（机械制造及其自动化专业论文）基于web的数控服务系统的研究与开发.pdf

查垦查堂堡主兰垡笙塞 一 摘要 将w e b 技术应用于数控系统，对实现数控系统的网络化和开放化，适应网络经济时代制造业的发展有 重要的实用意义。本论文主要研究基于w e b 的数控系统中的支撑子系统基于w e b 的数控服务系统。 论文对基于w e b 的数控系统的功能需求进行了分析，并在对c s 和b s 体系结构进行比较的基础上， 提出了满足系统功能需求的框架体系结构和网络拓扑结构。接着对基于w e b 的数控服务系统的体系结构进 行了研究，并提出了此系统的功能模型和实现流程。 论文对实现基于w e b 的数控服务系统的软件支撑技术进行了研究：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 数据库服务器利剧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。 论文对基于w e b 的数控服务系统设计的主要功能的实现技术进行了研究：利用网络技术实现了较大数 控程序文件通过浏览器进行远程传输的功能；利用正则表达式技术实现了数控系统定制的功能，并实现了 对数控程序按照选定数控系统进行相应检验的功能；将产生式规则系统应用于数控故障远程诊断，实现了 用户通过浏览器进行交互式远程故障诊断的功能。 在对以上各项研究的基础上，开发了基于w e b 的数控服务系统的原型。该原型系统已在实际项目中得 到了应用，相关的研究也得到了验证。 关键同：数控系统，w e b ，体系结构，数控检验，故障诊断 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fw e bt e c h n o l o g yt on cs y s t e mi ss i g n i f i c a n t i nr e a l i z i n gt h en e t w o r ka n d o d e nn e e d so fn cs y s t e ma n da d a p t i n gm a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t t h i st h e s i s i sm a i n l yf o c u s e d o nw e b - b a s e dn cs e r v i c es y s t e m ，w h i c h i st h es u p p o r t i n gs u b s y s t e mo fw e b b a s e dn cs y s t e m t h ef u n c t i o nd e m a n d so fw e b - b a s e dn cs y s t e m i sa n a l y z e d ，a n do nt h eb a s iso fc o m p a r ec s s t r u c t u r ew i t hb s o n eaf r a m ea n dn e t w o r kt o p o l o g ya r ep u tf o r w a r d ，w h i c hc a r ls a t i s f y i t s f u n e t i o nd e m a n d s m o r e o v e r ，t h ew e b b a s e dn cs e r v i c es y s t e ms t r u c t u r ei ss t u d i e d a n di t sf u n c t i o n m o d e la n df l o wo fr e a l i z a t i o ni s a d v a n c e d f h e s u p p o r t i n gt e c h n o l o g y f o rr e a l i z i n gt h ew e b b a s e d n cs e r v i c es y s t e m i ss t u d i e d j a v a - b a s e ds e r v l e t 、j s pa n dj a v a b e a nt e c h n o l o g y i sc h o s e nt od e v e l o pa tw e bs e r v e re n d ，w h i c h r e a c h e st h en e t w o r ka n do p e nn e e d so fn cs y s t e m w e bs e r v e ra n dd a t a b a s es e r v e ri sc o m m u n i c a t e d w i t hj d b ca n da d v a n c e di n t e r f a c ed e v e l o p e db yj a v a b e a n j a v a s c r i p t t e c h n o l o g y isu s e da tw e b b r o w s e re n dt oc o m m u n i c a t ew i t hu s e r s ， w h i c hc a nr e d u c et h eu n n e c e s s a r yn e t w o r kf l o w - i nt h isp a p e r ，s o m ei m p l e m e n t a lt e c h n o l o g y i n v o l v e di nt h es y s t e m sm a i nf u n c t i o n si sa l s o s t u d i e du s i n gn e t w o r kt e c h n o l o g yb i g g e rf i l e s c a nb et r a n s m i t t e dt h r o u g hb r o w s e r u s i n gr e g u l a r e x d r e s s i 。nt e c h n 0 1 0 9 yt oc u s t o m i z en cs y s t e m ， n cp r o g r a m sc a nb ev e r i f i e dc o r r e s p o n d i n g l yt o t h es e l e c t e dn cs y s t e m r u l e b a s e ds y s t e mi sa p p l i e dt on cf a u l t sr e m o t ed i a g n o s ea n d u s e r sc a n g e tc o n s u l t a n tt h r o u g hb r o w s e r b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ， ap r o t o t y p eo ft h i ss y s t e mi sd e v e l o p e da n di t sa p p l i c a t i o n i nap y o j e c th a sv e r i f i e d t h er e s e a r c h k e y w o r d s ：n cs y s t e m ，w e b ，s y s t e ms t r u c t u r e ，n cv e r i f i c a t i o n ，f a u l t d i a g n 0 8 8 i i 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 y5 8 2 3 4 5 一、学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它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。 签名：垄釜醚日期：鱼型 二、关于学位论文使用授权的说明 尔南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和l 电 f 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅干借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名导师签名：拉日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数控技术的发展历程与研究现状 当今f 壁界上一切制成品无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工具器械所制造的，因此机床又被 称为：i ：作母机，其现代化程度直接关联着制造业的现代化程度，而机床的现代化程度又集中体现在数控机 床上，数控机床是i ：厂自动化的基础，数控技术是数控机床的关键技术。 现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技 术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用开创了 制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。【1 1 数控技术是提高产品质撞、提高劳动生产效率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业生产 方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业 实现自动化、柔性化和集成化生产的基础，现代的c a d c a m 、b m s 和c i m s 等都是建立在数控技术之上。数 控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出1 ：1 产品， 世界贸易额逐年增加。 因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合园力水平的重要基础性技术其水平高低是衡 量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今制造业的发展方向。 专家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。 有鉴r 此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制造业水平的重要基础，竞相发展本国的数控产业。 曰本由于数控技术高度发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地位。欧洲要适应市场竞争的需求， 从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本平【l 欧洲等工业国家竞争的焦点之一。由于数控 产业的发展并不是企业行为，而是在某种程度上体现了政府意志，其发展快慢有赖于政府的支持，因此日 本、美国、意大利、西班牙、印度等国都采用了一些扶持本国数控产业发展的政策措施。我国己充分意识 剑发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展中国的数控产业，把发展数控技术作为振兴 l 东南大学硕士学位论史 机械工业的重中之重。 1 1 1 数控技术的发展历程 数控机床是数控技术对传统机械制造渗透的产品。1 9 5 2 年美国帕森斯( p a r s o n s ) 公司和麻省理工学 院合作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，这是2 0 世纪 机床工业最重要的技术创新之一。从那时起，数控技术的发展经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个 阶段叫做n c 阶段，经历了电子管、晶体管和小规模集成电路三代。自1 9 7 0 年小型计算机开始用于数控系 统就进入了第二个阶段，叫做c n c 阶段，成为第四代数控系统；从1 9 7 4 年微处理器开始用于数控系统即 发展到第五代。到8 0 年代，数控技术总体发展趋势是：数控装置由n c 向c n e 发展；广泛采用3 2 位c p u 组成多微处理器系统：提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁减、扩展和功能升级，满 足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；c n c 装置向人工智能方向发展；采用新 型的自动编程系统；增强通信功能：数控系统可靠性不断提高。 总之，数控技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来 越高。从2 0 世纪9 0 年代开始，微电子技术和计算机技术的发展速度突飞猛进，个人计算机即p c 机的发 展尤为突出，在软硬件等各个方面的进展日新月异。计算机所用芯片的集成化程度越来越高，功能越来越 强，而成本却越米越低，原来在大、中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先出 现了所谓在p c 机平台上开发的数控系统，即p c 数控系统，也就是现在所说的第六代数控系统。 2 , 3 1 】1 2 数控技术的研究现状 近几年来，数控系统的研究者们越来越多的关注到计算机领域及其相关领域的发展和变化，并且尽可 能的采用这些领域的新成果。美国政府在其公布的与制造技术有关的发展方向上，已将与p c 机的操作系 统和硬件结构兼容作为其中的两项重要内容。不仅美国，包括日本和德国在内的世界上最大的数控系统生 产厂商，他们的数控系统也在尽量采用计算机发展的新成果，积极发展第六代数控系统。 计算机的迅速发展给我国数控产业带来了巨大的希望和前所未有的机遇，即在现有通用计算机平台上 开发具有我们自主版权的数控系统。在文献( 4 中- 南京四开电子企业有限公司的陆启建等指出我国应不 断采用计算机发展的新成果，积极发展第六代数控系统，抓住这一难得机遇，把我国的数控技术搞上去。 数控系统原有的专用体系结构，随着技术的进一步发展，已经越来越暴露出它固有的缺点。例如，系 统硬件的捌闭性导致计算机技术的一些最新成果不能方便、及时地应用于数控技术：数控系统功能的单一 和不可扩展性不能很好地适应加工需求多样化和设各个性化的要求，用户很难添加自己的专用功能；系统 2 东南大学硕士学位论文 的维护和培训费用过高等。另一方面，p c 机结构透明、硬件模块开放、软件资源丰富。因此，随着p c 机 硬件和软件的成熟，建立基于p c 机、具有开放式体系结构的数控系统成为数控技术的一个发展趋势。在 我国，以南京四开电子企业有限公司、华中数控系统有限公司为代表的一些数控公司白2 0 世纪9 0 年代初 就陆续推出了具有自主知识产权的第六代数控系统。、7 1 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 计算机辅助没计$ u 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， r 需要方便快捷地_ 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 ) 为计量单何。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1 ：3 ，并在企业计算中心( 如c a d 中心) 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。1 8 1 为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，制造系统的重要组成部分一数控系统就必须尽快实现真正 的网络化。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i n t e r n e t i 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 功能。【9 j 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。国内的学者们也意识到了这一点，因此， 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。文献 1 0 就提出了基于w i n 9 5 n t 操作系统实 现开放式数控系统的两种模式：单机控皋4 模式和上下位机通信模式，并指出网络技术的发展给上下位机通 信模式的应用带来了光明的前景。 武汉华中数控系统有限公司的刚道善等则在文献 1 1 、 1 2 中介绍了他们开发的华中网络数控系统。 该系统是华中i 型开放式数控系统与网络功能整合的结果，其硬件平台采用工业p c 机，通过并行口与机 床相连；在p c 总线上能够连接网卡等p c 机外设。其自行开发的智能加工控制接口，既可以通过并行口与 机床相连，也可以南接插到总线上，具有一定的开放性。但是，华中网络数控系统所实现的数控系统的网 络化局限在企业网内部，不能为真正的远程数控加工监控和远程数控故障诊断提供坚实的基础。 文献 1 3 提出了基于华中网络数控系统组建开放式网络化数控系统的体系结构：在企业网内部添加服 务器由它负责和各网络数控机床进行数控信息的网络传输：并与远程终端建立会话连接，接受和处理远 程终端发送的数据或者请求信号，将处理后的信息反馈回提出请求的远程终端。这种方式将数控系统的网 络功能从企业网扩充到了因特网，可以实现通过i n t e r n e t 享用服务器端机床设备。但由于其使用的还是 c s 结构，所以必须要在远程终端即普通p c 机上安装专用的网络数控系统软件。这种结构对远程用户来说 有两大缺点，一方面用户必须安装相应的客户端软件，另一方面还要学习该软件的使用。另外使用专用的 3 东南大学硕士学位论文 网络数控系统软件意味着用户即使安装了相应的客户端软件，也只能通过i n t e r n e t 使用相应数控系统的 机床设备而无法使用其它数控系统的机床设备。 当前，随着i 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 麻h 的莲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。而基丁w e b 模式来设计数控系统，则可以真正做到完全分布式平u 开放式。 基于w e b 的技术应用于数控系统有如下一些特点： 1 基于w e b 的数控与应用平台无关。数控系统实施时将会遇到各种硬件殴备及操作系统，而 f n t e m e t i n t r a n e t 基于t c p i p 开放式网络标准。能在绝大多数计算机平台上运行，解决了数控系统 的跨平台问题。 2 w e b 技术便于管理数控系统中各种类型数据。数控系统涉及各部门产生和使用的产品信息，包括 文件、图形、文本、数值及指针等类型的数据。采用w e b 页面以及插件的方式可以处理各种数据 类型，而且w e b 页面特有的媒体功能可以方便的实现数控系统的图形化管理。 3 系统开发l ? 作鸷小节省时间与资金。数控技术与w e b 技术结合，系统只需开发w e b 服务器端软 件，系统安装也随之简化。 4 ，实效性特征明显。在基于i n t e m e t i n t r a n e t 的网络上，无论是企业本地的用户，还是远程的用户都 可以随时更新系统信息。 5 结构的开放性与数据共享。基于w e b 的数控系统是具有开放性的系统，它能够方便的与其它系统 进行集成，与其它系统共享数据，提高c i m s 中c a m 模块的信息自动化水平。 6 维护易于实施。采用w e b 技术，支持远程或异地数控编程、加工和监视，客户端的维护代价几乎 为零便于系统升级、维护和推广。 根据以上分析可以看出，将w e b 技术应用于数控系统，对实现数控系统的网络化和开放化，适应新时 期制造业的发展有重要的实用意义。 4 东南大学硕士学位论文 1 2 课题来源及其研究内容 1 2 1 课题来源 本课题来源于江苏省科技攻关项目“基于w e b 的数控系统在普及型数控机床中的应用”。该项目提出 了将w e b 技术应用于数控系统的研究，旨在通过对开放式数控系统的研究，构造以p c 为平台具有开放式 体系结构的模块化数控系统。 1 2 2 课题研究内容 基于w e b 的数控系统按照上位机的功能分为三个子系统：基于w e b 的数控服务系统、基于网络的远程 数控仿真系统和基于网络的远程数控加工监控系统。本课题依托该攻关项目，将着重于其中基于w e b 的数 控服务系统的研究，主要包括以下几个方面的内容： 1 研究基于w e b 的数控系统的功能需求和体系结构，使之能够满足基于w e b 的数控系统的网络化和 开放性的要求。 2 研究基于w e b 的数控服务系统的体系结构、功能模型和实现流程，以实现该系统的功能要求，并 满足其作为支撑平台便于同另外两个子系统进行集成的要求。 3 研究实现基于w e b 的数控服务系统的软件支撑技术，使之能够完成系统的功能，并符合其体系结 构，在此基础上尽量做到易于使用、易于维护。 4 研究实现基于w e b 的数控服务系统的关键技术，解决w e b 技术下实现数控系统服务功能过程中遇 到的难点。 5 在以上研究的基础上，开发一个基于w e b 的数控服务系统的原型系统，并完成与其它两个系统的 集成。 1 3 论文组织结构 论文共分为七章，其组织结构如图1 1 所示。 第一章：绪论，首先简要介绍了数控机床关键技术一数控技术的发展历程，并对数控技术的研究现状 进行了分析，接着说明课题的来源以及研究内容，晟后介绍了论文的组织结构。 第二章：基于w e b 的数控服务系统的体系结构，在分析基于w e b 的数控系统的功能需求和比较两种网 络架构模型的基础上提出了基于w e b 的数控系统的框架体系结构和网络拓扑结构，接着对课题所涉及的基 一 一至里查兰堡主兰竺笙苎 丁w e b 的数控服务系统的体系结构、功能模型和实现流程进行了详细地阐述。 第二章：基于w e b 的数控服务系统的软件支撑技术，对系统实现中用到的相应技术一j s p 、s e r v l e t 、 j a v a b e a n 和j d b c 以及其在本系统中的应用进行了介绍。 第四章：实现基于w e b 的数控服务系统的关键技术，对系统实现中用到的文件上传技术、数控系统定 制技术和数控程序检验技术队及数控故障的远程诊断进行了详细的阐述。 第五章：基于w e b 的数控服务系统的开发和应用，介绍了系统的开发环境、系统数据库的设计和系统 在w e b 服务器端的实现。 第六章：总结与展望。对课题完成的主要工作进行了总结，并提出了进一步的研究方向。 图1 1 论文的组织结构 6 东南大学硕士学位论文 第二章基于w e b 的数控服务系统的体系结构 2 1 基于w e b 的数控系统的功能需求 数控系统是数控机床中重要的部件之一，是数控机床的技术核心。基于w e b 的数控系统一方面要发挥 p c 机软硬件上的优势，对普通数控系统进行功能上的强化和补充，另一方面要发挥网络技术特别是w e b 技 术的优势为远程_ _ | j 户提供极大的便利。普通数控系统，在硬件上存储空间有限，不能存放较多的数控程 序；在软什上数控程序的编辑和管理都不方便。在故障诊断方面，普通数控系统很少带有自我诊断功能， 即使有也往往只能将故障原因定位在某一范围内，出现数控故障后，维修人员还需凭借经验在维修手册所 提供的多种可能的故障原因中找到真正的故障原因，这样就对维修人员提出了较高的要求，如果维修人员 不能及时找到故障原因并加以排除，就会影响企业生产。另外，普通数控系统一般没有网络功能，企业生 产车间的一台台数控机床成为一个个信息的孤岛，无法共享数据，更别说通过i n t e r n e t i n t r a n e t 由w e b 用户来访问和控制了。江苏省科技攻关项目“基于w e b 的数控系统在普及型数控机床中的应用”提出开发 基_ j = 二w e b 的数控系统，正是针对了普通数控系统的以上不足，意图发挥网络技术特别是w e b 技术的优势， 实现普通数控系统的网络化、开放性。通过开发相应的w e b 应用程序，可以将普通数控系统改造成为基于 w e b 的数控系统，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。 2 2 基于w e b 的数控系统的体系结构 随着网络技术的b 速发展应用软件系统的体系结构正逐渐由传统的两层c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户机 i n 务器) 模式向三层的b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器j j l 务器) 模式转化。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 1 传统两层c s 网络模型 传统两层c s 模式，其网络架构模型如图2 1 a 所示，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l 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。 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。 图2 1 a 两层c s 架构模型 2 2 2 三层b s 网络模型 i客户端l 1w e b 浏览器l ， l网络传输协议 1w e b 服务器 数据引擎 数据库服务器 图2 1 b 三层b s 架构模型 基于w e b 的b s 结构将传统两层c s 结构扩展成三层，其网络架构模型见国2 1 b 。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。 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 mr e s o u r c el o c a t o r ，通用资源定位器) 8 东南大学硕士学位论文 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 1 b 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n 务器应用扩展到整个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 3 基于w e b 的数控系统的体系结构 一个应用软件系统的体系结构决定了它的性能的优劣以及各种功能能否得以实现。因此，研究系统合 理实用的体系结构，是开发基tw e b 的数控系统应解决的首要问题。根据上述分析，为了满足基于w e b 的 数控系统的网络化和l 开放性的要求，采用基于b s 的三层结构模式是开发相应软件系统的必然选择。 1 系统的框架体系结构 图2 2 基于w e b 的数控系统的框架体系结构 9 网) 东南大学硕士学位论文 综合第一节的功能需求分析和本节前面两种体系结构的比较结果，系统采用了如图2 2 所示的框架体 系结构。系统主体采用三层b s 网络架构模型，表示层对应客户端p c 机的w e b 浏览器；事务逻辑层对应 w e b 服务器、仿真应用服务器和加工服务器；数据层则对应数据库服务器。w e b 服务器负责和w e b 浏览器 交互，实现对数控程序的编辑、管理、检验和仿真，对数控故障的诊断。仿真服务器和加工服务器分别负 责和嵌入w e b 浏览器端的仿真控件和加工控件交互，实现对数控程序的仿真以及对数控加工的监视和控制。 事务逻辑层的w e b 服务器、仿真应用服务器和加工服务器一方面要和表示层的w e b 浏览器进行交互，另 方面也要和数据库服务器进行交互，这样才能完成相应的功能。其中加工服务器还要和数控系统进行交互， 它们之间是按照双方自定的协议进行交互，但它们之间的交互对w e b 用户来说是不可见的，因此采用什么 协议对w e b 用户也没有任何影响。 远程用户还可以从系统网页一f 载客户端仿真程序，安装运行后，一方面可以对本地数控程序进行仿真， 另一方面可以通过和仿真应用服务器交互实现对网络数据库中的数控程序进行远程仿真。 2 系统的网络拓扑结构 整个基于w e b 的数控系统的网络拓扑结构如图2 3 所示，分成三层：c a n 网( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ， 控制器局域网) 、局域网和因特网。数控机床的数控系统和加工控制服务器上分别插入c a n 卡，连成c a n 网，实现数控系统现场级的网络化，满足数控系统加工数据实时传输的要求。加工控制服务器和加工监视 服务器、w e b 服务器、数据库服务器以及企业内部的其它服务器，连成局域网，成为企业的倍息中心，一 方面可以通过局域网为企业内各部门提供服务，另一方面也可以为企业外的用户提供服务。企业外的用户 要享用企业提供的数控服务可以通过i n t e r n e t 访问企业局域网内的w e b 服务器。 数控机床数控机床数控机床数控机床 图2 ，3 基于w e b 的数控系统的网络拓扑结构 1 0 至塑查堂堡兰三兰堡堡兰 2 3 基于w e b 的数控服务系统的体系结构 基于w e b 的数控系统按照功能划分成三个子系统：基于w e b 的数控服务系统、基于网络的远程数控仿 真系统、基于网络的远程数控加工监控系统，分别实现数控服务功能、数控仿真功能和数控加工监控功能。 作为另外两个子系统的支撑平台，基于w e b 的数控服务系统所提供的数控服务功能，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，还包括为数控程序远程仿真和数控加工远程监控提供各方面 的支持，主要是相关数据的存储和管理。另外，作为一个w e b 应用，基于w e b 的数控服务系统除提供数据 处理、存储和管理功能之外，还须考虑数据安全性方面的问题。基于w e b 的数控服务系统和基于网络的远 程数控仿真系统、基于网络的远程数控加工监控系统，这三个子系统共同合作，才能将普通数控系统改造 成基于w e b 的数控系统。整个基于w e b 的数控系统的框架体系结构在前面已经介绍过了，其中基于w e b 的 数控服务系统的体系结构则如图2 4 所示。 w e b 浏览器( h t m l j a v a s c r l p t ) 验证用户输入广一_ _ _ 获取用户输入l 表示层 i f 。t t ， l 表示层 i 1 i 获取页面显示信息l1 1 l 1 + 用户管理模块 模r 数控程序管理模块 蓥广+ 辅助信息管理模块 制l _ 数控系统管理模块 数控故障诊断模块 事务逻辑层 w e b 服务器( j s p s e r v l e t j a v a b e a n j d b c s q l ) j d b c l 芝兰竺：! 苎j 匙堡竺! ! ：呈型i 竺三! 皇嬖j 篷竺苎竺! 里型 蓝i i i i 堇釜j 数据层 数据库服务器( j d b c s q l ) 图2 4 基于w e b 的数控服务系统的体系结构 东南大学硕士学位论文 第一层是表示层，一方面它将用户输入的参数传递给中间的事务逻辑层处理，另一方面它将事务逻辑 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，这 和图2l b 所示的略有不同。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s u n 公司的j s p 技术。 第二层是事务逻辑层，它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。这部分的开发选择了s e r v l e t + 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。 第二层是数据层，它负责管理应用程序中用到的各类数据，包括用户信息库、数控程序信息库、数控 系统信息库、辅助信息库和数控故障诊断信息库。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，这些关于系统开发所采用的软件技术在第三章会有详细阐述。 采用这种三层b s 模式，不仅能够使系统具有更高的安全性、更易于维护、开发成本低，而且更重要 的是能够使系统具有更大的灵活性，易于进行重新配置和功能扩充。这样从软件的角度保证了数控系统的 开放一| 生。 2 4 基于w e b 的数控服务系统的功能模型及实现流程 2 4 1 系统的功能模型 根据基于w e b 的数控服务系统为用户提供的各类服务，相应的将系统划分成五大功能模块，各功能模 块又细分成若干子模块，具体的可以见图2 5 。 其中，用户管理模块是基本功能模块，基于w e b 的数控服务系统提供的其它各项功能都需要在该模块 的基础上进行工作，以保证数据库中数据的安全性。 基于w e b 的数控服务系统的核心模块包括：数控程序管理模块、数控系统定制模块以及数控故障诊断 模块。数控程序管理模块为用户提供基本的数控程序添加、修改和删除服务，按各项关键字搜索所需数控 程序的服务，以及必不可少的数控程序检验服务。在数控程序添加服务中包括为w e b 用户特别设计的数控 程序文件上传服务，能方便的将w e b 用户的本地文件存到远程数据库服务器端，访问时则和普通添加方式 1 2 东南大学硕士学位论文 完全一样。由于各数控系统对数控程序的编制要求各不相同，所以要为广火的w e b 用户提供数控程序检验 服务，就必须将各数控系统不同的要求定制出来，这就是数控系统定制模块和数控程序管理模块同为系统 核心模块的原因。究竟如何才能做到对相应数控系统的数控程序进行检验，这在第四章的关键技术中将有 详述。数控故障远程诊断模块可以为用户提供数控故障的交互式远程诊断，在数控故障专家系统的帮助下， 方便快捷的找出故障原因和部位。 图2 5 基于w e b 的数控服务系统的功能模块 辅助信息管理模块主要是为基于w e b 的数控系统下，基于网络的远程数控仿真系统和基于网络的远程 数控加工监控系统提供支持，管理这两个子系统所需的数据：数控机床信息、加工刀具信息和加工毛坯信 息等等。 2 4 2 系统的数据流程和工作流程 基于w e b 的数控服务系统分为五大功能模块，相应地系统所管理的数据信息也可分成五个信息库，分 别是用户信息库、数控程序信息库、数控系统信息库、辅助信息库和数控故障诊断信息库。系统的数据流 程如图2 6 所示。其中，指向数据库的单向箭头表示向数据库写入信息，从数据库指出的单向箭头表示从 数据库中渎出信息，双向箭头则表示对数据库进行读写操作a 堡堕奎堂婴圭堂堡笙兰 尝霁j 堡遴刽、鬯委竺h 刻肇j 篆骢篡憔h 黧 到幽漳警 图2 6 基于w e b 的数控服务系统的数据流程 整个基于w e b 的数控系统的工作流程可以见图27 ，其中实线框中的功能是由基于w e b 的数控服务系 统所提供的，虚线框中的功能是由基于w e b 的数控系统下的另外两个子系统所提供的。 掣 主 用户注册 h - 用户登录 身份验证 数控系 统定制 数控程序 编辑检验 翌h 鼙h 囊； 嫠麓h 嫠霪嫠 识管理f7 f 障诊断 叵囹 垂塑固 丽磊丽 失败案 例管理 图2 7 基于w e b 的数控系统的工作流程 任何用户若要访问基于w e b 的数控系统所提供的服务都必须首先注册一个用户名，登录时输入用户名 和密码，通过身份验证方可选择系统提供的服务。用户在编辑数控程序之前，需要先对数控系统进行定制 这样就能享用系统提供的数控程序检验服务。数控程序编辑完毕之后用户可以立刻对其进行检验发现任 何词法、语法或语义错误，则可以立刻进行修改，然后再次进行检验，直到检验通过。在对数控程序进行 检验时，也可能会发现数控系统定制中存在错误，这时可以对数控系统定制进行修改。用户若要继续进行 数控程序远程仿真，就必须先对相应辅助信息进行管理，选择机床、刀具和毛坯。仿真完毕之后，用户若 对结果不满意，可以对数控程序重新进行编辑、检验，也可以重新选择机床、刀具和毛坯，再次进行仿真。 用户若对仿真结果满意，则可以进一步进行数控加工的远程监控。用户还可以进行数控故障的远程诊断， 不过之前先耍通过故障知识管理模块建立数控机床的故障诊断知识库，如果诊断中未能找出故障原因和部 位，用户可以将该失败案例提交，根据用户提交的失败案例，还可以对故障诊断知识库进行修改维护。 1 4 蛰懂翌甄一+(簿圈懂圆 弼僦一 + 面信一 川薯 东南大学硕士学位论文 需要指出的是，基于w e b 的数控系统所提供的各项服务并不是任何用户都可以使用的，基于w e b 的数 控服务系统在实现时对各类用户进行了权限划分。例如，用户登录成功后都可以进行注册资料修改，但是 只有系统管理员可以注销用户，或是修改用户的权限。具体什么用户用有什么权限，将在论文第五章系统 的开发和应用中作详细介绍。 2 5 本章小结 本章首先通过对基于w e b 的数控系统的功能需求进行分析，确定了基于w e b 的数控系统所需实现的功 能。然后在对c ? s 和b s 体系结构进行比较分析的基础上，提出了满足基于w e b 的数控系统功能需求的框 架体系结构和网络拓扑结构。接着开始对课题主要涉及的基于w e b 的数控系统的子系统基于w e b 的数 控服务系统进行了详细论述，包括其体系结构、功能模型及实现流程。 查堕查兰堡主堂垡堡苎 第三章基于w e b 的数控服务系统的软件支撑技术 3 1 系统w e b 服务器端采用的技术 服务器端的w e b 技术多种多样，从传统的通用网关接口( c o m m o n6 a t e w a ti n t e r f a c e ，c g i ) ，到后来 的专有w e b 服务器a p i ( i s a p i 、n s a p i ) ，再到最近的a c t i v es e r v e rp a g e s ( a s p ) 、j a v as e r v l e t 和j a v a s e r v e rp a g e s ( j s p ) 。下面将对这几种技术进行介绍和比较，说明开发基于w e b 的数控服务系统选择基于 j a v a 的服务器端技术的原因。 3 1 1 目前主流的服务器端w e b 技术 1 通用网关接口( c g i ) 作为一种最普通的服务器端w e b 技术，几乎每个现在的w e b 服务器都提供对c g i 程序的支持。c g i 编 程的最大的缺点是它的效率不高。每当w e b 服务器接收到一个请求时，就会刨建一个完整的新进程。每个 这样的进程包括它自己的环境变量集、运行时刻环境要求的程序的一个实例和程序的一个拷贝以及程序所 需内存。当服务器同时接受到大量请求时，由于服务器的资源负担过重而可能引起系统瘫痪。 2 专有w e b 服务器a p i ( i s a p i 、n s a p i ) 为解决c g i 的低效性，微软和网景各自开发了自己的a p i ，使得开发者能够把服务器应用写成共享库。 这些共享库被装入一个进程并能处理多个请求而不需要重新创建进程。它们可以在w e b 服务器启动时加载， 也可以在需要时加载。旦它们在一段时间内没被使用，w e b 服务器就把它们从内存中卸载掉。这些共享 库一方面提高了w e b 服务器的效率，另一方面也存在着一些问题：这些a p i 与特定平台相关，程序移植困 难：在访问全局和静态变量时必须十分小心；一个服务器程序出现了访问错误，极有可能造成整个w e b 服 务器瘫痪。 3 a c t i v es e r v e rp a g e s ( a s p ) 来自于微软的最新技术是在一个称为a c t i v es e r v e rp a g e s ( a s p ，活动服务器网页) 的文件中组合了 1 6 东南大学硕士学位论文 h t m l 、脚本和服务器端组件。当服务器收到对a s p