl a s t ，e d i t sx m ld e s c r i p t i o na n dc o n f i g u r a t i o n f i l e sf o rs y s t e mc o n f i g u r a t i o n t h i sp a p e rd e f i n e se a c hc o m p o n e n t u s i n gi d la n dc i d l ，a n dc o m p i l e s t h e s ef i l e s l a t e rt og e tt h e i r r e a l i z a t i o nf i l e s a f t e r c o m p l e t i o no f a l lt h e s ew o r k ，t h i sp a p e r f i n i s h e se a c hs o u r c ef i l ew i t hc + + f u l f i l l st h e i rc o m p i l a t i o ni nv c + + e n v i r o n m e n ta n dg e t sa l lc o m p o n e n t s d l lf i l ea tl a s t a c c o r d i n gt o c i a o ，t h i sp a p e r f i n i s h e s e l e m e n t a r yc o m p o n e n tp a c k a g i n g ， a p p l i c a t i o na s s e m b l y ，d e p l o y m e n tp l a n n i n ga n ds y s t e md e p l o y m e n t t h i sp a p e rd e v e l o p sh m ig u ir u n n i n gi nw i n d o w sa n dp l cg u i r u n n i n gi n l i n u x a tl a s t ，t h i s p a p e rs i m p l yi n t r o d u c e s c l i e n t a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，t h e r e b y ，f i n i s h e s o c a r c n c s y s t e m s a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：c o m p o n e n t ，u m lm o d e l i n g ，r t c o r b a ，c c m ，t a o ，x m l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：挚每9 鲷f 日期：2 盟z ! 。2 9 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储签名翱新戤鳓：曲2 7 l 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 数控系统现状及其发展趋势 机械加工装备从2 0 世纪4 0 年代左右的传统自动化制造技术发展成为上世纪7 0 年代左右以数控技术为核心的柔性制造技术“。在2 l 世纪以市场需求为中心的激 烈竞争中，产品个性化和缩短上市时间是制造业厂家急需解决的问题，开发快速 可重构体系结构的数控设备和制造系统是对用户驱动的市场需求做出灵活、快速 响应的关键圆。同时制造企业的网络化、集成化迫切要求数控系统能够适应网络化、 分布式计算和控制环境。以数字化为特征的数控机床是柔性化制造系统和敏捷化 制造系统的基础装备。随着信息技术的快速发展及其与数控技术的融合，数控机 床正朝着高精化、高速化、高效化、柔性化、集成化和智能化的方向发展”。 然而，传统数控系统的结构封闭，很难采纳主流的计算机与信息技术。由于用 户向控制系统集成功能非常困难，不能充分利用自己的专有知识来形成有自己特 色的产品。各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，用户不能对数控系统进行 改造升级，使得用户过度依赖产品提供者，造成成本增加。系统功能固定单一， 不具有柔性和可重构性，不利于以市场为导向的产品设计开发制造，很难在激烈 的市场竞争中占有一席之地。传统数控系统人机界面不灵活，系统的培训和维护 费用昂贵。 1 1 2 基于p c 技术的开放式数控系统软件化研究 因此，制造业提出了可重构制造系统( r m s ) 的概念。其原理就是通过对制造 系统中设备配置的调整或更换设备上的功能模块来迅速构成适应新产品生产的制 造系统嗍。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性，而且硬件也要有开放性。因 山东大学硕士学付论文 此，开放性数控系统已经成为国内外数控研究领域的热点。 与传统数控系统的封闭性以及价格昂贵形成鲜明对比的是，p c 微处理器和硬 件市场由于激烈的竞争，而导致价格逐步降低。为了提高生产效率和产品精度， 国外大约5 0 的工业控制领域已经不再采用单独的控制主板来完成工作，而是采 用双主板、三主板甚至更多来完成系统任务嘲。 同时，软件技术也在全世界范围内飞速发展，软件开发模式从面向对象技术到 组件技术的转变，大大提高了软件产品的柔性、密封性以及可重构性【日。尤其是开 源软件以及开源操作系统的快速发展，不仅软件开发速度大大提高，技术支持越 来越方便，最为重要的是开源软件的发展带来的产品的低成本。 新一代开放式数控系统以通用计算机技术为基础，采用完全标准的p c 硬件， 通过商业操作系统与实时操作系统结合，采用软件同时实现数控内核的实时功能 和其它非实时数控功能、人机界面功能等，即软件化数控f ”。 软件化数控可为数控系统生产商、数控机床生产商和最终用户提供可进行二次 开发的基础和手段，以形成自己特色的产品，适应现代制造业的需要。软件化数 控是开放式数控系统的最新发展，它使得开放式数控系统建立在标准的模块化硬 件上。有可能做到内核功能的开放【8 】。 1 2 开放式数控系统的国内外研究现状 i e e e 将开放式系统定义为：开放式系统提供这样一些功能，它们能使应用程 序在不同厂商的各种平台上运行，能支持与其它系统应用的相互操作，并且具有 用户界面的一贯形式。i e e e 的定义表明了开放式系统应具有可移植性、可互操作 性和一致性。 要实现控制系统的开放，首先得有一个大家遵循的标准。国际上一些工业化国 家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规范，使得控制系统软硬件与供 应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机界面风格和可 维护性以取得产品的柔性、降低产品成本和使用的隐形成本、缩短产品供应时间 9 】 第l 章绪论 i 2 1o m a c 组织 成立于1 9 9 4 年，其研究目的为“： 建立一个开放体系结构控制器需求和运行经验的知识库，这些需求和经验 来自于用户、软件开发者、硬件制造商及o e m ： 将工业和政府组织开发的各种a p i 集中促成一套a p i ，满足通用的需求； 联合欧洲和日本的组织实现一套国际通用的标准a p i ； 促进控制器制造商对于开放体系结构控制器的开发； 为开放体系结构控制技术的开发、实现和商业化过程中出现的技术和非技 术问题提供通用的解决方案。 1 2 2o s a c a 组织 欧洲在o a c 领域的发起者，o s a c a 的目的是为使控制应用及相应的基础组件获 得互操作性、可移植性、可扩展性和重用性而制定了一套a p i m l 。o s a c a 的研究主 要侧重于三个方面： 通信系统：定义一个独立于硬件和系统软件的接口，以便控制器的不同应 用模块间进行信息交换； 参考结构：定义控制器的功能单元，如运动控制( m o t i o nc o n t r o l ，m c ) 和逻辑控制( l o g i cc o n t r o l ，l c ) ，并确定功能单元的接口； 配置系统：实现启动时动态配置组合了不同应用模块的控制器。 1 2 3o s e c 组织 日本六家公司、研究所联合成立了o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) 组织。o s e c 讨论的重点集中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统 上。定义了开放结构和生产系统的界面规范，推进工厂自动化控制设备的国际标 准【1 2 】。 山东大学硕士学位论文 1 2 4我国开放式数控系统标准 我国于2 0 0 2 年1 2 月3 日正式颁布了开放式数控系统国家标准并于2 0 0 3 年1 月1 日起实施n 3 1 。目前，按其技术规范的体系结构而开发的硬件平台和基于l i n u x 和w i n d o w sn t 操作系统的软件平台已得到应用，并开始在部分机床和机械产品上 试用。 1 3 课题提出及研究意义 1 3 1 关键技术的发展方向 当前数控系统软件模块化的开发都是基于面向对象技术，无法实现不同语言开 发的模块之间的互操作，可移植性差，模块之间的依赖性较强，导致模块化程度 较低，无法体现开放性优势。组件技术建立在面向对象技术之上，可以实现高度 模块化，提供动态调度机制，模块互操作性强，可移植性好【1 4 1 。面向代理的组件 技术同时还具备独立于运行环境的优点，可以满足开放式数控系统功能软件化、 高度模块化及快速可重构要求。 数控系统功能利用组件技术来实现仅仅是构建体系结构的开始，如何把各个组 件无缝组合成满足实时性要求的数控系统，需要解决的问题有很多。例如组件之 间的通讯及互操作等，总之就是寻找一种合适的满足分布式应用的实时软件总线 来完成组件的即插即用。开放式数控系统的分布式异构环境对于实时软件总线有 着严格的要求。 采用实时软总线技术实现各个软件功能组件之间的通讯，并满足数控系统的实 时性、分布式要求，这是组件化开放式数控系统的最新研究热点。 c o p b a 技术是实现软件组件之间进行通讯的一种规范，它突破了c l i e n t s e r v e r 结构的局限性，具备独立于语言、操作系统、硬件平台、网络协议等优点。 i d l ( i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 用来定义分布式对象之间通讯的接口。 o r b ( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r ) 技术隐藏了对象分布式存在的事实，实现了软件对象通 讯的透明性堋。 第1 章绪论 数控系统的实时性模块对通讯平台提出了q o s 策略要求。但是c o r b a 并未提 供q o s 策略支持。r t c o r b a 提供了很多机制以支持q o s 策略从而实现组件通讯 之间有效、可伸缩的、确定的行为保证。例如：线程池、优先级机制、队列缓冲 请求、设定特殊的协议特征、直接绑定等。 1 3 2 本课题的提出及研究意义 在国内外组织的研究中，以o s a c a 、o m a c 、o s e c 为主要代表，他们在理 论及实践上都取得了较大的成果。但是，到目前为止，都或多或少存在一些不足。 o s a c a 标准没有完成实时性能的实现和确认；没有实现在运行期间体系结构对象 动态连接；除了某些包含客户通讯对象的体系结构对象外，不能实现单个体系结 构对象的重启；组件间通讯连接被打断后，有时不能完成保存动作；通讯平台限 制了系统的最大尺寸，超出这个尺寸后就会死机；a p i 定义是用c + + 完成的，并不 支持i d l 语言。o m a c 仅仅定义了一套组件a p l 并没有提供一种通讯平台的参考 体系架构，而且o m a ca p i 是基于微软m i d l 和c o m 技术开发的，在其它通讯 平台上移植a p i 也是需要深入研究的。o s e c 不仅没有定义实现分布式控制系统 的通讯平台，而且所定义的a p i 并不是面向对象的，而是基于函数的。 本课题由高等学校博士学科点专项科研基金支持。本文所提出的基于 r t c o r b a 的组件化开放式数控系统，可改善数控系统软件对硬件的依赖性，允许 用户集成与供应商无关的软硬件模块，提高设计柔性，降少产品全生命周期的使 用、维护和升级成本，达到模块化、可扩展、可移植、可升级、可维护、经济性 和标准界面的目标。对开放式数控系统技术的发展具有重要的理论意义和应用价 值。 1 4 本文研究的内容及拟解决的问题 采用完全标准的p c 平台和通用操作系统与实时扩展内核，参考o s a c a 与 o m a c 的体系结构和a p i 定义，研究基于r t c o r b a 软总线的组件化开放式数控 系统，实现软件模块的互操作性。 山东大学硕士学位论文 i 4 1数控系统的功能组件化分析 建立开放式数控系统所需的功能组件模型，并根据需要进一步完善组件功能， 本课题将跟踪国内外研究动态，对数控系统各个功能模块做出清晰高效的定义。 例如，在o s a c a 的研究中，p l c 组件是封装p l c 硬件的接口，但是定义一种通 用接口来与不同厂家的p l c 产品兼容是不可能的【1 7 1 。有一种解决方案就是建立一 个覆盖所有p l c 功能及不同厂家p l c 的函数库，然而这种方案是不可行的。所以 本文必须建立一种与p l c 通讯的机制，以适应不断发展的p l c 功能的改变。 1 4 2数控系统的u m l 建模 对体系结构进行不同层面的描述，并构建合适的框架。用u m l 描述组件接口 的继承属性，描述组件内部方法的各种行为。用类图对设计模式的结构方面建模 【阍，用交互图对设计模式的行为方面建模。 研究内容包括： 1 、表示系统的功能特性； 2 、表示系统的结构要素及彼此间的关系； 3 、表示c n c 中的离散行为； 4 、表示控制过程的性能要求； 5 、表示系统的控制功能； 6 、描述系统的组件定义。 1 4 3r t c o r b a 及c c m 技术研究 建立实时操作系统下基于r t c o r b a 软总线规范的开发环境，并研究组件之间 通讯时延的确定性和可预测性。具体研究内容如下： 1 、r t c o r b a 仅仅是一种规范，它定义了实现q o s 策略的r t o r b 特征。本 文首先分析r t c o r b a 核心技术的，然后进行基于r t c o r b a 的初步应用研究。 2 、c c m 技术是本文选择的组件开发的核心技术。本文将研究如何采用c c m 技术对组件进行定义。 第1 章绪论 1 4 4系统的初步开发 首先，本文将建立系统的分布式开发平台- o c a r c n c ( o p e nc o m p o n e n t a r c h i t e c t u r e r t c o r b ac n c ) ，然后采用u m l 技术对系统各功能模块进行建模， 正确确定结构对象的功能、作用、范围、内部结构和接口参数，以保证各功能模 块在不同平台之上的互操作性。本文将选择t a o 作为系统运行的o r b ，生成初步 的实现源文件，并对它进行具体实现，以生成组件d l l 文件。组件d l l 生成后， 本文将进行初步的组件封装、组装和部署。然后，将根据系统的实际需要，进行 应用程序的初步开发。 山东大学硕士学位论文 第2 章o c a r c n c 系统的功能组件化分析与建模 2 1 开放式数控系统的体系结构要求 制造业的现状要求开放式数控系统具有以下特点： 数控硬件功能软件化，降低系统成本，提高系统可靠性 数控功能高度模块化，体系结构快速可重构 基于实时性能高的软件总线，实现数控系统的分布式异构环境 遵循上述研究趋势，国内研究机构提出了开放式数控系统体系结构的参考模 型，如图2 1 所示： 软件组件软件组件软件组件软件组件软件组件软件组件 l2l2 接口接口接口接口接口接口 3 0o3 。o3 。o3 。ooo 叫叫叫叫叫叫 la ji y 操作系统 节节 操作系统 点点 总线驱动程序总线驱动程序 l2 i hhhh h 3 0 o3 【o3 0 o3 0 o3 0 一03 0 0 接口 接口 接口接口接口接口 硬件组件 硬件组件硬件组件硬件组件硬件组件 硬件组件 l 212 图2 - l 开放式数控系统体系结构图 在上图所示的体系结构中，数控系统的底层硬件由若干硬件组件组成，他们 第2 章0 c a r c c 系统的功能组件化分析与建模 m l 按照一定的接口挂接在硬件总线上。同时软件组件按照一定的接口挂接在软件总 线上。软件组件可以位于不同的硬件平台之上，一个系统中的软件组件可以通过 本地操作系统和网络，硬件总线与挂接在同一网络，硬件总线上的另一系统中的组 件进行数据交换，甚至控制该系统中的硬件设备b 9 。 在具有分布式特性的开放式数控系统中，单纯地采用前后台型或基于中断技 术的软件体系结构已经远远无法满足需求 2 0 l 。数控系统功能利用组件技术来实现 仅仅是构建体系结构的开始，如何把各个组件无缝组合成满足实时性要求的数控 系统，需要解决的问题有很多。例如组件之间的通讯及互操作等，总之它需要采 用满足分布式对象计算标准的分析与建模技术和软件开发模式。 2 2u m l 建模工具分析 u m l ( 统一建模语言，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 标准是o m g 组织推行的 一套图形化建模语言标准，它是第三代面向对象分析与设计技术和方法，它采用 一系列标准图形，例如类图、状态图、序列图和协作图等来描述系统的结构、静 态特征以及动态特钳2 ”。u m l 中，用例图用来显示使用案例与角色之间的交互， 而使用案例表示从用户角度对系统的要求，因此表示系统功能。般通过顺序图 来描述某个使用案例的全过程，它侧重于随时间变化的交互。它的优点是可以涉 及到具体细节，并且列举了所有参与的对象以及对象之间的操作。协作图与顺序 图显示的信息相同，但协作图不具有时间顺序，只显示对象与角色的交互。类图 比较简单，可以表示系统功能。状态图表示了对象的状态的变化，事件是导致状 态变化的因素。 2 2 1u m l 建模的优势 使用u m l 建模，可以保证大型的系统可裁减、可扩展、安全性以及鲁棒性， 它不仅可以解决系统的复杂性带来的一系列问题，而且它也方便代码重用。这样 就可以保证系统架构设计良好，用户要求得到满足，系统在要求改变时能够迅速 适应。另外，从软件工程的角度来说，u m l 建模将模型中的信息用标准图形元素 山东大学硕七学臂论文 直观的显示，它的主要目的就是方便用户、开发人员、分析人员、测试人员、管 理人员和其它涉及项目人员之间的交流【竭。由于模型信息都是基于标准的图形元 素，所以系统的开发不会因为某个成员的离开而无法被别人理解，从而造成重复 开发工作。同时，由于本系统是基于组件技术进行的开发，而u m l 是基于面向对 象概念的建模工具，所以使用u m l 对本系统进行建模能够充分发挥它的优势。 2 2 2 使用u m l 对本系统进行建模的意义 对正向和逆向工程两方面的成功结合，被定义为双向工程。正向工程在第一 次从模型产生代码时非常有用，这将节省许多用于编写类、属性、方法代码的琐 碎工作的时间。在以前没有模型存在的情况下，将代码转换成模型；或者在迭代 结束，重新同步模型和代码时，逆向工程非常有用。 2 0 0 2 年4 月，o m g 推出了u m l p r o f i l e f o r c o r b a s p e c i f i c a t i o n v l o ，其目的 是提供一种使用u m l 符号来表达c o r b a i d l 语法的标准，以便在建模工具中实 现这一功能捌。在目前的建模工具中，如果想通过u m l 符号来表示一种c o r b a 语言类型，必须首先把它建模成一个类，然后规划成c o r b a 类型，结果才能表 达一个接口、值类型或者结构。这一标准的推出增强了u m l 对于c o r b ai d l 的 正向和逆向工程的能力，这也是对u m l 建模工具的一项复杂需求。 2 0 0 5 年7 月，o m g 又推出了u m l p r o f i l e f o r c o r b a c o m p o n e n t s v l o ，它的 目的是提供一种利用u m l 符号来表达c c m 语法的标准，以便使用建模工具来实 现这一功能锎。 目前来说，支持u m lp r o f i l ef o rc o r b ac o m p o n e n t sv 1 0 的u m l 建模工具还 不存在，完全支持u m l p r o f i l e f o r c o r b a s p e c i f i c a t i o nv 1 0 的建模工具也不存在。 但是本文由此可以推断，在不久的将来u m l 建模工具对于c c m 的支持，将推动 开放式数控系统研究的进展。 2 2 3u m l 建模工具的比较与选择 在开发中常用的两款u m l 建模工具有：s p a r xs y s t e m s 的e n t e r p r i s e 第2 章0 c a r c n c 系统的功能绢件化分析与建模 a x c h i t e c t ( e a ) 和m mr a t i o n a l 的r a t i o n a lr o s e 企业版。大体上，e a 和r o s e 在u m l 建模能力上有相似的功能。e a 和r a t i o n a lr o s e 都支持u m l 九种图中的八种。 在双向工程中，r o s e 比e a 支持更多的语言，r o s e 支持c o r b a 语言的双向工程， 而e a 就不提供对于c o r b a 语言的支持2 5 】。在本系统的开发中，本文使用的u m l 建模工具为m mr a t i o n a l 的r a t i o n a lr o s e2 0 0 3 企业版。 2 3 功能组件架构的提出 2 3 1 组件功能定义 功能组件的合理划分是实现开放式数控系统的关键。参考数控组件模型，本 文确定了组件划分的基本原则： 数控组件的接口都是基于预先定义的标准，并不依赖于其它的组件，组件的交 互仅仅通过标准接口来进行，使组件之间的依赖性降到最低； 数控组件接口的定义清晰，使用组件时只要了解接口规范，不必了解内部实现 细节； 可以方便的实现数控组件组的不同配置，以形成不同规格的数控系统。 根据以上原则，本文给出了基于组件技术的开放式数控系统体系结构，如图2 2 所示。 在体系结构中，本文把数控组件分为两层。第一层是基本的功能模块层，包 括：h m i 服务器组件、运动控制组件、运行配置组件、系统安全组件、组件框架、 p l c 组件。第二层是第一层引擎类组件的具体实现层。这种层次划分仅仅是逻辑 上的划分，其实在具体实现时它们是同一层次的，均可以通过接口与其它任何组 件进行交互。 2 3 2 组件框架 组件框架定义了体系结构中所有其它组件都要使用的最基本和最小的功能 集，这些功能是实现组件在系统中运行并与其它组件交互的关键。例如使用组件 框架定义了组件配置、启动、停止、重置和初始化的基本方法，使用它定义所有 山东大学硕士学位论文 路径 规划 组件 霹劂喜鍪 组件黝l 组件 图2 - 2 开放式数控系统功能组件架构 组件的非功能性需求。 组件框架里面包含一些基本功能类，如图2 3 所示： c o m p o n e n t b a s e 类是所有具体功能组件的父类。它对组件间的通讯进行统一配 置，并且提供基本的方法支持组件的启动和初始化。 m a n a g e r 类提供通讯平台的基本配置方法，它承担命名服务的注册并且为事件 服务提供统一的名称。 e v e n t _ s u p p l i e r 类提供了采用基于事件的方式向其它组件传送数据的简单方 法。它封装了c o r b a 确认服务技术，允许在组件实现中的简单应用。 e v e n t _ c o n s u m e r 类封装了连接至已存在的其它系统组件事件通道的方法。 爨 e v e n u p p e r e v e n tc o n s u m e r 蝉| c o m 岬“岫。目 图2 - 3 组件框架 第2 章0 c a r c n c 系统的功能组件化分析与建模 2 4h m i 服务器组件 2 4 1 功能分析 它可以管理并启动第二层次的数据库组件、h m i 组件、配置系统组件。 h m i 组件负责完成系统操作面板控制指令输入，如上电、断电、启动、停止、 放弃、恢复、复位等；负责系统配置参数输入与修改、文件管理、n c 代码输入、 p i c 代码或梯形图的输入等；h m i 采集信息的工作由h m i 服务器组件来完成， 避免了不同的h m i 与同一个关键任务组件通讯而造成的阻塞和任务延迟。当然， 信息的显示都是由h m i 组件来完成的，例如坐标轴位置、程序跟踪、轨迹跟踪、 速度倍率、当前有效的s 、m 、t 、g 指令、输入输出监控及故障诊断信息等1 2 6 。 2 4 2u m l 建模 u m l 工具可以对类之间的关系进行建模。类之间的关系一般分为关联、依赖、 累积和一般化。其中，累积关系是指整体与个体之间的关系。在h m i 组件中，本 文把h m i 组件当作总体类，把其它各部分功能分成个体类，就可以利用u m l 工 具对h m i 组件进行累积关系建模。 图2 - 4 显示了h m i 组件的类累积图。 2 4 3h m i s e r v e r 组件与h m i 组件的交互 体系结构中，所有的r m i 组件都通过h m i 引擎组件与其它实时性比较严格的 组件进行交互，h m i 引擎组件以最快的数据传输速率从其它组件获取任意连接的 h m i 组件要求的数据。h m i 引擎并不进行数据的处理，而是传递给h m i 组件，数 据处理在h m i 组件中进行。另外，h m i 引擎组件还要利用c o r b a 事件和确认服 务，告知所有的h m i 组件关于某些属性的变化情况，并且这种更新的速度需要有 h m i 设定。例如，运动控制组件实时改变了系统的某些属性并告知h m i 服务器组 件，为了快速的让操作人员知道这种状态的变化，h m i 服务器组件就要告知h m i 组件，以便能够快速的显示。h m i 服务器组件并不是告知所有的h m i 组件，它只 山东大学硕士学位论文 岛r ：赢二：i n t e g e r 一 p a r a m e t e r m a n a g e r f i l e m a n a g e r 岛n a m o 勘= h e t y p e ：s t n n g 9 * p o w e r o n 0 l h 3 t r u c t u r e p a r 0 e , p o w e r o f f 0 s p l n d l e p a t 0 4 1 f l l e e d l t 0 s t a r t 0 t o o l p a r 0 f i l e c o p y 0 s t o p 0 j i g p a r 0 f i l e o e l ( p a u s e 0 t h c 甜p a r o a c t f i l e n a m e 0 4 h i e s u r n e c ) n e t p a u r 0 a c t p r o g n a m e 0 a c t g f u n c 0 r e s t o l e n 、冬， h m i i l ，i 、 m o n i t o r l n f o r m a t i o n 、 g e t m a c h i r m p o s 0 旦m p h i c ! 旦堕! ! ￥ s h o w m h l 伸p o 勃o l s p l a y p a r a g e t m a c 州n e w a r n o s h o w i a c h l n e w a m 0 m a c h f n e c r d i n a t e ( ) 4 b g e t m a c h i r l e l n - o u t i r f f o r 0 p g r a p h i c p r o g r a m m i n 9 0 s h a w m h i 怕i n 旬u t i n i b r o n c c o d e s l m u 0 4 b g e t m a c h i n e r u n s t a t e 0 4 1 s h o w m a c h i n e r u n s t a t e 0 图2 - 4i m 组件的类累积图 对订阅了这一数据对象的h m i 组件起作用。h m i 组件通过a d d _ _ n o t i f i c a t i o n _ l i s t e n e r o nl o n gu p d a t e _ r a t e ，i ns t r i n gc l i e n t _ i d ) 这一操作向h m i 服务器组件订阅某一数据 对象的变化，并且明确表示理想的更新速率。图2 5 表示了这一工程的协作图： 图2 - 5h m i 服务器组件协作图 数据库组件提供了用户、密码和用户权限等信息的存储，h m i 服务器组件与 第2 苹i ) c a r c n c 系统的功能组件化分析与建模 之交互，使数控系统支持用户的不同用户模式、连接权限及不同视图连接。对于 通用的数控机床来说，需要四个层次的权限管理。普通用户负责日常的机床操作； 维护和服务用户负责机床的搭建和控制系统的配置；管理用户就是处于分布式数 控系统之上的领导层，它可以管理用户；客户是针对某些不熟悉系统的用户设置 的。h m i 服务器组件提供一个接口g e t a c c e s s i n t e r f a c e n ( u s e r , p a s s w o r d ，) ，h m i 客 户程序通过这个接1 3 向h m i s e r v e r 提出连接请求，h m i s e r v e r 组件在寻找该接口 时，选择了调用数据库组件以获得相关信息【2 7 】。具体流程如图2 - 6 所示： 客户程序( h m i 组件) c ；l 、 9g e t a c c e s s l 乩m e r t h m i 服务器组件 s e e k 2 5 运动控制组件 2 5 1 功能分析 图2 - 6 叫i 服务器组件的权限管理 运动控制组件是整个体系结构中最为核心的组件，负责生成每个伺服通道的 控制指令，并协调多个伺服通道的联动控制。它完成的功能包括零件程序的解释、 超前读、刀具补偿、轨迹插补、位置控制、速度控制等。它们由第二层的路径规 划组件、插补组件、程序解释组件、刀补组件及运动管理组件来实现。结合不同 的系统硬件配置，通过运动管理组件来实现该组其它四种组件算法的正确选择。 山东大学硕士学伊论文 2 5 1 1 程序解释组件 程序解释组件负责载入待加工的零件程序文件，并进行语法分析。即根据统 一的语法标准，从零件程序中提取出指令、主轴转速、位置参数等信息，并把它 们转化为正确的数据结构和状态，供其它子模块使用。传统的数控系统，其译码 模块只能识别某种或几种数控加工语言。当应