（机械电子工程专业论文）软件重用技术在数控系统开发中的应用与研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 数控技术是现代制造技术的基础。数控系统软件的模块化、开放化和标准化是 数控行业发展的趋势。本论文从可重用的角度出发，将软件工程和软件重用的理论、 方法引入数控系统的开发，并对此作了深入的研究和探讨。 t 、首先对作为本系统的理论基础的软件工程、软件重用的技术、方法进行了系 统的分析和研究。 可重用构件库的建立是新的应用系统开发的前提， 本文对可重用 资源的获取途径以 及可重用构件库的构造、 组织和管理进行了系统的分析，提出了 具体的构造途径和管理模型。 2 ,领域工程是实现软件重用的重要环节。论文对领域工程的方法和领域分析的 过程进行了探讨. u ml 是一种基于对象的统一建模语一言，目 标是以 面向对象图符号 的 方法来描述任何类型的系统， 本文对利用u m l 进行数控系统领域建模的方法进行 了细致的分析。 3 、软件构架的重用是对系统整体结构的重用。 本文在深入剖析数控系统结构的 基础上， 对系统功能模块进行合理的划分，以数据通信为中心环节提取了可重用的 数控系统软件构架，并建立了基于数控系统构架的件库的应用系统开发模型。 4 、 利 用u m l 模工 具对 数 控系 统 位置 控 制 模块 进 行 静 态和 动 态分 析， 提 取 可 重用成分并将其划分为更小粒度的构件。同时详细描述了位置控制构件的开发过程。 最后，总结了本文的工作，并指出了进一步的研究方向。 关键词:开 放式数控系统 软件重用 领域工程 软件构架 可重用构件 建模 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t c n c i s t h e b a s i s o f m o d e rn m a n u f a c t u re . mo d u l a r iz a t i o n , o p e n a n d s t a n d a r d i z a t i o n o f c n c s y s t e m i s a t r e n d o f c n c i n d u s t ry . i n t h i s t h e s i s , t h e t h e o ry o f s o ft w a re e n g i n e e r i n g a n d s o ft w a r e re u s e a r e b r o u g h t i n t h e d e v e l o p m e n t o f c n c s y s t e m a n d d e e p ly s t u d i e d . 1 、 t h e t h e o r y o f s o ft w a r e e n g i n e e ri n g a n d s o ft w a re re u s e a s t h e b a s i s a r e a n a l y z e d a n d s t u d ie d . t h e c o n s t r u c t i o n o f r e u s a b l e c o m p o n e n t s l i b r a ry i s t h e b a s e f o r d e v e lo p i n g n e w a p p l i c a t i o n s y s t e m . t h e m e t h o d o f p i c k i n g u p re u s a b l e c o m p o n e n t s fr o m e x i s t i n g s y s t e m s , t h e c o n s t r u c t i o n , o r g a n i z a t i o n a n d m a n a g e m e n t o f r e u s a b le c o m p o n e n t s l i b r a ry a r e a n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y . t h e d e t a i l e d c o n s t r u c t i o n m e t h o d a n d m a n a g e m e n t m o d e l a r e b ro u g h t f o r w a r d . 2 , d o m a i n e n g i n e e r i n g i s a k e y s t e p t o re a l i z e t h e s o ft w a r e re u s e . i n t h i s t h e s i s , t h e m e t h o d o f e n g in e e r i n g a n d t h e p r o c e s s o f d o m a i n a n a l y s i s a r e s t u d i e d d e e p l y . u m l is a n o b j e c t - o r i e n t e d u n i fi e d m o d e l i n g la n g u a g e , i t s t a r g e t i s to d e s c r i b e a n y k i n d o f s y s te m u s i n g o b j e c t - o r i e n t e d s y m b o l , t h e m e t h o d o f c n c s y s t e m m o d e li n g 勿u m l i s a n a l y z e d i n t h e t h e s i s . 3 , r e u s e o f s o f t w a r e a r c h it e c t u re i s re u s e o f w h o l e s y s t e m s t r u c t u r e . o n t h e b a s e o f a n a l y s i s o f c n c s t r u c t u re , t h e f u n c t i o n a l m o d u l e s a re d iv i d e d re a s o n a b ly . t h e s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e is c o n s t r u c t e d b a s e d o n d a t a c o m m u n ic a t i o n , a n d t h e d e v e lo p m e n t m o d e l o f n e w a p p li c a t i o n s y s t e m o n t h e b a s e o f a r c h i t e c t u r e / c o m p o n e n t s l ib r a ry is c o n s t r u c t e d . 4 , b y t h e u s e o f u ml , t h e s t a t i c a n d d y n a m i c a n a ly s i s i s c a r r i e d o u t f o r c n c p o s i t i o n c o n t r o l m o d u l e . r e u s a b l e e l e m e n t s a re p i c k e d u p a n d t h e m o d u l e i s d i v i d e d t o c o m p o n e n t s w i t h s m a l le r g r a n u la r i t y , t h e d e v e l o p i n g p r o c e s s i s d e s c r ib e d i n d e t a i l a t t h e s a me t i me . f i n a l l y , a s u m m a ry o f t h e w o r k i n v o l v e d i n t h e t h e s i s i s g i v e n , a n d f u t u r e re s e a r c h i s p o in t e d o u t . k e y w o r d s : o p e n c n c , s o ft w a re r e u s e , d o m a in e n g i n e e r i n g , s o ft w a r e a r c h i t e c t u r e r e u s a b l e c o m p o n e n t , m o d e li n g 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1绪 论 1 . ， 课题的目的及意义 数控机床在现代制造系统中处于基础性的、 核心的地位。出于技术垄断和市场 独占等原因 ， 各厂家生产的数控系统的体系结构大多是封闭的 ， 不能进行高可靠 性的扩展。 重复的 研究开发造成了 人力、 物力、 财力的巨 大浪费， 各数控系统缺乏 兼容性阻 碍了 其升级换代， 同 时也降 低了 机床生产厂家对市场和用户的快速响应能 力。 传统的封闭、 专用数控系统已 经难以 适应当 前制造技术发展的要求. 因此， 研 究开发新一代开放化、 高可靠性数控系统具有重要的现实意义。 这种体系结构具有 面向 最终 用户播 求， 数控系 统 根据不同 功能 要求可 组 装的 完 全开放的 特性。 这种体 系结构无疑对促进数控技术的 变革， 提高企业经济效益， 加速经济发展具有重要的 现实意义. 本 论 文 将软 件 重用 技 术引 入 数 控系 统的 开 发， 建 立了 荃于 构 件技 术p c 开 放式 数 控 系 统 体 系 结 构， 运 用 领 域 工 程 的 方 法， 提出 了 系 统 模 型 并 给出 了 实 现 方 法， 实 现了 数控系统的结构和模块的重用。 本 课题 来深于国 家 科技 攻关 项目 : 数控系 统开 放平台 及数字驱 动单 元开发 ( 项 目 批准号:2 0 0 1 b a 1 1 1 c ) o ， 2 开放式数控系统发展与 研究概述 . 2 . 1 开放式数控系统的提出 在规模化大生产的初期 和中期， 数控系统的出 现、 发展和推广应用给制造业和 数控系统生产厂商带来巨 大的 经济效益。由于技术和商业经济利益等诸多原因， 传 统的数控系统一直沿着封闭式结构向 前发展。传统的c n c控制器是专用、自 封闭 的刚性系统， 各自 a有独立的 软硬件、 数据处理和通信协议等。 数控系统的开发属 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 于数控系统生产厂商独立的商业行为， 在很大程度_ 匕以 格保密。这种独立的设计模 式导致不同厂商的数控系统在内部结构、实现方法和表现风格上迥然不同，形成了 各自的标准和规范体系. 对用户来说， 这种闭式数控系统只是一个被定义了输入和 输出的黑匣子，其内部细节是不可知的，这一阶段的数控产品被称为 “ 封闭式数控 系统” ，以 其可靠性高、专业性强获得用户的青睐。 然而，随着市场需求的逐步变 化， 现代制造工业对适合中、 小型加工且具有良 好柔性和多功能的 机床与制造系统 的 需求日 益 增加， 原有 封闭 式体系结构的 数控系统 越来 越不能 满 足日 益多 变的 生 产 要求。主要有以下问 题: 1 ) 不同厂商的 数控系统自 成体系，他们之间出 于商业原因互相保密，由 于在 数控技术领域中 缺乏交流， 严重影响了数控行业先进技术的发展、 进步和普及， 使 之远远落后于其他新兴产业技术的发展步伐。 2 )系统升级和 维护困难， 每次 推出新c n c软件都要重新编写. 在原来基础上 很难或几乎不可能再加入新的控制策略方案和扩展新劝能. 维修费用高， 市场上难 以找到可替换的配件， 因 部分构件损坏未能及时修复导致整个设备不能运行的情况 经常发生， 造成系统实际使用的风险和成本增高。 3 )联网困难，由于 不同 制造商采用了 不同专用硬件和通信方法， 用户联网技 术 难 度 大、 成 本 高 。 限 制了 网 络 数 控 技 术 的 发 展. 4 ) 培训费用高。不同厂家的封闭体系结构的数控系统所提供的人机接口和操 作方法存在较大的差异， 势必提高对一线工人的技术要求， 由 此增加企业培训费用， 同时易造成加工过程中操作的混淆和失误. 5 )开发周期长，封闭体系结构导致厂家在后续产品的开发中难以方便快捷地 继 承 原 有 产 品 成 熟 的 功 能 部 件， 客 观 上 延 长了 新 产 品 的 开 发 周 期 6 ) 系 统 集 成困 难， 封闭 式 的 数控 系统 也 给系 统集 成商 带来 诸多 不 便。 例如 : 由于采用自 定义的通信标准和规约，不同厂家的设备构件产品之间不具备兼容性， 因此很难在同一系统中集中各厂商的技术优势， 也无法获取由 此带来的 性能优势和 价格优势. 开放式数控系统的概念因此孕育而生。 采用标准硬件接口、 建立在通用操作系 一一一-一一一一-，-，一， 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 统之上与设备无关的软件设计、 统一风格的人机操作界面，能集众家之所长、实现 模块可替换、 结构可重组、 功能可重塑的开放式数控系统， 可以给开发商和用户提 供从开发到应用的较大柔性和便利。 可以预见， 开放式数控系统将逐步替代原封闭 体系结构数控系统占领数控市场，具有良好的应用前景和市场前景。 由此可知，开放式数控系统的需求可涉及到数控系统的开发、生产、应用各个 环节， 体现在系统持续性开发、 集成、维护、 升级和应用适应性等各个方面。开放 式数控系统的研究成为数控技术的又一热点. 1 . 2 . 2 国 外开 放式 数 控系 统 研究的现状卜 ， ” 对于开放式体系结构， 工业发达国家已经采取许多措施投入大童人力、财力， 组织产、 学、 研各方面力t， 进行研究、开发， 其中著名的是:美国的下一代工作 站 1 机 床控制 器n o c ; 欧 共体的自 动 化系统中开 放 体系结 构o s a c a ; 日 本的o s e c 计划， 它们的主要任务都是要制定开放式控制系统的体系结构标准，以 便在这种标 准支持下， 各个开发者能分别 开发出具有互换性和互操作性的系统功能模块， 通过 标准化接口， 可将不同制造商提供的功能模块组合成所需 系统。 一、 美国的n o c和o m a c计划 n g c下一代工作站尹 机床控制器计划( t h e n ex t o ene耐onwork 一 s ta 吐 1。 川 m ac hi ne c o n tr oller)来 源于19 87年 美国 总 统里 根 签署 的 一 项 命 令， 旨 在 推 动美 国 工 业 界 形成 一个广泛的 伙伴关系， 以 利于同国外竞争。 该项目由 美国国家制造科学中心侧c m s) 与空军共同 领导，山m 耐n m 面etta 公司为主承包公司，于1989年开始实施。 n g c 是一个实时加工控制器， 要求适用于各类机床的c n c控制和周边装置的 过 程 控 制， 包括 切削 加 工 ( 钻、 铣、 磨 ) 、 非切 削 加工 ( 电 加工、 等离 子 弧、 激 光 等 ) 、 测 t 及 装 配、 复 合 加 工 等 . n o c 与 传 统cnc 的 显 著 差 别 是 基 于 “ 开 放 体 系 结 构 ” 。 其首要目 标是开 发开 放式 系统体系 结构标准规 范s o s a c(s pe ci ficationfo r ano p en s y st e m户 c hit朗 to r e s t an d ard) 用 来管 理工作站 和机床控 制器的 设计和结 构组织。 s o s a c定义了n g c系统、 子系统和模块的功能以及相互间的关系， 提出了代表控 制要求的以下九个功能设计概念: 一 1.二广一 一 一 一 一 一 - 娜 - . 一 - 一 - 一 3 1 ) 2 ) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 分级式控制结构，指出了 功能性的分解: 分布式的控制适应在单个工作站内的多级控制; 按系统、子系统和模块进行分频; 虚拟机方便了模块间的相互交换和相互操作; 控制程序由三级设计表示; 信息 通过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 传递; 公共的l o d k 和f e e ! 是人机接口的一部分; 信息库管理所要求的信息，并包括实时数据; 传感器砚作部件的操作按照标准协议进行. 3)4)5)6)力8)哟 该计划已 于1 9 9 4 年完成了n g c原型研究， 并已 转入工业开发应用. 例如美国 f o r d , ， g m和c h ry s l e r 等 公 司 在n g c计 划 的 指 导 下 ， 联 合 提 出 了。 m a c ( o p e n 七. ， m o d u la r a r c h it e c tu r e c o n t r o l le r ) 开 发 计划， 提出了 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 等构造了 完整体系结构.该计划的实现 将使系统制造厂、 机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、 降低开发费用、 便于系 统集成 和二次开 发、 简 化系统 使用 和维 护等方 面受益. 又 如c i n c i n n a t i m i l a c ro n 从 1 9 9 5 年开始在其所生产的加工中心、 铣床、 车床及激光加工等设备中采用开放式体 系结 构的a 2 1 0 0 系 嫩应用双处理 器组成， 多 功能的 开 放式系统 ) . 还有d e l t a t a u w i n d o w s n t 操作系统的多任务、 多过程、 公司利用n g c和o m a c等协议， 采用 p c机+ p m a c控 制卡 构成的p m a c开 放式c n c系 统， 获得了良 好的 应用 效果. p ma c卡与p c机之间有双端口、总线、串口 、中断等信息交换方法，p m a c卡还 提供丰富的人机接口牛 1 1 0接口、电 机控制接口，能实现交、直流电 机的闭 环位置 控制。 二、 欧洲国家的o s a c a计划 “ 自 动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e n s y s te m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o l wi t h i n s y s te m s ) ” 计划是1 9 9 0 年由 德国、 法国、 西班牙、 意大利、 瑞士 等 欧 共 体 国 家 的 系 统 制 造 厂 、 机 床 制 造 厂 和 科 研 单 位 联 合 发 起 的 ， 于1 9 9 2 年5 月 正式为欧盟官方所接受。 -一一 . . ， ， 曰 ， . ， . 娜 . . 林-一一. -一一 一-一 甲 ， . ， 甲 - 一一一州 一 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 应用软们 系统软们 硬刊 a o : 体系结构对象 图1 . 1 o s a c 体系结构模型 o s a c a 计划事实 上 分三 个阶段， o s a c a i ; o s a c a i i 和i d a s o s a c a . o s a c a i 完 成了规范和应用指南的制定; o s a c a i i 则为系统平台提供 了 软 件 模 块 池 s o ft w a re m o d u le p o o l ) ， 包括开发一个标 准 的、 通用 的o s a c a系 统 平台 及 一 系 列的 标 准 构 件; i d a s o s a c a ( 即i n f o r m a t io n d i s s e m i n a t i o n a n d a w a r e n e s s a c t i o n ) 则致力于推广o s a c a的思想及与其他开放系 统组织如o m a c . o s e c进行交流。 截止目 前， o s a c a计划的三个阶段的工作全 部完 成. 已 公布的 文件包 括 o s a c a i 在构件与平台之间定义了 很好的接口， 允许不同 供应商提供的构件之间的协调工作; 正确工作的控制器可运 行不同的系统平台 之上。 系 统 平台由 系统 硬件和系 统软 件组成， 系统软 件包含有 系统的 核心部分， 如 操 作系统、通讯系统和可选的应用程序如数据库、图形系统之类.系统平台通过 a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m i n t e r f a c e ) 对外提供服务.a p i是结构功能单元 a o ( a r c h i t e c t u r e o b j e c t ) 访问 系 统 平台 的 唯一 途径， 它屏 蔽了 平台 的 真实实 现， 保证 了系统平台的 硬件无关性和操作系统无关性。 o s a c a的三个主要组成部分为 通讯 系统( c o m m u n i c a ti o n s y s t e m ) .参考体系结构( r e f e r e n c e a r c h i t e c t u r e ) . 配置系统 ( c o n f i g u r a t i o n s y s t e m ) . 通讯系统是o s a c a的核心部分，它屏蔽了操作系统的差异，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，同时支持 - 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 处 于 同 一 处 理 板 上 a o9 间 的 信 息 交 换 和 分 布 在 不 同 处 理 板 上 通 过 系 统 总 线 或 其 它 任 何传输机制连接在一起的 a o间的信息交换。通讯系统基于客户机/ 服务器原则实 现。 参考体系结构阐述了数控功能需要哪些 a o ， 它们又提供哪些开放式接口 的问 题. 简而言之，参考体系结构指出了实 现某些特定功能的控制系统所需要的a o的 种类、数f，同时给出了 这些a o的定义。根据参考系统结构， a o在数it和功能 上均可进一步扩展，都可层次性地分解为更小的单元. 配置系 统则阐 述了 哪些a o必须 在哪 个平台 上被实 例化， 它 们又 是怎 样配置的 问题。 即当 一个控制系统实际运行于某一系统平台上时， 为完 成某一特定工作需实 际使用组成控制系统的 哪些或哪部分a o及它们之间的连接关系. 配置的过程一般 如下: 1 .用户开发出软件包: 2 .利用配置工具离线配置生成配盟文件。 3 .在控制系统 启动时，系统平台 根据配皿文件动态地完成控制系统的配置。 o s a c a采用的上述结构，充分保证了 “ 开放” 的各个特征，即可移植性，可 扩 展性，可替换性，可缩放性和互操作性。 o s a c a的目 标之一是使自 己 成为自 动化 控 制领域的 通 用国 际 标准， 因 此从 最开 始 起， 它就 将目 标放在了 涵盖整个自 动 化控 制 的 领域， 包括n c ( 数 字控 制 ) ， c c ( 单 元控 制 ) ， r c ( 机 器人 控 制 ) 和p l c ( 可 编 程 逻 辑控制) .o s a c a的 这些努力必将为 其最终达成目 标铺平道路。 三、 日 本的o s e c计划 o s e c ( o p e n s y s t e m e n v ir o n m e n t f o r c o n t ro ll e r ) 计 划 是 在日 本国 际 机 器人 和 工 厂 自 动 化 研 究 中 心i r o f a ( i n t e m a t i o n a l r o b o t ic s a n d f a c t o ry a u t o m a t i o n c e n te r ) 建 立 的 开 放式 数 控 委 员 叙o p e n n c s c o p e a n d d ir e c t i o n s c o m m it te e ) 的 倡 导下， 由 三个 机 床 厂 ( t o y o d a ,t o s h ib a , m a z a k ) 、 一个系 统厂 ( m i t s u b i s h i ) 和二 个 信息公司 ( s m l ， 日 本i b m ) 发 起的. 其目 的是开发基于p c平台的， 具有高性能价格比的开放式体系结构的新 一代数控系统. o s e c 讨 论的 重 点 集中 在n c ( 数 字 控 制的 ) 本身 和 分 布式 控 制系 统 上。 o s e c 的 开放c n c系统体系结构如图1 .2 所示。它包括三个功能层和七个处理层。 每一个处理层都被划分为两部分:n c基本功能部分和可变功能部分。图 1 .2 -目， 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 给出了 这两个部分之间的关系的示例。 o s e c开 放系统正是通过这一特点来表现其 开放性。 f a d l ( 工厂自 动化描述语言) 是o s e c定义的一种新的n c数据表示法。 其它控制库 车床拄制 库 一 州 洲州洲份吟价 脚 二 州飞 袱， 卜 祠 图1 .2 n c 基本功能与可变功能关系示例 o s e c认为目 前软件技术的发展已 使开发p c机的 潜能成为可能， 特别是面向 对象编 程和 解释器两 个方面的进 步改 变了 嵌入 式系 统的设 计， 而目 前c n c所使用 的表示 法则太老不能适应未来c n c系统结构的需求，新的数据表示法必须能满足 如下要求: 1 、 面向 对象设 计 ( 通用 处理对 象 ) : 面向 对 象的 数 据表 达法是未来c a d系统的 基 础， 当 通 用 处理 对 象模 型 在c a m中 定 义 和 使 用时 ， c a m系 统 可以 直 接 产生c n c 数据。 2 、 硬件抽象:数据本身必须能移植到带有解释器的每一台机器上。 例如:刀 具 位置不能像i s o n c数据一样硬编码在数据中。 3 、曲 线: 3 d - c a d的进步使机械设计者可能设计曲 线形状。 但当前的n c数据 缺乏表征曲 线形状的标准，因而使零件程序非常庞大. 4 、 广泛的扭盖性:从元件级( 电 机， 顺序 控制器等) 到工作级( 加工设备等) 广泛 的设备控制描述。 5 . 表达标准化:当 前n c代码由 不同数控系统厂商定义的，从而限制了 其标 准性。 这 就 导致t f a d l ( f a c t o ry a u t o m a t i o n e q u ip m e n t d e s c ri p t io n l a n g u a g e ) 的 产 生。 o s e c 采 用了 如图1 .3 所示 的 接口 协 议， 这一 协 议从c a d 和 生 产 管 理开 始， 分 为c a m和生产监控，综合成为任务调度， 然后利用各种库进行解释， 形成轴控制 -一.- 7 华 中， 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 及p l c所需信息和数据， 对机床的伺服和执行机构进行控制。 这些接口协议主要通 过自 行开发的f a d l中性语言体系来实现，包括1 / o口控制、信号处理控制、电机 控制以及电机联动控制等几类。 o s e c认为i s o所采用的e i a代码是6 0 年代制定的代码， 现己过时，为此提 出 了o s e l ( o p e n s y s t e m e n v i ro n m e n t l a n g u a g e ) 加 工 语言 体 系， 这 种语 言的 特点是 既可与e i a 信息 码及刀具 轨迹数 据 ( c l - d a t e ) 兼容， 满足实时 插 补要求， 又能 直接使 用通用轨 迹描 述语言( 如曲 线 和曲 面) 表 达信息， 可以 为 离线c a d / c a m与实时 控 制器之间提供真正的连接。 o s e c的结构的确有其独到之处。 但到目 前为止，与其 他开放体系结构一样，也只是处于试验阶段，并未形成商业化的产品。 v i l c a d 生产管理 vi c am 生产拍控 v操作系统 任务调度 i v利用 各 种库 进行脚释 m轴 控 侧 ， p u祠 峨执 行机构 i 机床 图1 . 3 o s e c接口 协议 1 . 2 . 3 国内 开 放式数控系 统的 研究 现状12 - 1 51 我国数控产业起步较晚，目 前虽然还处于发展阶段， 但通过“ 八五” 攻关已 形 成的华中 i 型、 航天i 型、 中华i 型、 蓝天i 型等系统， 都属于有自 主版权的开放式 华 中 科 扶 大 学 硕 士 学 位 论 文 体系结构系统， 都是利用p c机组成数控系统， 使得c n c重点由硬件转向软件， 缓 解了我国的数控产业发展硬件生产上的“ 瓶颈” 制约，从而加快生产实用产品和实现 规模生产。 然而与国际比， 就总体而言， 我们所生产的开放体系结构系统还仅仅处于初始 阶段， 最大问 题是开放性不够， 接口 界面还谈不上标准化， 不可能实现互换和互操 作，要方便地进行二次开发的开放程度还远未达到. 存在主要问 题是: t ,开放式控制系统的概念不清晰， 没有解决开放控制系统的平台问题。各系 统所采用的体系结构并不一致， 仍是自 成体系， 相互之间缺乏兼容性和互换性， 而 且对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、 抽象的 层次上来， 因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。 2 , 没有充分利用象win d o w s , l i n u x等通用操作系统。 软件开发思想与技术 落 后， 始终 处 于甚 至 低于 结 构 化程 序设 计 的 水平. 没 有充 分 利 用 面向 对 象、 软 件 重 用等软件工程中的新理论、新技术， 而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。 3 、 产品的升级、更新、 修改和维修仍然依赖于生产厂家， 没有提供相应的开 发工具 和环境，用户无法把自 己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。 4 , 我国的许多高校、企业、 研究所等单位都各自 在进行开放式数控系统的研 究， 各自 采用不同的标准， 形成了 各种不同的系统.不同的通讯协议和数据结构， 使不同 设备之间无法实现信息交换， 不同的软件之间无法实现信息的传输， 不同的 数据库之间无法实现数据的共享。 这样的产品最终仍然是互不兼容， 其结果依然是 各自 的实质上封闭的开放式数控系统。 5 、 数控厂商的运行模式落后， 没有适应现代高新技术企业的角色，不能有效 地集中人力物力， 优化资源配置和管理， 发挥出最大的作用。 如果这种情况不扭转， 必然要走历史老路 在国内 各自 为政， 形成不了合力， 所生产的系统无法与国 外竞争， 国外厂家在新的技术条件下依然可以 制约和封锁我 们 中 国 数 控 产 业 又 将 面 临 极 困 难 局 面 ， 为 振 兴、 巩 固 、 发 展中 国 数 控 产 业， 并 使 其 在 国 际 市 场 中 占 有 地 位 ， 我 国 必 须 迅 速 组 织 起 来 开 展 开 尽 式 结 构 控 制 系 统 研 究 井 进行规范化。 一 - 一 一 一 - - 一 - 一 - - 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 . 3 论文的主要研究工作 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， 可以与其它应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格。 随着计算机软硬件 技术的发展， 数控系统愈来愈向硬件无关性发展，目 前对开放式系统最新的看法包 括: i) 开放式控制系统的 硬件和软件都应是柔性的，它允许改变硬件的基本配 置， 而软件更在所有控制级别上可以 改变; 2 ) 开放式控制系统的软 硬件必须是真正的 “ 即 插即用” ，如果产品必须被“ 召 回” 以 安装新的 硬件和软件， 那就不是真正的开放; 3 ) 开放式控制系统必须是标准化的， 以 使第三方能在此基础上参与新硬件和 新软件的开发， 4 ) 开放式控制系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来， 也就是说它是 一个标准系统， 在这个标准上系统能在部件级别上与其它部件集成， 并能 共享数据: 5 ) 一个开放式控制系统能在系统的级别上同其它系统协同工作。 本文基于上述观点， 将软件重用技术引入开放式数控系统的开发， 提出开 放即 可重用的思想，进行了以下几个方面的研究工作: 1 ) 分析软件重用的技术与方法及其在现代企 业中的应用. 对基于重用的系统 叼 软 件 开 发 方 法 进 行了 研究 ， 并 对 可 重 用 构 件 库 的 构 造 进 行了 系 统 分 析。 2 ) 用领域工程的方法和统一建模工具，分析数控系统的静态结构和动态特 性， 合理划分数控系统的任务和功能模块， 提取出 可重用的开放式数控系 统软件构架。对基于构架i 构件库的应用系统开发进行了分析. 3 ) 对 数控 系 统 位贾 控 制功 能 构 件进 行分 析 与建 模， 提 取内 部 可 重用 构 件并 进 行了开发工作。 4 ) 对构件进行集成测试，并对其在不同系统中的应用进行了分析。 一. 一 一暇 . -. -曰-. 喇 - . -. 州 -. -. -. - -. -. - - 1 0 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2软件重用技术与方法 随着 i t行业的迅猛发展，软件的生产规模越来越大，控制软件开发的费用， 提高软件开发的效率，改进软件开发的质量， 保证软件开发的一致性越来越难。 造 成这种现象的一个重要原因就是软件开发有大a的重复性工作， 在对相同或相似系 统进行开发时，以 前的经验和成果没有得到充分的利用。 经过大t的软件工程和人 工智能领域的 研究以后， 人们发现为了 满足软件产业所要求的生产率和软件质量， 软件重用似乎成了唯一可行的方法。 所以， 近年来软件重用技术成为一个研究和实 践的热点。 2 . 1软件皿用技术 2 . 1 . 1软件皿用概述 目 前，对软件重用的基本概念和技术已获得许多共识，软件重用的技术和方 向也日 趋成熟。 所谓软件重用是指开发软件时利用现成的功能模块来生成新的应用 软 件 ， 其 基 本 原 则 是 避 免 重 复 开 发 功 能 类 似 的 软 件 。 可 重 用 性 则 指 软 件 成 分 在 构 造 新的 软 件系 统 过程中 被重新 使用的 能力. 软 件可重 用范围比 较 广， 包括源 程序代 码 和模块、 构件、需求规格说明和设计过程、文档、 软件开发过程、开发工具和支撑 环境等. 1 )软件重用的发展 计算机软件虽然经历了从程序设计、 软件开发、 工程化思想和今天的产业化发 展等研究内容和层次都不断提高的多个发展阶段， 然而，以高成本和低效率为主要 特征的软件危机在软件开发过程中却依然存在， 提高软件生产率成为软件产业当务 之急。 在1 9 6 8 年n a t o软件工 程会议上， d .m c ll ro y在他的 论文“ m a s s p r o d u c e d s o ft w a r e c o m p o n e n t s ” 中 首次 提出 软 件 重 用的 思 想 和以 不同 精 确 度定 制的 构 件的自 动化技术 16 。 他当时就提出 现行的标准源代码构件产业， 并设想通过目 录可以 重用 - i i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的小积木块构造复杂的系统。 1 9 8 3 年f r e e m a n 又进一步拓广了 软件重用的概念， 指 出可重用的构件不仅可以是源代码片断， 还可以 是模块、设计结构、 规格说 明 和文 档等。 而且不仅可以 按组装方式重用， 还可以 按模式重用。 到九 十年 代初， 软 件重用的实 践朝 三个 趋势发展 15 1 : 一是 在软 件界将软 件重用 的实践惯例化、 用户化， 不仅考虑技术的因素， 而且考虑管理的因素; 二是将重用 技术集成到软件开发的过程中，并且研究软件过程形式化问题;三是将领域分析标 准化，研究支持领域分析的方法和工具。 2 )软件重用的意义 软件重用是软件开发中避免重复劳动的解决方案， 其出发点是应用系统的开发 不再采取一切“ 从零开始” 的模式， 而是以己 有的工作为基础， 充分利用过去应用 系统开发中积爪的知识和经验。软件重用的技术和方法可以降低软件的开发成本， 缩短软 件系 统的开 发周 期， 减轻 软件维 护负 担， 而且能 够使问 题域的知 识得到 积累 和共享， 使软 件系 统适 应不断 变化的 需 求， 因 此增强软 件适 应能 力 和生存能力， 防 止软件老化， 有利于软件的标准化、 产品化和自 动化的生产。同时，由 于可重用成 分大都经过严格的 质f认证， 并在实际运行环境中得到检验， 因此， 重用有助于改 善 软件 质f。 此外， 大 f的 软 件重用 使软 件的 灵 活性 和标准 化程 度也 得到了 提高. 2 . 1 . 2软件，用成分 1 ) 代码和模块的重用 代 码 重 用的 方 法 之 一: 从已 有的 程 序中 抽 取 程 序片 断 ， 进 行修 改 后 重 用 在另 一个程序: 方法之二: 共享可重用代码的程序库， 这些程序模块具有特定的应用功 能和公共的功能， 这种方法必须事先考虑代码可重用性的设计。 这两种重用方法是 编 程人 员 经 常 用 到 的。 代 码重 用 依赖 于 语 言、 操 作 系 统 和 应 用项目 ， 因 此 代 码级 的 重用是很有限的( 17 。 2 ) 构件的重用 可重用的构件是指一种相对独立软件的抽象结构，它反映一类问题求解的结 构描述框架。构件的可重用性与采用的开发方法密切相关，开发方法越系统，构件 -叫一-一-一一一-一- 1 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的可重用潜力就越大。 一般的方法是在多个同 类应用项目 中寻求共同的部分， 然后 再设计构件， 使他们满足共同的需求。理想的方法是对整个领域进行分析，找出一 些最基本、最通用的部分，然后根据这些需求再设计和开发可重用构件以满足现在 和未来的通用要求. 3 )规格说明和设计过程的重用 相 对 代 码 重 用 ， 官 是 一 种 高 级 的 软 件 重 用 。 其 方 法 是 借 助 于 软 件 工 具 和 开 发 环 境 的 支 持( 如以 5 亡应 用 生 成 器 或 高 级 语 言 ) ， 有 系 统 的 规 格 说 明 生 成 目 标 系 统 . 规格说明可用谓词、 代词、关系或说明的形式表示。其表示既要考虑简明性 和易理解性， 便于用户查错和排错， 又要方便支持系统对其语法和部分语义的正确 性 检 查 ， 以 及 将 其自 动 转 换为 可 执 行 程 序 所 需 要 的 有 效 控 制 4) 支持软件开发方法的重用 目 前， 支持软件重用系统化开发方法有快速原型法和螺旋式模型的开发方法。 支持软件重用开发的 语言有面向对象语言等高级语言。 为了改 造和增强软件的可重 用性， 使基于重用的软件开发方法向 系统化和整体化发展， 重要的是要构造一种开 发工具集成的环境。 这种环境应该能将诸如规格说明语言、图形生成工具、 原型开 发工具、 生成器、 词典工具和数据库管理系统等， 在一种公共的接口 下组合在一起， 并使用一种公共语言使这些工具共存在同一环境中，而且能够相互了 解和自 动调 用。 2 . 1 . 3软件孟用的关键技术 尽管人们对重用的理解不同， 采用的重用途径各有特色， 但究其技术而言 有以 下关 键几点: 抽象 技术、 选择技 术、 实 例化 技术 和集 成技术 阁 。 ( 1) 抽象技术 对复杂问题的最重要的 解决方法就是抽象。 抽象和分解是人类认识和解决问题 时控制问 题复杂性的两个基本思路。 抽象和可重用性是同一问 题的两个方面， 每一 个抽象描述一个有关的可重用实体集合， 每一 个有关的可重用实体集合确定一个抽 象。 所有的软件重用方法都使用某种形式的抽象， 抽象是任何重用技术的本质特征。 -， -，-甲，-， - ，甲尸-一- ，一 1 一 华 中， 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 丈 没有抽象，软件开发者就得细审可重用制品集合以查明每个制品做什么， 何时能够 被 重 用以 及 怎 样重 用。 对 可重 用 构件 的 抽象 即是 将 重 用 对 象的 基 本