（机械电子工程专业论文）基于构架构件复用的开放式数控系统研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 现代数控技术集机械、控制、计算机等科学技术于一体，除系统性能的高速高精 运动控制要求外，体系结构的开放化是其主要发展方向。结合国家 “ 十五”重点科技 攻关项目，本文对数控系统开放式体系结构的相关问 题进行了 研究。 木文的思想基础是以抽象的面向数控领域的构架模型及其演化来实现数控系统结 构的开放性，并以 合理的风格来约束这种构架的建模。 研究工作的思路是以领域工程 方法为指导，按照特定构架风格对数控领域模型进行映射，从而建立领域内开放式数 控系统的构架模型，然后根据实现环境及应用需求对之实例化，由此形成实际应用系 统。主要研究内容包括以下几个方面: 1 . 研究了国内 外开放式数控系统的现状、各种观点、 若干典型结构和发展趋势; 对具有代表性的 o s a c a模型的基本原理、参考结构和通信子系统进行了剖析;指出了 目前开放式数控系统研究存在的主要问题。 2 .在开放式数控系统研究中引入领域工程思想和基于构架/ 构件的软件复用技术， 研究了 数控系统软件可复用性和数控系统开放性的关系， 指出两者在时间、平台、 应 用二个维度上的一 致性，从而揭示出开放性和可复用性是数控领域中一个问 题的两个 方面;论述了 构架和构架风格在开放式数控系统全生命周期中的重要指导作用，提出 满足开放式数控系统要求的层次总线构架风格，由 此可简化系统的模块间通信、任务 问同步控制和并发处理， 且使系统易于配置和结构演化， 从而有效实现系统的开放性。 3 ， 分析了开放式数控系统的功能需求并建立领域功能 模型， 将该模型按层次总线 风格进行映射， 从而形成一种开放式数控系统构架模型; 研究了 该构架模型的层次总 线结构、总线及构件间通信、 系统内部网络通信的实时性和容错性问题:研究了基于 层次总线的构架演化、元构件获取、以及实际应用系统的生成过程与配置方法。 2 .调度算法是影响系统开放性、实时性和运行性能极为重要的因素，它与系统构 架密切相关。从周期性和实时性角度对数控系统任务进行分类，分析了几种典型的多 任务操作系统的调 度原理，指出 这种环境下数控系统任务调度的关键问题:缺乏对 系统开放性的支持: 易于引 起数据流阻塞。为此，提出 基于贪心 ( g r e e d y ) 选择策 略的二级调度算法， 该算法可对各任务输出数据缓冲区进行动态平衡， 并能在w i n fl o w s 2 0 0 0 / x p 和v x w o r k s 环境下有效运行。 5 . 研究了开放式数控系统领域实现的相关问题。 给出了复用库中构件的实体一关 系模型， 通过对开放式数控系统构架和构件分类方法的研究， 提出基于刻面( f a c e 功模 式的数控系统构件分类的 b n f范式，该范式可充分体现构件与复用相关的特性，适应 构件复用库的发展:研究了构件检索、匹配和评价的相关问题:给出基于复用库的应 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 用系统实现过程模型; 研制了相关开发工具，由此建立开放式的应用系统开发环境原 型。 s .对高速高精运动控制相关技术进行了研究:提出数控系统多任务异步处理、 运动预测与插补回溯方法，可实现微程序段精加工时的高速平滑运动。为处理巨量 密集微线段n c 代码程序，采用内 存文件映射和索引技术，使n c 代码的读取和解释时 间大大缩短。为提高重复轨迹加工的运动精度，提出了一种新的误差逼近计算与自 学习补偿方法。 7 . 基于上述工作并为验证之，研制了一个开放式结构的数控应用系统原型。 关键词:数控系统，开放式体系结构，软件复用，领域工程，构架/ 构件，任务调度， 高速高精控制 一一一目 一一 -一， 一.， 叫， 户 种 一 ， 叫 响. 目 叫 心 .，.，一月 . 哈 一.一一一 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t t h e m o d e m n c ( n u m e r i c a l c o n t r o l ) t e c h n o l o g y i n t e g r a t e s t h e t e c h n o l o g i e s o f m a c h i n e , c o n t r o l a n d c o m p u t e r e t c , a n d i t s m a i n d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n i s t h e o p e n s y s t e m s t r u c t u r e b e s i d e s t h e d e m a n d o f h i g h - s p e e d a n d h i g h - a c c u r a c y m o t i o n c o n t r o l . s p o n s o r e d b y t h e n a t i o n a l 1 0 . 5 k e y t e c h n o l o g ie s r m o r e o v e r , u t i l i z i n g a r a t io n a l s t y l e c o n s t r a i n t s t h e p r o c e s s o f t h e a r c h i t e c t u r e m o d e l i n g . t h e r e s e a r c h w a y i s t h e f o l l o w i n g : g u i d e d w it h t h e m e t h o d o f d o m a i n e n g i n e e r in g , t h e d o m a in a r c h i t e c t u r e m o d e l o f o p e n n c s y s t e m i s b u i l t u p b y m a p p i n g t h e n c f u n c t i o n m o d e l w i t h t h e s p e c i a l a r c h i t e c t u r e s t y le . f u r t h e r m o r e , t h e n c a p p l ic a t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e d b y i n s t a n c i n g t h e a r c h i t e c t u r e m o d e l a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l c o n d i t i o n s a n d d e m a n d s . t h e m a i n a c h i e v e m e n t s a r e m a d e b e l o w: 1 . t h e c u r r e n t s i t u a t i o n , v i e w p o i n t , s o m e t y p i c a l s t r u c t u r e s a n d t h e d e v e lo p m e n t o f o p e n n c s y s t e m a r e r e s e a r c h e d i n t h i s t h e s i s , t h e n t h e f u n d a m e n t , r e f e r e n c e s t r u c t u r e a n d c o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m o f re p r e s e n ta t i o n a l o s a c a m o d e l a r e a n a l y z e d e s p e c i a l l y , a n d a l s o t h e m a i n p r o b l e m s o f o p e n c n c r e s e a r c h a r e p u t f o r w a r d 2 . t h e t h o u g h t o f d o m a i n e n g i n e e r i n g a n d t h e t e c h n o l o g y o f s o f t w a r e re u s e b as e d o n a r c h i t e c t u r e / c o m p o n e n t a re i n t r o d u c e d t o t h e r e s e a r c h a c t i o n o f o p e n n c s y s t e m . t h i s t h e s i s a l s o r e s e a r c h e s t h e re l a t i o n b e t w e e n t h e s o f t w a r e r e u s a b i li t y a n d t h e o p e n i n g o f n c s y s t e m ; a n d p o i n t s o u t t h a t b o t h o f t h e m a r e c o n s i s t e n t i n t i m e , p l a t f o r m a n d a p p l ic a t i o n d i m e n s i o n a l i t i e s ; t h e n d i s c l o s e s t h a t t h e o p e n i n g a n d t h e r e u s e a r e t w o a s p e c t s o f o n e t h i n g . t h e im p o r t a n t i n s t r u c t i o n s a r e d i s c u s s e d o f a r c h i t e c t u re a n d i t s s t y l e , a n d t h e h i b e r a r c h y b u s a r c h i te c t u r e s t y l e s a t i s f y i n g t h e r e q u i r e m e n t s o f o p e n n c s y s t e m i s p r o p o s e d e s p e c i a l l y . t h e s t y l e i s c o n v e n ie n t f o r t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h e m o d u le s , t h e h a n d l i n g o f t h e s y n c h r o n i z a t i o n a n d b u r s t , t h e s y s t e m c o n f i g u r a t i o n , t h e a r c h it e c t u r e e v o l v e m e n t e t c . h e n c e , a l l t h e s e m e n t i o n e d a b o v e p r o v i d e t h e b e n e f i t s u p p o rt o f t h e o p e n i n g o f n c s y s t e m . 3 . b y a n a l y z i n g th e f u n c t io n d e m a n d s o f o p e n n c s y s t e m , t h e f u n c t io n m o d e l i s b u i lt u p , a n d a k i n d o f r e f e r e n c e a r c h i t e c t u r e m o d e l o f o p e n n c s y s t e m i s d e r i v e d f r o m m a p p i n g t h e f u n c t i o n m o d e l t o t h e h i b e r a r c h y b u s a r c h i t e c t u r e s t y l e i n t h i s t h e s i s . b as e d o n t h i s r e f e r e n c e a r c h i t e c t u r e m o d e l , t h e h i b e r a r c h y b u s s t r u c t u r e , t h e c o m m u n i c a t i o n a m o n g h i b e r a r c h y b u s e s a n d c o mp o n e n t s , t h e r e a l - t i me d e ma n d a n d t h e f a u l t - t o l e r a n c e o f i n n e r - n e t wo r k 不 t 王 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 c o m m u n ic a t i o n o f t h e d i s t r i b u t i o n n c s y s t e m a r e re s e a r c h e d r e s p e c t i v e l y . a d d i t i o n a l ly , t h e a r c h i t e c t u r e e v o l v e m e n t , t h e m e t a m o d e l e x t r a c t i n g , a n d th e g e n e r a t i o n a n d t h e c o n f i g u r a t i o n o f a p p l i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n h i b e r a r c h y b u s e s a r e s t u d i e d . 4 . t h e s c h e d u l e a l g o r i t h m , re l a t e d t o t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r e c l o s e l y , i s t h e i m p o rt a n t f a c t o r i n fl u e n c i n g t h e o p e n i n g , t h e r e a l - t i m e c a p a b i l i t y a n d t h e r u n n i n g p e r f o r m a n c e o f n c s y s t e m . t h e t a s k s o f n c s y s t e m a r e c l a s s i fi e d b y p e r i o d ic i t y a n d r e a l - t im e , a n d t h e s c h e d u l e t h e o r i e s o f s e v e r a l t y p i c a l m u l t i - t a s k o p e r a t i o n s y s t e m s ( o s ) a r e a n a l y z e d . f u rt h e r m o re , t h e k e y d i s a d v a n ta g e s o f n c m u l t i - t a s k s c h e d u l i n g u n d e r s u c h o s e n v i r o n m e n t a r e p o i n t e d o u t : wl a c k o f t h e s u p p o rt t o s y s t e m o p e n i n g ; e a s y t o r e s u lt i n t h e d a t a fl o w j a m . i n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m s a b o v e , t h e f u rt h e r - s c h e d u l e a l g o r i t h m b a s e d o n t h e g r e e d y s e l e c t s t r a t e g y i s p r e s e n t e d , w h i c h c a n b a la n c e t h e o u t p u t d a t a b u ff e r s o f t h e n c s y s t e m t a s k s d y n a m i c a l l y , a n d c a n e x e c u t e u n d e r wi n d o w s 2 0 0 0 / x p a n d v x w o r k s o s e n v i r o n m e n t e ff e c t i v e ly . 5 . t h e q u e s t i o n s a b o u t d o m a i n i m p l e m e n t a t i o n o f o p e n n c s y s t e m a r e s t u d ie d a s w e l l . t h e e n t it y - r e l a t i o n m o d e l o f c o m p o n e n t s i n t h e r e u s e l i b r a ry i s p r e s e n t e d . r e s e a r c h i n g t h e c l a s s i f i e d m e t h o d s t o t h e a r c h i t e c t u r e / c o m p o n e n t o f o p e n n c s y s t e m , t h e b n f c r i t e r i o n b a s e d o n f a c e t m o d e l i s s u g g e s t e d , w h i c h f u l l y s h o w s t h e c o m p o n e n t c h a r a c t e r i s t i c s r e l a t i v e t o s o ft w a r e r e u s e , a n d i s a v a i l a b l e t o o p e n n c s y s t e m d e v e l o p m e n t . mo re o v e r , t h e i n d e x , m a t c h a n d e v a l u a t i o n o f a r c h it e c t u r e / c o m p o n e n t a re r e s e a r c h e d . t h e i m p l e m e n t a t i o n m o d e l o f n c s y s t e m b a s e d o n t h e r e u s e l i b r a r y i s a l s o g i v e n i n t h i s t h e s i s ; f u rt h e r m o re , s o m e r e le v a n t t o o l s a r e d e v e l o p e d , a n d a p r o t o t y p e o f n c s y s t e m i d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ) i s b u i l t u p . 6 . i n o r d e r t o i m p l e m e n t t h e h ig h - s p e e d a n d h i g h - a c c u r a c y m o t i o n c o n t r o l o f n c s y s t e m , t h e f o l lo w i n g s t r a t e g i e s a r e t a k e n : f i r s t l y , t h e a l g o r i t h m s o f t h e mu l t i- t a s k a s y n c h r o n i s m h a n d l i n g , t h e m o v e m e n t lo o k i n g a h e a d , t h e i n t e r p o l a t i o n b a c k t r a c k i n g a r e p r o p o s e d o n t h e b a s i s o f t h e s c h e d u l e a l g o r i t h m s t a t e d a s t h e ( 4 ) , a s a r e s u l t o f w h i c h , t h e h i g h - s p e e d a n d s m o o t h m o v e m e n t c a n b e a c h i e v e d . s e c o n d ly , t o p r o c e s s t h e h u g e a n d d e n s e n e s s t i n y s e c t i o n n c c o d e p r o g r a m , t h e m e m o ry f i l e m a p a n d t h e i n d e x in a d v a n c e a r e u s e d . i t c a n r e d u c e t h e n c c o d e r e a d i n g a n d i n t e r p r e t i n g t i m e g r e a t l y . b e s i d e s , in o r d e r t o e n h a n c e t h e m o v e m e n t p r e c i s i o n o f r e p e a t e d t r a j e c t o r y , t h e n e w m e t h o d s o f t h e e r r o r a p p r o x i m a t i o n c a l c u la t i o n a n d t h e s e l f - s t u d y c o m p e n s a t i o n a r e p re s e n t e d i n t h i s t h e s i s . 7 . b as e d o n t h e a c h i e v e m e n t s m e n t i o n e d a b o v e , a n c a p p l i c a t i o n s y s t e m p r o t o t y p e w it h o p e n a r c h i t e c t u r e i s d e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y . k e y w o r d s : n c s y s t e m , o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e , s o ft w a r e r e u s e , d o m a i n e n g i n e e r i n g , a r c h i t e c t u r e / c o m p o n e n t , t a s k s c h e d u l e , h i g h - s p e e d a n d h i g h - a c c u r a c y c o n t r o l . l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。 对 本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 冷二 入 日 期 :a . i * 月 i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即: 学校有权保留并向国家有关部门 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。 本人授权华中科技大学可以 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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密口 ， 在 年 解 密后 适 用 本 授 权书。 本论文属于 不 保 密 d o ( 请在以上方框内打“ 4 ” ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 令 人指 导 教 师 签 名 : 日 期 : a y.年 了 月 了 日 日 期 : a , - tp 年夕 i v日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1绪论 摘要: 介绍了 课题来源与 研究目 的， 综述了国内 外关于开 放式 数控系 统研究的现状， 各种观点、 若干典型结构和发展趋势， 对最具代表性和影响力的o s a 以模型的 基本原理、 参考结构和通信子系 统进行了 剖析; 分析了目 前开 放式 数拉系 统研究 存在的主要问 题; 最后介绍了全文工作和组织结构。 1 . 1课皿来源与研究目的 1 . 1 . 1课题来源 ( 1 )国家 “i一 五”科技攻关课题:中国开放式数控系统结构 ( 2 0 0 1 b a 2 0 3 b o i ) o ( 2 )国家科技攻关计划:数控系统开放平台及数字驱动单元开发 ( 2 0 0 1 b a 1 1 1 c ) . 1 . 1 . 2研究目的和意义 当今数控技术， 正朝着功能 上的系统化、 柔性化、 集成化、 智能化， 性能上的高 速、高精、高效、高可靠性方向 发展。 这种发展的动力来自 于计算机技术、 控制技术 和信息技术等相关学科的快速发展和相互融合。特别是计算机技术的发展，使得高度 模块化、高度构件化、高 度兼容性成为了以计算机为基础的软硬件产品 所应具备的要 求， 这种要求最终表现在开放式的系统体系结构上。反而言之，只有在开放式体系结 构下， 数控技术才 能具备对最新计算机技术、 c a d / c a m 和新加工工艺等相关技术的快速 反应能力与吸纳性，才能使大范围的技术协作成为可能，才能尽可能满足不断变化的 发 展 需 求 口 一“ 。 另一方面， 数控系统从专用封闭式体系结构向 通用开放式体系结构发展，既是为 了适应市场的需求，也是技术发展的必然。1 9 9 0 年代以前，由于技术上的限制，数控 系统主要以封闭结构的专用型为主，最具代表的是日 本 f a n u c公司产品。随着微电子 和计算机技术的迅速发展、数控系统本身复杂性的不断增长、与第三方软件兼容的要 求、开发人员频繁流动及同行之间激烈竞争等因素的影响，迫使数控系统生产商不断 提高系统质量， 尽可能缩短产品开发时间。为此美国政府于1 9 8 0 年代末率先提出开放 式数控系统概念，1 9 9 0 年代欧洲、日 本积极响应，相继推出并实施了n g c 计划 ( n e x t g e n e r a t i o n w o r k - s t a t i o n / m a c h i n e c o n t r o l le r ) 及o m a c 计划 ( 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 le r ) 、o s a c a i i 划 ( 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 s ) , 0 s e c 计划 ( 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 ) 等4 1 目前， 我国 数控 技术和数控 产业可 谓危机与 机遇并 存卜 刀 ， 数控产业面临十分 严峻 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 的考验，主要原因为:由于计算机及相关技术的快速发展，促使西方国家的数控系 统正朝开放式体系结构方向 快速发展， 而我国的数控系统还不具备这种特征。 由 于 我国数控技术及产业的发展相对落后，还不具备规模生产能力。西方国家以往对我国 进行 “ 高档封锁、低档倾销” ，现在则是以开放的旗号来冲击市场。因此，我国数控产 业如果不能在性价比上突破，并主动适应市场竞争，则生存条件将日 益艰难。西方 国家数控技术的起步过程都有一个相对封闭的、受保护的环境，待产业成熟之后再走 开放式结构的道路，而我国加入 w t o后这种保护环境已不复存在，这就决定了我国不 可能走西方发展数控技术的老路。 目 前，我们在发展数控技术方面也具备相当有利的条件:首先， 基于p c 来开发数 控系统的技术体系出现，为我国数控技术发展提供了良 好机遇，把握这一机遇，扬长 避短， 有可能加速数控技术发展， 而且基于p c 体系结构有丰富的软硬件资源和成熟的 技术支持;其次，我国经多年努力，历经 “ 引进、消化” 、 “ 自 主开发”与 “ 工程化” 攻关，已经基本掌握系统技术，并形成了一支研究、开发、生产队伍，基本具备了数 控产品配套能力;再者，有国际开放式控制系统技术规范和软件开放式技术规范可供 借鉴。 为此， 深入研究开放式数控系统的体系结构， 制定相应技术规范， 并依此开发具有 我国自 主版权的数控系统平台，推动我国新一代数控系统发展，可为提高国产数控系 统参与市场竞争的能力、开创国产数控系统品牌提供技术基础， 对促进我国数控产业 的发展具有重要意义。 1 . 2开放式致控系统研究的发展概况、动态和趋势 “ 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 ) ” 概念第一次出 现在1 9 8 8 年 前后。1 9 8 1 年， 美国国防部为了 减少军备制造对日 本控制系统的依赖性，开始了“ 下 一代工作站/ 机床控制器 ( n g c ) ”计划，1 9 9 0年美国国防部启动了 o a s y s项目 来作为 n g c 的后续工作。 其后许多相关研究计划在世界各地相继启动， 其中影响较大的有美国 的o m a c 、 欧洲的o s a c a 和日 本的o s e c 。 我国也积极开展了 开放式数控系统结构的研究。 1 . 2 . 1 n g c 与 o 1 1 a c l 分布式控制，可适应在单个工作站内的多级控制; 按系统、子系统和模块对系统进行分解; 定义了虚拟机，可方便模块间的相互交换与操作; 控制程序由三级设计表示; 定义了n m l ( n e u t r a l m a n u f a c t u r i n g l a n g u a g e ) 语言 进行信息传递; 人机接口山通用的外观和界面组成; 山 信息库管理系统信息 ( 包括实时数据在内) ; 定义了传感器/ 操作部件的信息协议标准。 . 计算机平台 虚拟机械 工作站管理 人机接口 n g c 于1 9 9 4 年完成， 完成了原型研究并转入工业开发应用阶段，由 美国f o r d , g m 和c h r y s l e r 三大汽车公司为首， 在n g c 的指导下， 联合提出进一步的o m a c 开发计划。 o m a c 将制造控制系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口 、运动控 制、 传感器接口 等模块， 并提出由 基类、 模块、 系统结构设计和系统详细设计等组成 的系统开发“ 参考模型” 。该计划的目的是使控制器生产厂、 机床厂和最终用户能够在 该 “ 参考模型”结构下，缩短系统开发周期、降低系统开发费用、简化系统集成和二 次开发、简化系统使用和维护。 1 . 2 . 2 o s a c a 及其分析1 14 - 16 ) 1 . 2 . 2 . 1 o s a c a 基本原理 o s a c a是欧盟为了 增强其机床和控制器制造商在国际市场的竞争力而制定的开放 式控制系统体系结构研究计划，参加单位来自 欧洲各国多家机床厂、 控制器厂商和高 等院校。其指导思想为:一个开放式控制系统包括一组逻辑上独立的器件，器件之间 及器件与应用平台之间的接口有完备的定义，允许来自 不同制造商的器件协同工作， 以构成一个能在各种平台上运行的完整控制，而对于用户和其它自 动系统呈现统一的 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 界面。 o s a c a 参照开放式系统及其互连模型提出了 一个“ 分层系统平台+结构化功能单 元”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性。 从结构角度看，一个o s a c a 控制系统包括两个主要部分:应用软件和系统平台， 如图 l . 2所示。应用软件集成了一个控制系统所有的特定功能和独立模块即结构对象 ( a r c h i te c t u r e o b j e c t , a o ) . a o 使 用o s a c a 的 接口 ， 而且 能 在不同 的 、 兼容的 系 统 平 台上运行。系统平台包括不针对特定控制的系统硬件和系统软件， 它支持应用软件的 运行。系统硬件包括电子器件，如处理器主板和输入输出模块等;而系统软件包括操 作系统、 通信系统和驱动程序等。 系统平台 通过标准a n提供服务， a n隐藏了 平台 服 务的实际操作，因此允许a o 移植到不同的环境中。 + s y s 怕m p l a t f o r m 十 图1 . 2 o s a c a 控制系 统的 基本结 构 系统平台体现了 系统结构的开放性。 通过提供统一的、 标准的 通信系统支持a o 的互操 作性。该通信系统不仅允许数据的交换，而且定义了 数据交换的协议。a o的可移植性 由标准a m保证。 更换硬件可以提高或降低平台的性能。 增加、 减少或修改a o 可以改 变平台的功能， 从而实现可扩展性。 增加、 减少或者修改a o 又可以实现互换性。 o s a c a 结构由三个主要部分组成: 参考结构( r e f e re n c e a r c h i t e c t u r e ) 、 通信系统( c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 和配置系 统 ( c o n f i g u r a t io n s y s t e m ) ， 如图1 . 3 所示。 尹 门亚 制 赢丽 妻 面 画 丙 示 它们提供怎样的开放接n ? 图1 . 3 o s a c a 开放式平台结构 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 通信系统是o s a c a 的核心部分， 它屏蔽了操作系统差异， 保证了a o的可移植性和 互操作性及系统配置文件的通用性。它是 a o交互的唯一途径，支持同一处理板上 a o 间的信息交换及通过系统总线或其它传输机制连接在一起的不同处理板上a o 间的 信息 交换。通信系统基于客户机/ 服务器机制来实现。 参考结构阐述了 数控功能需要哪些a o ， 提供哪些开放式接口等相关问题。 具体讲， 参考结构指出了 实现某一 特定功能的控制系统所需a o 的定义、 种类及数量。 依据参考 结构，在数量和功能上可对a o 进一步扩展，可将其分解为更小的单元. 配置系统则阐述了a o 在其相应平台上的实例化及其配置问题。即当一个控制系统 实际运行于某一平台上时， 为完成某一特定工作， 需使用哪些a o 及其连接关系。 配置 步骤如下:用户开发出软件包;利用配置工具离线编写配置文件;在控制系统 启动时，系统平台 根据配置文件动态地完成控制系统配置。 1 . 2 . 2 . 2 o s a c a 参考结构 o s a c a 参考结构基于以 下几个概念: . 功能单元 ( f u n c t i o n a l u n i t , f u ) : 代表一台 制造机床的完整的、 集成的功能 部分，从逻辑功能角度将机床分割成不同的单元。 . 任务区: 是解释传统的、 面向 硬件的控制器与o s a c a 意义上的、 面向 软件的 控 制器之间关系的一个术语。 一般地，控制器的 功能可以 被分割成几个任务区。 . 结构对象 ( a o ) : 代表与f u 相对的软件部分. a o 可被通信系统访问， 并且可被 集成到o s a c a 平台 上， a o 是用来驱动f u 的软件模块。 . 通信对象( c o m m u n i c a t i o n o b j e c t s , c o ) : o s a c a 控制器的通信是由c o 完成的， c o 构成了a o 之间的接口。 针对每一个f u ，都有一组c o 被定义。 参考结构通过定义和指定每一个f u 的c o 来定义和指定控制系统的f u 及其接口。 o s a c a 参考结构将系统划分为三个任务区，而f u 从属于这些任务区 ( 如图1 . 4 ) : . 人机控制任务区 ( h u m a n m a c h i n e c o n t r o l , i im c ) 。具体应用包括: 人机界面， 外部通信处理， 诊断 和故障处理， 统计， 监控和生产计划等模块。 . n c核心任务区。其功能单元包括:运动控制 ( m o t i o n c o n t r o l , m c ) ，运动 控制管理器 ( m o t i o n c o n t r o l m a n a g e r , m c m ) ， 轴控制 ( a x i s c o n t r o l , a c ) , 主轴控制 ( s p i n d l e c o n t r o l , s c ) 等。 . 逻辑控制任务区。其功能单元包括:单元协调器，系统协调器.逻辑控制服 务， 使功能单元适应n c 的逻辑控制接i7 等。 其它功能单元还有刀具管理、托板管理、诊断、维修等，可分属于不同的任务区。 1 . 2 . 2 . 3 o s a c a 构件的交互风格 o s a c a 通信系统的设计是与o s 1 基本参考模型 工 s 0 7 5 9 8 ) 紧密相连的。 因此o s a c a 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 通 信 系 统 严格以 消 息为 基 础， 采 用分 层结 构. 两 个关 键的 层 是 应 用 服务 系 统( a p p lic a t io n s e r v i c e s s y s t e m , a s s ) 和消息 传输系 统( m e s s a g e t r a n s p o rt s y s t e m , m t s ) ， 此外还有 一 个位于a s s 之上的 可选层即 通信对 象管理 器( c o m m u n i c a t i o n o b j e c t m a n a g e r , c o m ) , 它是通信系统与应用程序之间的高级连接，如图1 . 5 . t a s k - ar e a h mc: h u ma n ma c h i n e c o n t r o l c or m : co o r d in a t o r ma c h i n e m c : m o t io n c o n t ro l t o o l - m g m j o o l m a n a g e m e n t s c: s p i n d l e c o n t ro l h mi : 日 u m a n - m a c h ln a i n t e rf a c e a c: a x e s c o n t ro l l c : l o g ic c o n t rol m c m m o t io n c o n t r o l m a n a g e r 图1 . 4 o s a c a 任务区和功能单元的关系 m 1 s 是面向连接的，它实现 i s o / o s i 第4 层界面和 1 -4 层的协议堆栈，为a s s 或 某些a o 的界面。 在通信系统中， m t s 是唯一依赖于系统硬件和软件的一层， 它隐藏o s a c a 结构中其余各层需要的所有操作系统功能。 m t s 具有统一的界面， 该界面通过服务端口 实现与上层的通