（机械电子工程专业论文）基于web的数控系统远程支持技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为适应制造业的开放化和网络化发展趋势， 开展w e b 技术应用于数控加工的 研究具有重要 的现实意义。本文对基于w e b 的数控系统远程支 持技术进行了研 究，开发并实现了数控远程服务系统。 论文分析了基于w e b 的数控系统网络拓扑结构和功能需求， 提出了满足网络 数控系统功能需求的服务系统的三层浏览器/ 服务器( b / s ) 模型的体系结构和功 能模型; 重点研究了实现服务系统各功能模块的关键技术， 主要采用了基于j a v a 的j s p , s e r v l e t 和j a v a b e a n 软件技术对其进行开发。 开发的服务系统在局域网的应用证明是切实可行的， 从而为实现数控加工 的网络化奠定了基础 。 关键词:数控服务系统，w e b ，体系结构，j s p abstract i n o r d e r to a d a p t t o th e d e v e l o p m e n t t re n d o f m a n u fa c t u r in g o p e n - a r ic h i te c t u r e a n d n e t w o r k , i t h a s g r e a t r e a li s ti c s ig n i f ic a n c e fo r th e s t u d y o n a p p l ic a ti o n o f w e b te c h n o lo g y to n c m a c h in i n g . t h e th e s i s r e s e a r c h e s o n t h e we b - b a s e d r e m o te s u p p o r t in g t e c h n o lo g y , a n d c a r r ie s o n d e v e lo p m e n t a n d r e a li z a t io n o f th e n c s e r v i c e s y s te m. f ir s t th e th e s i s a n a ly s e s t h e n e tw o r k t o p o lo g y s tr u c t u r e a n d f u n c t io n d e ma n d s o f t h e we b - b a s e d n c s y s te m; th e n b r i n g s f o r w a r d t h e a r c h it e c tu r e o f 3 - tie r b r o ws e r/ s e r v e r ( b / s ) mo d e l a n d fu n c t i o n m o d e l f o r nc s e r v i c e s y s t e m, w h ic h s a t i s f i e s with t h e f u n c ti o n d e m a n d s o f n e tw o r k e d nc s y s te m; f in a l ly f o c u s e s o n t h e k e y te c h n o lo g y w h i c h is u s e d to r e a li z e th e mo s t f u n c t io n s o f th e we b - b a s e d nc s e r v i c e s y s t e m , a n d d e v e lo p s t h e e a c h f u n c t io n mo d u l e b y a d o p ti n g ma in s o f twa r e te c h n o l o g y o f j a v a - b a s e d j s p , s e r v l e t a n d j a v a b e a n . t h e a p p l ic a t i o n o f n c s e r v ic e s y s te m in t h e l o c a l n e t w o r k i s p r o v e d f e a s ib le , w h ic h la y s th e f o u n d a ti o n f o r th e r e a l iz a t io n o f n e t w o r k e d n c m a c h in i n g . s h i x i a n g -h o n g ( me c h a tr o n ic s e n g in e e r in g ) d ir e c te d b y p r o f . h a n q in g - y a o k e y wor d s : c n c s e r v i c e s y s t e m , we b , a r c h i te c t u r e , j s p 创旨。口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的 硕士学位论文 基于w e b 的数控系统远程支持技术的 研究 ， 是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作和取 得的 研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他 人已 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位 或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 卑a z日 期 : x 7 .,.,6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、 缩印 或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同媒体上发表、 传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 1密的 学位论文在解密后遵守 此规定) 作者签名: 率a l: 导师签名: 如业 t 日 期 : 鱼 华+. i日 期 :扮2 ， 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 开放式网络化的数控技术 2 0 世纪9 0 年代，国外的数控系统完成了从1 6 位机向3 2 位机和伺服驱动从直流式 向交流全数字式的转变，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充 分利用计算机技术及其丰富的资 源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬 件， 及时采用新技术，使数控技术发展步伐加快，开发周期缩短。 1 . 1 . 1 开放式数控 开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以 在统一的运行平台上， 面向机床 厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的 特殊应用集成到控制系统中，实现不 同品 种、不同档次的开放式数控系统。i e e e 关于开放式系统的定义是:开放式系统 能 有效地运行于不同的平台之上， 可以与其他应用系统相互操作， 并提供与用户交 互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性【 日 . 近年来， 随着计算机技术、 机械制造技术、网 络通讯技术以 及智能化的发展， 开放式数控系统是数控技术发展的主要方向之一。 “ 开放式结构控制器( o p e n a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) ”的概念首次出现在1 9 8 8 年，随后世界上许多国家和地区众多战略发展计划纷纷出台，如欧共体的 o s a c a ( o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o l w i t h i n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 、日 本的o s e c ( o p e n s y s t e m e n v i r o n m e n t f o r c o n t r o l l e r a r c h i t e c t u r e ) 、美国的 n g c ( n e x t g e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 和 o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r s ) 等计划。 ， ， ， ， “ ， 。这3 个计划的发展基本上代表7开放型数控的发展现 状，其核心是建立一种向数控系统的 硬软件开发商、 机床制造商和最终用户都开放 的 体系结构和标准，使数控系统不依赖于某个特定厂家， 达到可互连、互操作、可 重组和可互换的目的。但是直到 目前这样的目标还远没有实现。 随着通用微型计算机， 特别由于 p c 机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因 此充分利用p c 机资源并将其功能集成到c n c 中去，发展基于p c 的数控系统，即第六 代数控系统，已经成为世界各国发展研究的重点. 1 9 8 8 年，美国首先出现了所谓在p c 机平台上的数控系统，即p c 数控系统 ( p c _ n c) 。在实际产品中，国外开发商最近开发的以下几种新型开放式p c n c 系统 具有一定的代表性 6 , g e f a n u c公司开发出两种开放式c n c 系统:一种是直接将p c 嵌入到c n c 系统底 华 北 电 t t !) 巫岁 塑竺左 一一一 一一一 一一 板 上 的 p c _ n c 集成的 控 制 系统， 该 系统 可 使 p c 机与 c n c 系 统间 进 行高 速 度的 数据 传 输 与 交 换， p c 的 主 板由 包含内 存储 器的 高功 率 p e n t i u m 。 处 理器 和便于以 后 增装 硬 件 的 工 业 标 准结构( i s a ) 数据总 线接口 组 成。 除 此 之外， 该 公司还 设计出 允 许连 接 用 户自 己 定 制的 第 三方 硬件 和软件 接口 以 方 便 用户 。另 一 种是 将c n c 系 统与 p c 机 用高 速串 联数 据总 线连 接 起来的 组合式 p c 一 c 系 统。 组 合式 p c 一c系 统包 括两 个接口 插 件 和 一根 能将 c n c 系 统连 接到 各种p c 机上 的 光 缆. 该系 统选 用人 们熟悉的 标准 计算 机 硬 件 和软 件资 源， 因 而 具有良 好的 人 机 界 面 和方 便的 操 作功 能。 不 仅如 此 该 控制 系 统还能进行极高速的双通道数据传输，并具有良 好的数据集成能力. 三菱电 器公 司开 发出 一 种能 插入 各 种 p c 机、 型 号为 “ e l d a s m a g i c 6 4 的 6 4 位 c n c 系 统 . 其 主 要 特点 是柔 性 好， 用户 可随 意 开发 或定 制 所需 软 件。 a l l e n - b r a d l e y 公 司 为 用 户 提供了 柔 性、 安全、 可 靠性更 好的 开 放式 p c 一 c 系 统。 他们为 用户 设 计出 能 更 快 进 行数 据处 理， 可 联接因 特网 a l l e n - b r a d l e y 9 / p c 开 放式 p c _ n c数 控系 统 9 0 年 代后 期至 今， 随 着国际 上 开 放式 数 控 技术 的 发 展，国 内 掀 起了 开 放式 数 控 系 统 研 究的 热 潮， 如中 科 院沈阳 计 算 所正 在 考 虑和 制 定 “ 新一 代机 床控制 机 开 放式 系 统 体系 结 构 标准 规范 参 考模式” ， 北京 机 床 研究 所己 经引 进了 德国 以公 司的 开 放 式 c n c 系统 p a - 8 0 0 。 的 全 套 技术， 对 其 产品 应 用 进行 开 发; 还有 一 些厂 家和 研 究 所正 在 对 美国 d e l t a t a u 公 司的 p m a c 系 统 进 行开 发 和 应用。 2 0 0 0 年，国 内 的 华中 数 控、 航 空数控等单位在国家经贸委的支持下，提出了开放式数控系统 ( o n c )技术规范， 制定了o n c 系统技术标准。 在数控系统开放式理论研究方面，国内的研究人员在以通用p c 机的基础上提出 许 多 新的 思 路和构 想. 如 基于 软件芯 片的 开 放 式数 控 系统 ,1 181 、 基 于组件 的开 放 式 数 控 系 统9 1( 8 ) 、 基于 现场总 线的 开 放式 数 控系 统， ，、 基于 w 工 n 9 x / n t 的开 放 式数 控 系 统 ， ， 等等. 1 . 1 . 2网络化数控 网 络数控就是通过网 络、i n t e r n e t / i n t r a n e t将制造单元和控制部件相连， 或 将制造过程所需资源( 如加工程序、机床、工具、 检测监控仪器等) 共享. 在基于p c 的开放式数控系统产生之前， 我国生产的数控系统及现有的数控改造 系统一般没有网络功能，且大多都不拥有大容量存储设备( 如硬盘) ，而只使用高价 位、低容量的电子盘等设备。而随着各种计算机辅助设计/ 制造( c a d / c a m ) 系统的完 善与发展， 这些c a d / c a m 系统越来越快地进入实际加工系统，井需要方便快捷地与 数控系统进行大容量信息的通信与交换。 这些辅助系统生成的复杂零件加工g 代码 一般以 兆字节( m b ) 为计量单位。在这种情况下，出现了数控系统的网络化改造，最 常见的就是为企业生产车间的数控设备添加网络接 口，并在企业计算中心 ( 如c a d 中 一- 一一- 一 一 一 竺 韭 丝生 全 鲤 主 全 丝主 一- 一一一 -一 一 一一 心) 和生产车间之间实现网络通信。但是 这种数控系统的网络化局限于企业局域网 内，不能适应制造业网络化和全球化的发展趋势。 为适应制造业的网络化和开放化发展趋势，制造系统的重要组成部分数控 系统就必须尽快实现真正的网络化。 网 络化数控包括两个方面: 内部网络 ( 现场总线网络)和外部网络。 i .内 部网络 内部网 络是指数控系统内c n c 单元与司服驱动及工 0 逻辑控制等单元，以 现场总 线网络连接。企业内部一般以局域网为基础，采用以太网和设备网并行的网络结构 来实现数控设备的网络化管理，以及与工程设计部门信息地集成。内部以 太网是基 于t c p / i p 协议的，它具有速度快、功能强的 特点，是信息集成和车间局域网中常见 的网络形式。但现有数控设备多数不具备与以太网直接通信的能力，所以与数控设 备的通信由集成d n c 主机和基于工业总线的设备网完成， 主机在两个网络数据传输 中起桥梁作用。现场总线具有很好的可靠性、强抗千扰力 以及很好的响应性，所以 在加工车间d n c 中得到了广泛的应用。 2 .外部网络 外部网络指的是数控系统与系统外的其它控制系统或外部计算机以网络连接， 通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、 远程加工程序传输、远程诊断和远 程维修服务、技术服务，并提高机床生产率。网络生产管理系统通过企业内 部网 ( i n t r a n e t ) 随时监视生产现场情况进行最优计划和调度，操作工艺技术数据库将通 过丰富经验和直觉形成的工艺技术数字化，不断积累并与全体共享，实现高效、高 质量的加工，并依此创造新工艺、新知识和新诀窍 ;新的c a d / c a m 系统可将c a d 资料 立即转变为加工程序、工具清单、工艺卡和加工工艺图样，实现并行工程来缩短生 产周期。此外通过因特网与外界联接，可为每一个客户设立一个窗口， 快速反应客 户的要求。 在多品种小批量的 条件下， 能将加工时间由 2 5 % 提升至6 5 % 。远程诊断可 以 使得在个人计算机前轻松地操纵远在车间里的机床设备，诸如监控各主轴的当前 状态、 进行文件传输等。不仅可以用于故障发生后对数控系统的诊断，而且还可用 作用户的定期预防性诊断 1 3 ) l , 网络数控作为各种先进制造技术的基本单元，它能为各种先进制造环境的研究 与实现提供最基本的技术支持: 向上接入工 n t e r n e t 、工 n t r a n e t ，实现信息共享:向 下实现远程操作，完成实时多任务控制u s e 从本质上来说，网络化正是开放式数控系统的一个基本要求。 近年来开放式网 络数控系统已 逐渐成为我国 数控技术研究的热点。最新的研究成果有:南京四开公 司2 0 0 3 年推出的具有中国自 主知识产权s k y 2 0 0 3 n 型网络数控系统，硬件全部为国 际 华北电力大学硕士学位论文 化采 购，软件的核心部分在美国开发;操作平台为w i n d o w s x p 、 硬件为1 0 4 总线工控 计算机; t c p / i p 标准接口 ( 以 太网)，可接入标准的以太网。在国家8 6 3 计划、国 家科技攻关计划项目 和国家自 然科学基金项目 的支持下，华中 数控股份有限公司在 开放性数控机床华中i 型的基础上，也于2 0 0 3 年成功开发生产出新一代开放性、网 络化数控系统通过网络接口可与局域 网 或工 n t e r n e t 连接，通过与网络互联，可实现网络资源分享、远程控制、监测、诊 断，实现了我国数控系统的真正网络化 l 8 1 . 1 . 3 发展开放式网络化数控的必要性 开放式网络化数控在我国有 以下几个方面的切实应用需求: 1 . 网络制造、全球制造 :在新的制造模式下，通过数控系统的上网，可满足未 来制造企业在企业动态联盟过程中 和制造系统重组过程中，通过网络对外发布或允 许外部了解 自己的制造能力，甚至组成网上虚拟车间 ( 工厂) 和电子商务，实现异地 c a d / c a m / c n c的网 络制造。 2 . 大容量存储资源共享:我国现有的大部分数控系统内存较小，没有网络功能 ( 仅有速度较低的d n c 接口 ) ，没有大容量存储设备( 如硬盘) 。 而大型复杂模具加工 程序量非常大，一般以1 m b 为计量单位。 应用网络数控系统即 可在高速局域网上满 足c a d / c a m 系统与数控系统进行大容量信息的通信与交换的要求。 3 . 远程监控与诊断:当数控系统产生故障时，数控系统生产厂家可以通过 i n t e r n e t 对用户的 数控系统进行快速诊断与维护，可以大大减少维护的盲目性，提 高设备完好率。满足用户对数控机床的远程故障监控、故障诊断、故障修复的要求。 4 . 远程操作和远程培训:通过把数控加工机床像办公网络中的共享打印机一样 共享到网络上，满足某些制造行业对加工设备远程操作的要求( 如火箭发动机装药 后的整形加工) 以及远程培训的要求。 1 . 2 w e b 技术在网络化数控中的 应用 w w w ( w o r l d w i d e w e b ) ，一般也称w e b ，是目前i n t e r n e t 上最重要的信息服务 类型. 它最初是由欧洲原子能研究中心的 研究人员开发，利用图形界面和超文本链 接来组织各种信息。w e b 的最终目的 是要集成i n t e r n e t 上的各种主要协议和应用， 为用户提供统一方便的使用界面。 1 . 2 . 1 w e b 技术组成和特点 w e b 的体系结构一般由以下四部分组成: 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) i n t e r n e t / i n t r a n e t 计算机网络作为通讯主千并提供网络通信功能。 ( 2 ) w e b服务器它向客户提供信息服务，是i n t e r n e t 上的主要信息资 源。 ( 3 )直接面向用户的客户计算机可以是个人计算机或工作站， 负责对用户的 直 接服务。 ( 4 )基于图形用户界面( g u i ) 的w e b 浏览器( w e b b r o w s e r )浏览器软件在客户机 上运行，负责显示信息和向服务器发送请求。 w e b 技术是建立在传统的客户/ 服务器模式上，以h t m l ( 超文本标记语言) 和 h t t p ( 超文本传输协议) 为基础的.h t t p 是w w w 客户浏览器与w w w 服务器之间的一个无 状态的面向对象的应用层通信协议， 可以用于分布的、 关联的、 超媒体的信息系统. h t m l 则是用于组织w w w 服务器上的文档，以及建立文档之间的链接。 w w w 信息服务技术的巨大发展得益于以下几个特点: ( 1 )使用方便。 几乎所用的i n t e r n e t 用户都使用w w w a r 务，并且支持图像、 音 频、视频等非文本信息的检索和浏览。 ( 2 ) w w w 与己有信息服务的结合。在w w w 客户浏览器中可使用工 n t e r n e t 己有的信 息服务 。 ( 3 ) w w w使 用简 单 和开 放的 标 准。 h t m l 语言 和 h t t p 协 议 在设计 时 就力 求 简单 ， 并 且充分利用己有的标准。大量的已 有工具可用于创建w f7 服务器的资源，特别是 图像文件的生成。 1 . 2 . 2 w e b 技术在网络数控的研究与应用现状 当前，随着 工 n t e r n e t 技术的不断发展，w w w 越来越显示出巨大的魅力，它的实 现思想给计算机应用领域带来了新的生机.w w w 的最大优点在于它的协议和技术标 准和公开性，可同时支持多种机型和操作系统平台。w e b 是实现w w w 的基本框架，它 是高度模块化和完全分布式的。使用w e b 浏览器并与i n t e r n e t 连接的任何人都可以 使用这种w e b 应用程序。而随着w e b 技术、j a v a 技术、网 络和数据库技术的 进一步发 展， w e b 应用的中心正逐渐从信息的发布转向 信息的交流和共享.先进制造中的很 多技术都在朝着基于w e b 的方向 发展。而基于w e b 模式来设计数控系统，则可以 真正 做到完全分布式和开放式。 目前，数字化远程服务系统在国际上已经成为研究的热点，而国内的 研究还处 于初级阶段。 其中由中德政府合作的项目 “ 制造业多媒体远程服务/ 远程支持系统” ， 建立地在上海大众有限公司和德国s c h u e l e r 公司之间的数字化远程服务系统、以及 上海贝尔有限公司建立的服务支撑网络系统， 都取得了良 好的效益，极大地提高了 服务质量和公司效益。但是这些系统都是有针对性的面向 单一用户或固定的用户， 华北电力 大学硕士 学位论文 并且只是提供少数的 远程服务功能，不能满足大量用户多方面的需求 lt . 在集成w e b 的数控化服务的研究方面，国内大多数数控加工制造企业还都没有 开展，还没有出现较为完善的能够在线开展数控网络服务的平台。个别企业所开展 的数控服务也基本上都集中在客户通过w e b 页浏览企业的加工资源、 加工能力、提 交自己 服务的留言来和企业进行交互。 研究通过w e b 浏览器把企业资源共享，为客 户提 供数控化服务是很有意义的。研究开发出数控化的服务平台，可以使不同的 企 业通过工 n t e r n e t 传送文件、图纸、照片、数控加工程序、 测量资料、工艺规划、 工 装夹具信息等制造加工信息，开展协同设计与异地制造。 而且由于用户和各制造单 元可及时通讯，用户可提 出加工要求或传递加工程序给制造单元 ，后者可将加工样 品或精度资料及时传递给用户， 可以实时地解决问 题， 使生产的快速响应成为 可能。 通过i n t e r n e t 有效地利用各合作方的局部优势，实现有条件的资源共享. i n t e r n e t 作为信息传递和共享的主要载体，打破了 传统的 地域及空间限 制，是 企业联系客户、了 解客户、 服务客户的最有效的途径。 基于i n t e r n e t 的企业服务平 台的发展大体可以被分为3 个阶段: 第一阶 段，企业建立 自己的 网站 ，主 要是将企 业的各种 公开 的信息通过 i n t e r n e t 发布，如产品 广告和企业加工设备宣传等; 第二阶段，企业将工 n t e r n e t 与企业内 部信息系统连接起来，使得客户能 够在网 上进行信息查询、提交信息留言等服务; 第三阶段，提供面向客户特定服务的数控服务的i n t e r n e t 平台，如数控程序的 检查、仿真、加工以及数控加工设备的远程监测等 。 目 前， 国内大多数企业的工 n t e r n e t 服务还处于第一阶段，以提供诸如产品介绍 和企业宣传等服务为主，其平台的建设还基本上处于刚开始的阶段。个别企业开展 了 远程数控加工服务。但是总体说来， 其i n t e r n e t 平台对于客户化的数控服务还缺 乏支持， 距离真正完备的数控服务平台 还有一定的距离。这种缺乏面向外部服务支 持的i n t e r n e t 平台形成了 “ 企业级”的 “ 信息孤岛”，已 经成为我国企业信息化建 设的新瓶颈 。 1 . 3 研究本课题的意义及主要内容、 方法 3 . 1 课题的理论意义及应用价值 目 前，我国的中小型制造企业占 制造企业的绝对多数，它们的 信息化程度还很 低，迫切希望能够像大企业那样自由 地进行企业内 部之间及企业内外部之间的 信息 交流。由于中小型企业的规模、技术和资金都无法与大型企业相抗衡; 所以， 充分 利用自 身现有的资源， 对其进行信息化、网 络化改造是一个非常迫切的要求。 利用 华北电力大学硕士学位论文 先进的信息技术手段， 建立起企业面向客户服务的工 n t e r n e t 平台，开展网络化服务 己迫在眉睫。随着企业信息化、网络化进程的不断发展，一个制造企业不仅需要将 自己 的资源供他人共享，也必须能够使网络上的各种信息和知识资源为自己 服务. 因此，当今的c n c 不仅是生产车间的基础设备，也是制造网络的一个功能节点， 它的 通讯范围很广， 包括: 与上传主机之间通过以 太网交换信息; 与控制系统服 务中 心之间通过工 n t e r n e t 传递维护资料; 通过i n t e r n e t 作为对外加工的代理，交 换设 计及制造加工的数据等; 通过现场总线与车间其它现场设备及1 / 0 装置通讯。 在了解现有开放式数控技术的基础上，分析了网 络制造环境下对数控系统的 基 本要求，总结出基于w e b 技术的数控系统基本功能: 基于 w e b 的远程数控仿真、远程 加工 监控、远程故障诊断等 18 1 1 9 1 ，而这些功能的实现都离不开数控服务这个统一平 台，因此本文对基于 w e b 的数控远程支持技术的关键技术进行了 研究，即数控远程 服务子系统的开发和实现。开展把w e b 技术应用于网络化数控加工，正是适应了制 造业的开 放化和网络化发展趋势，具有重要的现实意义和应用价值。 1 . 3 . 2 课题研究的主要内 容和方法 本文的研究工作主要围绕基于w e b 数控远程服务系统的实现关键技术展开，包 括了 系统的体系结构、功能设计以及具体的开发策略等。主要内容、方法包括: ( 1 ) 对基于w e b 的数控系统的功能需求进行分析，提出满足系统功能需求的框架 体系结构和网络拓扑结构三层b / s 结构模型。 ( 2 )对基于w e b 的数控服务系统的体系结构进行研究， 并提出此系统的功能模 型和实现流程。 ( 3 ) 对基于w e b 的数控服务系统的软件技术进行研究， 选择基于j a v a 的 s e r v l e t , j s p 和j a v a b e a n 技术对系统w e b 服务器端进行开发， 达到数控系统的网络化和开发性 的要求; 系统w e b 服务器和数据库服务器利用j d b c 以 及采用j a v a b e a n 技术开发的高 级接口 进行交互;在w e b 浏览器端系统采用j a v a s c r i p t 技术实现和用户的动态交互， 减少了不必要的网络流量。 ( 4 ) 对基于w e b 的数控服务系统设计的主要功能的实现技术进行研究，应用网 络技术实现了远程文件如数控程序的上传、 下载， 使用j s p , j a v a b e a n 及s q l 语句实 现了参数的查询，采用s u n 公司专有编译工具j a v a c c 实现了数控程序在线检验功能。 ( 5 ) 在以上各项研究的基础上， 主要功能模块的 编程实现。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 基于w e b 数控远程服务系统框架体系的研究 随着计算机技术尤其是工 n t e r n e t 技术的 迅速发展， w e b 技术越来越显示出它的 优势所在，高度的模块化和完全分布式。而目 前我国的数控系统缺乏面向 外部服务 支持的i n t e r n e t 平台形成了 “ 企业级”的 “ 信息孤岛”，所以开展基于w e b 的数控 远程支持技术的研究势在必行.通过开发基于w e b 的 应用程序，将普通数控机床改 造成基于w e b 的数控系统，实现普通数控机床的网 络化、开放性，为w e b 用户提供数 控程 序的编辑、检验、管理和仿真服务， 数控加工的监视和控制服务，以 及数控故 障的诊断服务等等，将企业内部的 信息网 和控制网有效的 连接起来，加快生产的 快 速响应，实现有条件的资源共享。 2 . 1 基于w e b 数控系统的组成及集成 根据基于w e b 数控系统功能需求的分析，网络数控系统主要由四个组成部分， 它们分别是: “ 基于w e b 的远程数控服务子系统”、 “ 基于w e b 的远程数控仿真子系 统” 、 “ 基于w e b 的远程数控监控子系统” 和 “ 基于w e b 的远程数控故障诊断子系统” 2 0 (2 1 ( 2 2 1 下面对其余三个子系统以及它们和 “ 基于w e b 的 远程数控服务系统”的集成做 一个说明，其功能关系如图2 - 1 ，网络拓扑结构如图2 - 2 , 图2 - 1基于w e b 数控系统基本组成的功能关系 1 .基于w e b 的远程数控仿真系统 在使用数控机床的过程中，数控程序的检查方法是影响生产率的重要因素之 一 数控程序虽然经过数控服务系统的数控程序检验功能，没有了词法语法语义错 误， 但并不能排除数控程序隐含在数控加工过程中的错误，为了 避免加工中不必要 的损失，于是数控加工仿真技术得到了广泛的应用。 华北电力大学硕士学位论文 基于数控代码进行模拟仿真，直观、快速并且在虚拟环境中通过刀具对工件进 行虚拟切削，能检查数控程序的正确性、合理性，对加工方案的优劣做出评估和优 化，从而缩短产品加工周期、降低成本、提高质量。 图2 - 2基于w e b 数控系统的网络拓扑结构 2 .基于w e b 的远程数控加工监控系统 基于w e b 的远程数控监控系统接受网 络远端用户的数控程序和数控指令，提供 现场设备执行结果信息， 控制现场设备完成基于网络的数控加工。其主要功能包括 四方面: ( 1 )手动加工 实现快速点定位、定长进给、回零、自 动对刀、对机械原点功能。 ( 2 ) 自动加工 使用数控加工代码进行自 动加工， 启动、暂停、自动升降速处理; 主轴速度、 进给速度、进给距离倍率调整。 ( 3 )状态数据显示 实时显示当前刀具空间坐标、进给速度、主轴转速等，实时显示冷却、润滑、 华北电力大学硕士学位论文 主轴的开关状态，对超程进行报著。 ( 4 )加工现场视频获取 随时获取加工现场的视频信息以提供给远程用户观察实际加工情况。 3 .基于w e b 的远程数控故障诊断系统 通过建立远程数据采集系统，将计算机智能( 人工神经网络、 模糊控制、遗传 算法等)与传统基于知识的 专家系统的结合，进行远程故障的诊断: 研究开放的网 络功能诊断系统框架，改变传统的知识库只能由 设计者创建完善的弊端，充分发挥 网络优化优势，使诊断知识库能够 由广大用户共同创建和维护。此外建立人机共栖 的网络诊断环境也将有利于系统的实际 应用和不断完善、发展。 远程服务子系统、远程仿真子系统、 远程数控监控子系统与远程故障诊断子系 统组合构成了整个网络系统，系统中 子各个子系统的集成完全是由 信息的共享来实 现的。信息主要包括数控程序、仿真信息和监控信息等。信息的共享主要通过数控 加工代码数据，另外辅以 加工设备数据等，数控程序为子系统共享数据的核心。远 程服务子系统除了包括对基本的数控程序远程编辑、管理和检验功能的支持外，作 为其余子系统支撑平台，还要为其子系统提供数据服务和管理的功能。 2 . 2基干 w e b 远程数控服务系统的体系结构 2 . 2 . 1 w e b 的应用框架体系结构 ( us 和 b / s ) 随着工 n t e r n e t 技术的飞速发展及应用的 普及， 基于w e b 的体系结构正逐渐从传 统 的 两 层 客 户 机 / 服 务 器 ( c l i e n t / s e r v e r ) 模 式 向三 层 的 浏 览 器 /服 务 器 ( b r o w s e r / s e r v e r ) 模式 发展 【， ， 。 1 .客户机/ 服务器 ( c / s )结构 传统两层c / s 模式，其网 络架构模型如图2 - 3 a。客户端应用程序向数据库服务 器发送s q l 请求，服务器从存储器取出所需数据并返回相应结果，最后，客户端再 对结 果进行格式化处理。在这种模型中，客户端和服务器端共同承担应用计算， 客 户端和服务器端的应用状况与计算机平台和开发者本身素质( 应用程序的结构、功 能、通信方式、数据结构等 由开发者凭自己主观意念而不是遵循开放标准设计) 密 切相关，因此该模型具有封闭性、平台相关性等特点。随着应用情况的变化，特别 是地理上分布的信息存储和访问要求的出 现，这种传统的两层c / s 结构应用系统的 局限性越来越明显，主要体现在如下几个方面: ( 1 ) 基于局域 网，局域网外用户无法访问。 ( 2 ) 对应专门的应用需求，导致封闭式单项系统，不同系统之间难以交流。 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 用户界面风格不一，需要专门的培训，使用复杂，不利于推广使用。 ( 4 ) 系统开发和维护复杂，需要对客户端和服务器端进行统一维护， 导致系统 的扩展性差( 需要专门安装客户端软件) ，移植困难， 伸缩性差。 ( 5 ) 难以接纳新技术和充分利用网上共享资源，限制了 应用系统的扩展性和使 用效率. 2 .浏览器/ 服务器 ( b / s ) 结构 基于w e b 的b / s 结构将传统两层c / s 结构扩展成三层，其网络架构模型见图2 - 3 b o 该模式突破了传统两层c / s 模式的局限， 使得客户端具有统一的浏览器界面，并且 各种处理完全交给w e b 服务器端的功能层完成，功能层发生变化不会影响到数据层 的改变，从而增强系统的可伸缩性以 及对软硬件变化的 适应能力。 图2 - 3 a两层c / s 架构模型 图 2 - 3 b三层 b / s 架构模型 第一层 表示层， 对应客户端浏览器 客户端向由u r l ( u n i f o r m r e s o u r c e l o c a t o r ， 通用资源定位器)所指定的w e b 服务器提出服务请求。w e b 服务器对用户进行身份验证后， 用h t t p 协议把所需的数 据资料传送给客户端，客户端负责接收数据资料并显示在浏览器上。 第二层 功能层， 对应执行应用服务的w e b 服务器 w e b 服务器接受用户请求，首先执行特定的程序，通过数据引擎与数据库连接 并进行请求处理，而后将处理结果返回客户端。 第三层 数据层， 对应数据库服务器 由图2 - 3 6 可见，三层b / s 架构简化了客户端，只需配置操作系统、网 络协议和 浏览器即可，w e b 服务器端则集中了 所有的应用系统的开发和维护信息。显然，该 架构能方便地与i n t e r n e t 捆绑起来，从而使企业的客户机/ 服务器应用扩展到整个 华北电力大学硕士学位论文 i n t e r n e t 范围，可以 帮助基于w e b 的 数控系统实现真正意义上的网络化。同时该架 构通过将用户业务逻辑集中到功能层， 提高了系统的可扩展性， 具有用户界面简单、 支持各种网络结构和异构平台等优点， 符合基于w e b 的数控系统在开放性方面的要 求。 2 . 2 . 2服务系统的体系结构 基于w e b 的数控远程服务系统采用 目前在工 n t e r n e t 上最为流行的三层b / s 运行 模式，整个系统由w e b 浏览器、w e b 服务器端及数据库服务器三部分组成。 b / s 三层 运行模式适合在网上发布信息，能满足现代企业信息交流的需要，能适应未来信息 技术发展的先进性， 这是其他模式无法实现的。数控服务系统的体系结构如图 2 - 4 0 图2 - 4 数控服务系统的体系结构 第一层即表示层，通过w e b 浏览器， 用户将输入的参数传递给中间的事务逻辑 华北电力大学硕士学位论文 层处理，同时也将事务逻辑层处理的结果返回显示给用户看。 从物理角度看，表示 层分布在两处: w e b 浏览器端和w e b 服务器端。w e b 浏览器端的表示层部分负责先对用 户输入进行验证，避免不必要的网络数据传输， 只有通过验证的数据才会通过网 络 传输给事务逻辑层处理，这可以 用j a v a s c r i p t 来实现。而w e b 服务器端的表示层部 分完成的任务就是将动态执行结果转换成静态页面，以 供w e b 浏览器显示， 这里选 用 了j s p 技术。 第二层即事务逻辑层，通过模块控制将用户的请求分配给相应的模块去处理。 从物理角度看，事务逻辑层位于w e b 服务器端。由服务器启动相应进程响应用户的 请求， 动态生成h t m l 代码，将处理结果嵌入其中， 返回客户端;若用户请求中 包括 数据存取， w e b 服务器需要与数据库服务器协同完成该处理工作。这部分的开发选 择了 s e r v l e t 十 j a v a b e a n 的开发模式，两者合作共同完成事务逻辑层的功能。 第三层即数据层，负责管理应用程序中 用到的 各类数据，包括用户信息库、数 控程序库和数控系统信息库。从物理角度看，数据层位于数据库服务器端。 事务逻辑层和数据层之间通过j d b c 进行通讯，这是为了和w e b 服务器端的采用 的基于j a v a 的开发技术( j s p , s e r v l e t 和j a v a b e a n ) 相一致。系统所采用的软件技术 将在第三章详述。 总之，采用基于b / s 的系统模式，既具有多用户分布处理的 优点，又充分利用 了因特网 地域范围广的信息传递与共享的 特点;既能满足局域网内部基于w e b 的信 息共享的需要，又能满足远程数控服务的需要。 2 . 3基干we b 远程数控服务系统功能需求及工作流程 2 . 3 . 1 服务系统的功能需求 基于w e b 的数控服务系统主要是为了 对基于网络的开放式数控加工提供远程支 持技术，帮助远程用户。用户注册登陆后，可 以通过w e b 浏览器能够在网上进行信 息查询、 提交信息留言、 远程培训和技术咨询等基本的网络服务， 还可以 进行数控 程序的编辑、检查、查询、上传与下载，实现对数控程序进行统一管理和共享;并 且可以 对机床信息，刀具信息和加工毛坯信息进行查询，对数控功能进行维护;同 时也可为 远程数控仿真、 远程数控故障诊断和远程数控加工监控提供所需数据的支 持。 根据以上的分析，数控服务系统基本功能模块如图 2 - 5 0 用户信息管理模块是整个服务系统的基础模块， 用户只有注册后才能 进行有关 的其他服务功能。 数控程序管理模块和数控系统管理模块是系统的核心模块，因为程序是进行数 1 3 华北电力大学硕士学位论文 控加 工的基础。数控远程服务系统提供程序的 上传、搜索、编辑或下载， 方便用户 的远 程对程序的操作。 对数控程序检验是一项十分重要的工作，编程质量如何直接 决定着产品的加工质量。 c a d / c a m 软件直接生成的所需程序不需要检验可直接用于 加工，而人工编制数控程序必须通过仿真或试切可以进行实际的加工，但仿真只能 检查轨迹方面的错误，对于编程语法错误则并不能识别，所以 进行词法语法的检验 势在必行;不同的数控系统又有着不同的指令集，数控系统管理和数控系统定制正 是解决能对不同的数控系统的指令集进行检验的问 题，如何进行检验将在第四章中 详细论述。 数控设备信息管理模块则主要完成数控设备及其相关辅助信息的 录入、管理与 对外发布，为其余的子系统提供数据的支持，如机床信息的数据、加工刀具的 信息 和加工毛坯的信息。 其他信息管理模块是网 络服务最基本的功能，如给用户提供最新的数控前沿的 知识，用户通过留言、e - m a i l 可以进行信息的交流等等。 ffl )nfl ift 19 9o tkh 9 9t 9ija i一割 一fiv61,frav ff 其他 信忌 服 务 发送邮件 在线交流 数控前沿 毛坯信息管理 刀具信息管理 机床信息管理 数控系统定制 数控系统管理 程序检验 程序搜索 程序编辑 程序上传下载 注销及权限修改 注册资料修改 用户身份验证 用尸注册 图2 - 5数控服务系统的功能模块 2 . 3 . 2服务系统的工作流程 用户要访问远程数控服务系统， 需要先注册，注册成功登陆后，就可 选择所需 的数控服务。 用户可以通过