（机械电子工程专业论文）基于com规范的开放式数控系统设计与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 f l 当前市场上的数控系统，绝大多数都采用封闭式控制结构，这些数控系统往往由 控制器厂家针对具体问题和特定的用途提供，功能的修改或扩展十分困难；另一方面， 对机床用户来说，从使用一种控制器改用另一种控制器变得十分困难且费用昂贵。这 些情况导致了开放式数控系统概念的提出。开放式数控系统不仅易于扩展和集成，而 且使机床厂商不依赖于单一的控制器供应商，还可加入具有自己特色的定制功能j 本 论文以w i n d o w s 和工业p c 机为软、硬件平台，在组件对象模型( c o m ) 规范基础上， 进行了开放式数控系统的研究和开发。在通用软、硬件平台及规范基础上，开发出一 种具有良好开放性的新型数控系统样机c o p c n c 。论文主要内容包括： 1 分析了数控技术的发展历史、现状和趋势，讨论了开放式数控系统的优点 2 研究了w i n d o w 平台上实现实时控制的几种途径，并采用编制设备驱动程序 ( v x d ) 来实现c o p c n c 系统的实时控制； 3 在c o m 规范和软件组件数控思想的基础上构造了数控系统c o p c n c 的开放 式结构，并提出了基于二进制模块级可重用的开放式数控系统模型； 4 进行了系统样机的开发，并验证了系统样机的实时性和丌放性； 关键词：软件数控开放式结构c o m 技术 v x d 基于c o m 规范的开放式数控系统研究与开发 a b s t r a c t m o s tc n c s y s t e m s a r em a d ew i t hc l o s e dc o n t r o la r c h i t e c t u r e ，w h i c ha r em a i n l yo f f e r e d a sc o n t r o lv e n d o rs p e c i f i cs o l u t i o n s m o d i f i c a t i o n so re n l a r g e m e n t so ff u n c t i o n a l i t yo ft h e s y s t e m sa r eo f t e ni m p o s s i b l ea n do n l yc o u l db ed o n eb yt h ec o n t r o lv e n d o rh i m s e l f ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h es w i t c h i n gf r o mc o n t r o l so fo n ec o n t r o lv e n d o rt ot h o s eo f a n o t h e ri se x t r e m e l y d i f f i c u l tf o ram a c h i n eb u i l d e ra n d v e r yc o s ti n t e n s i v e t h e p r e s e n ts i m a f i o nl e a d st h ed e m a n d f o r o p e nc o n t r o ls y s t e m s t h a te n a b l et h em a c h i n et o o lb l 】i l d e rt o s e c u r eh i sh a v e s t m e n t s b e c a u s eh ei sn o t 纠y i l l go nas i n g l ec o n t r o lv e n d o ra n di sh i m s e l fa b l et oi m p l e m e n th i so w n t e c h n o l o g ys p e c i a t i o nf u n c t i o n a h t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p so p e nc n cb a s e d w i n d o w sa n di n d u s t r i a lp ca ss o f t w a r e p l a t f o r ma n dh a r d w a r ep l a t f o r m b yu s e o ft h e s p e c i f i c a t i o n o fc o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，an e wt y p ec n cc o n t r o ls y s t e mi s s u e c e s s f u h yd e v e l o p e dw h i c hi s n a m e dc o p c n cw i t he x c e l l e n t o p e nc h a r a c t e r i s t i c s t h e t h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l o w i n g ： 1 t h ec u r r e n tc o n t h f i o n sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc n c t e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e di n d e t a i lt h e a d v a n t a g e so f o p e n c n ca r ed i s c u s s e d 2 s e v e r a la p p r o a c h e st or e a l i z er e a l t i m ec o n t r o lb a s e do nt h ew i n d o w sp l a t f o r mi s i n v e s t i g a t e d b ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h ev x dv i s u a ld e v i c ed i v e r ) a n dp r o g r a m m i n gf o r t h er e a lt i m e c l o c k ( i r q 8 ) i sf i n a i l yu s e d t or e a l i z et h er e a l t i m ec o n t r o lo fc o p c n c 3 a no p e na r c h i t e c t u r eo fc o p c n ci s i m p l e m e n t e db ys o f t w a r ec o m p o n e n t n ca n d s o f t w a r e m o d u l eb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o no fc o m 4 t h ee x a m p l es y s t e mi s d e v e l o p e d ，t h e n ，b o t ht h eo p e nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a l t i m e c h a r a c t e r i s d c so f e x a m p l e s y s t e m a r ev a h d a t e d k e y w o r d s ：s o f t w a r e c o m p o n e n t ，c n c ，o p e na r c h i t e c t u r e ，c o m ，v x d 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 数控设备是一个国家机械制造业现代化的关键设备，数控产业是一个关系到国家 战略地位和体现综合国力水平的产业。随着科学技术的发展及制造技术的进步，社会 对产品多样化的需求越来越强烈，产品的更新换代周期也越来越短，中小批量生产的 比重明显增加，从而对制造设备提出了更高的要求。为满足市场的需要，要求制造设 备具有高效率、高质量、高柔性及低成本的性能，数控机床作为一种自动化的加工设 备而被广泛采用。同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也成为柔 性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f ms ) 以及计算机集成制造系统( cim s ) 的基础装备。可见，数控系统是数控机床中的重要部件之一，是数控机床的技术 核心，其性能的好坏直接影晌产品在市场上的竞争能力，因此，数控系统的发展趋势 为众多的制造商、销售商所关注【9 l 。 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控技术的发展历史1 4 1 1 自从1 9 5 2 年，世界上第一台数控铣床在麻省理工学院饲服实验室诞生以来，数控 系统已经经历了几代的发展。 ( 1 ) 硬件数控( n c ) 阶段 如果说，把最早期采用电子管制成的数控系统称为第代数控系统的话，那么从 1 9 5 9 年开始，晶体管和印刷电路板广泛使用，标志着数控系统进入第二代。1 9 6 5 年， 随着小规模集成电路的出现，数控系统进入了第三代。第一、二、三代数控系统均采 用专用计算机，各种控制基本由硬件来实现，所以通常称为硬件数控系统( n c ) 。其功 能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进步的发展和应用。 ( 2 ) 计算机数控( c n c ) 阶段 7 0 年代初，通用小型计算机业出现并成批生产，随着微电子技术和集成制造技术的 发展，数控技术也不断更新。使数控技术进入了飞速发展的时代。1 9 7 0 年在美国芝加 哥数控展览会上，首次展出了由小型计算机为核心的计算机数控系统，标志着数控系 统进入了计算机为主体的第四代。至此，原来出硬件实现的功能逐步改山软件完成， 从此系统进入了软件数控时代。 1 9 7 4 年。首次出现了采用微处理器芯片的软件c n c 系统，象征着数控系统进入了 以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低 了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 基于c o m 规范的开放式数控系统研究与开发 7 0 年代术、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普及应用， c n c 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，达到了 多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图 形动态显示校验，实时精度补偿等功能。在系统体的结构上，开始出现了柔性化、模 块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。 ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段 进入八十年代，为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释 处理能力和伺服驱动特性，为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处 理，c n c 系统应具有足够高的数据处理速度和能力。3 2 位c p u 以其很强的数据处理 能力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统进入了面向高速、高精度的第七代。1 9 8 6 年， 三菱电机公司率先推出了c p u 为6 8 0 2 0 的3 2 位c n c ，掀起了3 2 位c n c 的热潮，并 逐渐成为当今数控系统的主流。 ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用 进入九十年代，个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 的性能已发展到很高的阶段， 从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生产 批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入基于p c 的c n c 系统阶段。1 9 9 4 年，这种基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。p c 的引入，不仅为c n c 提供高性能价格比的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为c n c 的丌放化提供了基础，使之成为数控历史最具影响的发展。人们常称这种p c n c 结构 为第八代数控系统。 1 2 2 数控技术的发展趋势 为了满足制造行业中高难度加工工艺、高精度、高复杂度和高生产率的需要，数控 机床在性能上也要求高精度、高速度、高柔性、高度自动化。目前，数控系统的发展 趋势有以下几个方面： ( 1 ) 高速度、高精度化 主要体现在不断的采用性能先进的微处理器，提高主轴转速，优化插补算法；提高 数控系统分辨率，采用高精度补偿技术等；采用数字式伺服系统并运用前馈控制技术 减少伺服系统跟踪滞后误差； f 2 ) 智能化 主要体现在引进适应控制技术，使数控系统能检测对自已有影响的信息，并自动连 续调整系统相关参数，达到改迸系统运行状态的目的；附加人机会话自动编程功能， 建立切削用量专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对操作人员技术水 平的要求；应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语言命令进行 加工；设置故障自诊断功能： f 3 ) 小型化与系统化 一2 南京航空航天大学硕士学位论文 蓬勃发展的机电一体化设备，对c n c 提出了小型化的要求，特别是现代化的加工 工厂正在导入柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 等高新系统技术的 应用，都希望设备便于安装和转移，因此设备小型化、系统化也是当今数控系统的一 个发展方向 f 4 ) 开放化和p c 化 数控系统的开放化和p c 化可以通过建立一个统一地、可重构的系统工具平台，解 决用户需求的频繁变动与控制系统专一、固定的框架之间的矛盾。极大的增加数控系 统的柔性和适应性。使系统的升级和维护更为方便、容易。 1 2 数控系统结构和原理简介 普及型的p c 化数控系统通常由工业控制计算机、饲服步进电机智能驱动卡、驱动 及放大部件、步迸电机、位置检测部件、接口控制电路等组成( 见图1 ) 。 注；含虚线指半闭环控制不含虚线措开环控制 图1 1 数控系统结构和原理图 工业控制计算机作为信息管理部分。接收各种初始化参数、零件加工程序输入。 对零件加工程序进行编辑、语法检查、编译以生成目标文件，并可以按不同的控制指 令以不同的方式将目标文件逐句发送给饲服步进电机智能驱动卡；还可以查询的方式 从饲n 步进电机智能驱动卡读回当前刀具坐标位置，形成坐标位置的实时动态显示和 实时仿真。并且可以查询接口控制电路，显示开关量信号。 饲服步进电机智能驱动卡作为实时处理部分，插入到工业控制计算机的标准插槽 中，接收工业控制计算机所发送的零件加工指令，完成位置量、速度量及电机升降速 控制，并反馈刀具坐标位置。 接口部分是工业控制计算机与外部信号( 如i o 信号、位置反馈信号、通讯信号等) 的连接部分，完成一些开关量的控制。一般需采用光电隔离措施以提高其抗干扰性。 3 基于c o m 规范的丌放式数控系统研究与开发 1 3 开放式数控系统 传统的数控系统，不论以f a n u c 为代表的专用芯片和印刷电路板相结合的体系结 构，还是以美国a b 公司为代表的总线式结构，厂家为了垄断市场，c n c 都采用封闭 式结构，即组成系统的硬件模块和软件结构是专用的、互不兼容的，系统各模块问的 交互方式、通讯机制也各不相同，因此造成了不同厂家控制系统的相对独立彼此封闭。 这种专用体系结构的数控系统，虽然具有结构简单、技术成熟、产品批量大、生产成 本低的优势，但随着技术的进步，市场竞争的加刷，越来越暴露出其固有的缺陷。例 如：数控系统价格昂贵，交货时问长，系统结构灵活性很差。 另外，由于控制器功能与机床功能不匹配，机床厂家和最终用户自己特有的技术 不能或只有很少一部分被纳入数控体系；由于没有统一标准接口，无论是产品升级、 服务、更换部件以及增加新特性，都不得不依赖控制器生产商，另一方面，系统的封 闭性使得对它的扩充和修改极其有限，造成数控设备制造商( n c 系统中问用户) 对系统 供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统形成自己的产品特 色，不利于主机产品的竞争力。此外，专用的硬软件结构也限制了系统本身的持续开 发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进 步i 。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化频繁，竞争加剧的 形势，也不符合现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。 为从根本上解决这个问题，提高数控系统的开放性就变得非常重要，为此，人们提 出了一种全新的数控系统概念一开放式数控系统p l 。许多国家特别是工业发达国家 从8 0 年代末期开始就纷纷制定有关开放式控制系统的计划，它们也正代表了当前开放 式控制系统的研究与发展现状 4 2 , 4 3 。 1 日本的o s e c 计划 日本是数控系统生产大国，仅一个f a n u c 公司每年生产的数控系统就占世 界产量的一半以上。为了继续保持其领先地位，1 9 9 4 年1 2 月，6 家日本企业发起 成立了开放式系统环境研究会( o s e - - o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t ) ，至目的，已经提 出了丌放控制器2 0 版本标准。其主要思想是： 进化即在原有技术上利用最新技术发展原有技术； 尽量做到软件组态化，以提高系统互操作性、可扩展性、可配置性和可 移植性： 尽可能利用计算机领域的最新技术； 2 美国的o m a c 计划 在美国，一项名为“开放式、模块化体系结构控制器( o m a c ) ”的计划于 1 9 9 4 年由通用、福特、克莱斯三大汽车公司丌始启动，其目的是用更加丌放、更 4 南京航空航天大学硕士学位论文 加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷。该计划制定了”o m a c a p i ” 的规范，并促成了一系列相关研究项耳的开展。o m a c 没有指定一个固定的基础 体系结构，也没有提供有关系统硬、软件平台信息，更没有指定操作系统，而是 使用一种能支持大多数面向对象的概念的接口定义语言i d l ，用i d l 的语法规范 来保证它的平台无关性。o m a c 规范被编译进文件和程序，可直接被应用开发者 使用，并支持向多种编程语言的映射，如：c + + ，j a v a 和c 。o m a c 计划提出 的标准的主要目标是； 系统体系结构的丌放性： 体系结构应用范围的广泛性； 技术发展的适应性； 厂商和用户的支持性： 3 欧洲的o s a c a 计划i s l 面对日本强有力的竞争和美国制造业的再度崛起，欧洲人的策略是联合起来发挥 各家长处，积极吸收世界上各种新技术，并提出了一项著名的计划一开放式自动化 控制系统体系( o s a c a - - o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m ) 。 o s a c a 认为一个开放式控制系统应以一个平台为基础，由一组逻辑的、离散的组 件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息，而组件与平台之间定义了很好的接口， 允许不同供应商提供的组件之间的协调工作，正确工作的控制器可运行于不同的系统 平台之上。o s a c a 的核心部分是通讯系统( c o m m u l l i c a d o ns y s t e m ) ，它屏蔽了操作 系统的差异，保证了各功能单元( a o ) 的可移植性和互操作性以及系统配置文件的通 用性。在o s a c a 开放式控制系统中，应用程序接口( a p i ) 是系统平台向外部提供服 务的通道。也是结构功能单元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n j 。图卜- 2 表示0 s a c a 体系结构，其 主要目标是： 系统硬、软件平台都定义统一标准功能可由用户选择和配置：用户可 以开发自己的应用程序或使用第三方提供的程序； 在适应有特殊需求的机床控制时，要缩短开发时间，增加灵活性； 5 基于c o m 规范的开放式数控系统研究与开发 圈1 2o s a c a 模型体系结构豳 经过几年的努力，开放式数控系统己取得了很多的成果，有些技术和标准在实际 应用中已被采用，取得了良好的效益。但总体来讲，1 7 1 前开放式开放式数控尚未形成 商品化产品。 4 我国数控技术的发展状况1 4 9 , 5 0 i 我国数控机床的研制开始于1 9 5 8 年，到现在已经历了4 0 年的发展历程。从5 0 年 代到6 0 年代，我国数控机床处于研制开发时期，直到6 0 年代术7 0 年代初，国产数控 机床进入试用阶段。1 9 7 6 年5 月，在机械部举办的仪器、仪表、自动化装置展览会上， 共展出各类数控机床3 4 种4 0 台，显示出我国数控机床已进入了实用阶段。8 0 年代初， 随着国门的打开。我国先后从f t 本、美国、德国等国家引进了部分数控装置及伺服系 统的技术和装置。由于这些装置稳定性好，可靠性高，使我国数控机床有了质的变化。 从8 0 年代中期开始，我国数控行业，在引进吸收国外技术的基础上，进行了大量 的开发工作，一些较高档次的数控系统陆续开发出来，把我国的数控技术推向了新的 高度。9 0 年代以来原国家计委和机电部把8 5 7 1 9 数控技术及装备的开发研究列入“八 五”期间国家重点科技攻关项目，独立开发具有我国自己版权的中档和高档数控系统 15 2 1 。自1 9 9 5 年以来也先后有北航、西工大、南航、华中理工大，沈阳自动化所等多家 单位推出了基于p c 的c n c 系统。但这些系统的开放性仍不够，整体的c n c 系统并 不能实现真正开放，用户既无法重构系统功能，也不能开发自己独特的操作界面和专 用功能，同时硬件也缺乏兼容能力，所以不属真正的开放系统。究其原因，这些系统 开发的c n c 系统所采用的硬件插卡、软件结构、数据结构及通讯协议等是专用的和封 闭的，因此不仅用户无法介入，系统自身也失去了持续开发的能力。可见，要实现系 统的真正开放，必须从系统的功能划分、软硬件组织结构、设计方法诸方面等进行深 入的研究，特别是在系统的体系结构和分析设计方法上要有所突破。 所以，我们仍应看到，我国的数控技术与发达国家相比仍有很大差距，数控产业 仍十分薄弱，而且国产数控绝大部分是功能简单的中低档经济型，高档数控又是国外 发达国家对我国进行技术封锁的主要方面。为了促进我国数控技术的发展，使数控技 6 南京航空航天大学硕士学位论文 术接近和赶上世界先进水平，一方面国家正在不断调整政策，制定发展计划，为数控 技术的发展提供良好的环境；另一方面，科技工作者正在不断吸收和借鉴世界先进技 术并结合我国的实际情况，努力研制出更多更好的数控系统。 1 4 本论文选题背景及设计思想 1 4 1 选题背景 数控系统的体系结构开放化早已为世界各国机床制造商所认识，开放式数控系统已 成为数控系统发展的新浪潮，许多发达国家和地区的研究机构纷纷投入巨资对其进行 研究和研制，并且己取得了一定的进展。商业和市场的分析也证明了这个观念有一个 潜在的巨大市场。在pc 机上丌发c nc ，也已成为大多数国家nc 同行的共识。 我国发展数控系统起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。引 进、消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解决 自主丌发数控系统的问题i l o l 。为了摆脱这种被动局面，就必须具有超前意识，因此， 利用现有的资金、资源、人才与技术，开展开放式体系结构的研究，研制我国自己的 实时多任务数控系统，才是改变我国数控现状的唯一出路。我国的数控产业只有走开 放式体系结构道路，才有可能在整个数控产业界及学术界展开广泛及多层次联合，在 产品的设计与开发过程中有效地对产品、资金、技术等进行重组，进一步缩短新产品 的开发周期、提高开发效率、降低开发成本，增强产品在国际、国内市场上的竞争力， 促进我国数控产业的进一步健康发展，缩短我国与世界先进水平的差距。 开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本性突破，是当今数控技术的发展 主流和研究热点，更是新一代c n c 的关键技术。本论文针对通用数控系统的开放化具 有结构先进、起点高、覆盖面广的特点进行研究，是一项紧跟数控发展前沿的开拓性 开发工作，对于应用高新技术提高设备的性能，促进企业经济效益和振兴国民经济意 义重大。 1 4 2 设计思想 本论文主要借鉴了国外如西欧o s a c a 、r 本o s e c 和美国o m a c 等开放体系模 型，在微软( m i c r o s o f t ) 的公用组件对象模型( c o m 。c o m m o no b j e c tm o d e l ) 的技术 规范和设计思想的基础上，结合传统的面向对象和可重用设计方法，提出了一个新的 开放式数控系统模型，使c n c 系统具有用户可以介入设计、可持续开发、功能可重构 重组、可扩展、适应性强等开放性能，并开发出开放式系统样机c o p c n c 数控系 统。 本论文的主要设计思想是利用工业p c 机和w i n d o w s 操作系统的优势，设计具有开 放特征的数控系统结构，构建一个开放式的数控系统，在系统的总体目标上实现系统 功能的高度柔性化；在系统的结构上实现系统组建的高度模块化：在系统的结构层次 7 一 基于c o m 规范的开放式数控系统研究与丌发 关系上实现模块接口的标准化。基于这些要求，结合当前软件技术的发展，利用c o m 组件技术对开放式数控系统的结构进行了分析，给出了一种新的数控软件构建方法。 并通过建立可重用的系统结构，使数控软件做到一次开发多次重用。此外，目前的数 控系统的操作系统平台，除了专用操作系统外，通用操作系统绝大多数使用的都是d o s 或w i n d o w s 3 1 ，这两种操作系统用于c n c 尚有不少欠缺。因此，本论文期望通过对 w i n d o w s 的内核和运行机制进行研究，寻找一条在w i n d o w s 平台上实现实时控制的途 径。 本论文主要设计目标： 利用w i n d o w s 运行机制实现数控系统的实时多任务控制； 利用v i s u a l c + + m f c 实现数控程序的编辑和编译： 采用组件对象模型( c 0 m ) 技术和面向对象技术( o o p ) ，在微软的活动 模板库( a t l ) 的基础上开发数控组件模块。通过制定模块接口标准及 设计系统总体框架来构造丌放式数控系统体系结构，实现系统的最大限 度开放； 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章基于c o m 规范的数控系统软件的开放策略 2 1 开放式体系结构的含义 开放式数控是生产系统开放化的需要。在现代网络技术、计算机信息技术及制造 业市场需求的强烈推动下，以c i m s 为代表的现代制造系统向网络化、柔性化的更深 入方向发展，制造系统变得更具开放性、透明性。这给现代制造系统的基础c n c 系统提出了崭新的要求。按照i e e e 提出的定义，一个开放系统应具有以下能力：能 够在众多产品的各利平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一 风格的交互方式。丽开放式控制结构则是指建立在开放系统概念之上的一种规范。符 合或遵循开放式控制结构规范的开放系统可为控制器卖方、机床生产商和最终用户提 供不同的好处 。首先，对c n c 制造厂商而言，将大大缩短系统的开发周期，更容 易满足客户的不同需求。其次，对最终用户而言，则可获得功能更强大，价格更便宜 c n c 系统，并且升级和集成更为容易。而无论c n c 系统制造厂商还是最终用户，都 可减少对系统控制器的依赖性，可集成自己独特的软件或功能到不同系统中，随时扩 展系统在构成f m s 、c i m s 等需求方面的能力，系统的维护更为方便、容易。 从技术上来说，开放式控制系统结构应有以下特点： ( 1 ) 互操作性提供一个统一标准的通讯系统来实现各模块间的数据交换。 ( 2 ) 可移植性使用平台提供的标准k p i ，应用程序可在不同的平台上运行。 ( 3 ) 伸缩性可任意增删各功能模块。 ( 4 ) 可互换性可任意互换功能模块。 2 2 基于p c 机的开放式数控系统 传统c n c 系统一般由专用计算机组成，其计算机是数控系统生产厂家为其c n c 系 统专门设计的，而且大多采取多c p u 的装置。以多个c p u 配以相应的接口形成多个 子系统，每个子系统分别承担不同的于任务，各子系统间协调动作共同完成整个数控 任务。这种做法可以提高数控系统的性能。如实时控制、较高的精度和速度等。但是， 专用计算机的采用使得用户强烈依赖于数控系统生产厂家，而且不同的数控系统生产 厂家自行设计其硬件和软件，这样设计出的封闭式专用系统具有的不同的软硬件模块、 非标准化接口等，给用户带来了使用和维护上的复杂性。 为解决上述问题，同时考虑到成本、开放和通用等因素，本系统选用p c 机作为硬 件平台，其优势在于： 1 p c 能够满足c n c 任务的要求 近年来，由于微处理器的迅猛发展，其计算速度越来越快，性能己能与七八十年 代的大型机相比，甚至更好，而且在价格方面也有很大的优势。8 0 年代中期以前，由 9 基于c o m 舰范的丌放式数控系统研究与丌发 于当时的c p u 的性能低，采用硬件要比用软件快得多。现在常用的p e n t i u mc p u ，一 个时钟周期可执行2 3 条指令，2 0 0 m h z 计算速度可达到4 6 亿次每秒。足以使基 于p c 的c n c 成为可能。 2 基于p c 的c n c 系统具有更大的灵活性 基于专用计算机的c n c 系统，大部分功能的实现是山硬件来完成的，硬件不仅成 本高，而且功能扩展、更新困难。而基于p c 的c n c 系统，其主要任务在p c 机上以 软件方式实现，这样模块的更新相对简便，既降低了成本，也提高了c n c 的灵活性， 使c n c 的开放更易实现。 3 基于p c 的c n c 系统具有更好的通用性 p c c n c 系统可以通过软件安装和硬件插卡的方法迅速将一台普通的p c 变成 c n c 的控制计算机；p c 机用户在世界范围内的同益增长，使基于p c 的c n c 系统具 有更广阔的应用前景；而p c 机上形形色色的绘图和网络等软件，更有利于c n c 系统 的扩展与集成。 总之，基于p c 有利于c n c 系统的丌放性和降低成本，也有利于持续吸收当今计 算机发展的最新技术，不断开发新型的c n c 系统。 2 2 1 基于p c 机的开放式数控系统的现状1 2 3 1 传统基于p c 的c n c 系统大多数是在d o s 平台上开发的。这些系统也都充分利用 了d o s 的各方面性能，甚至进行了必要的扩展，但是由于d o s 本身的局限性，如d o s 是单任务系统、网络的支持不强，使这些系统的部分性能实现起来非常困难，甚至无 法实现。w i n d o w s 是一个新兴的操作系统，它具有许多其它操作系统所无法比拟的优 点，已经成为全球范围内，不管是个人用户还是企业用户，首选的操作系统。w i n d o w s 的抢占式多任务、内置的网络功能和对动态连接库的支持使c n c 系统的功能更加强 大，而且实现相对容易，某些开放功能只有在w i n d o w s 平台上才能实现。因此，本系 统选择了w i n d o w s 为软件平台。采用w i n d o w s 平台开发丌放式c n c 有如下优势： 1 w i n d o w s 的图形接口可简化系统界面的开发 w i n d o w s 本身附带g u t 函数库。方便用户开发w i n d o w s 下的图形界面，大大减 轻了c n c 系统开发人员开发界面的负担，而将重点放在系统功能的开发上。 2 便于c n c 系统的任务协调的实现 c n c 系统的任务很多，例如：插补、解释、采样等任务，而且各个任务的优先 级别不同，这些任务运行过程中需要系统对其进行管理调度。w i n d o w s 操作系统本身 提供的抢占式多任务协调机制，使实现c n c 的任务协调功能更加方便。 3 易于c n c 功能的开放 w i n d o w s 系统提供了灵活的动态连接库机制，将c n c 系统的有关功能模块做成 动态库，公丌其接口，这样用户可以根据提供的接口丌发自己的模块或对已有的系统 功能模块进行更新。 一1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 4 有利于c n c 功能集成与扩展 w i n d o w s 平台下有许多具有强大功能的应用软传，如果能将这些软件洳c a d 软 孝如同c n c 系统集成起来，会使c n c 系统的功能得到大大扩展。而w i n d o w s 的多任务、 消息循环、o l e 等梳制为c n c 同这些软件的集戏j l 递信剁造了良好的技术支撑。 5 衣利于c n c 豹网络通讯 c n c 向网络化发展是必然趋势，将c n c 建立在w i n d o w s 平台上，利爝w i n d o w s 的肉置网络缀件，可以很方便地扩鼹c n c 麴鹦终功能。 2 2 2 基于p c 的软件组件数控系统 随麓数控硬件平台的pc 化，数控软件也吸收了当今软件发展的新技术。从专绡的 数控软件( 系统软件与应掰软件的混合) ，到今天基于通用pc 系统平台( w i n 9 x w i n n t ) 开发数控应用软 牛，数控软饽愈来愈向硬 牛无关性发展，可移植能力不断的键商。 w i n d o w s 平台以其良好的人机界面、即插即用等特性已经成为当前开发的主流平台。 通过对其进行实时性改造，可以较好地应用于数控系统软仕灼开发与运行。 从传统的封闭式n c 系统到基于p c 乎台的p c n c 系统，系统的开放亿程度逐步 提高。在目前的p c n c 系统模式中，无论是p c 板插入n c 中，还是n c 卡嵌入p c 中， 它们大多实现的是系统煞局部开放性，姆对系统嚣实时部分的有限开放等。顶在县裁 难在研究的软l 牛组骷数控，它豹主要特性除了支持数控上层软件( 数控语言解释器及入 机界面等1 的用户定制外，其更深入的开放径还体现在支持运动控制策略的用户定制方 丽，体现了一种核心级豹开放思想。 本文采用基予c o m 组i 牛靓范开发歼放式数控系统，通过对数控软件体系结构的分 毒行，将各功能予模块设计成独立的软件缰件，每个组件其裔高度钓功能独立性、易移 植性及易扩展性。这样，在构建新的数控系绕黩，只缄从组件库中选墩所须的数控组 件进符组念即可，必要时加以扩充，使数控系统熊够重用，不必从头开发整个数控系 统。从而大大提高数控软件的生产力和可靠性，减少生产成本和开发塌期。 2 。3c o m 规范与c o m 的实现技术5 l 2 , 3 1 公用组件对象模型( c o m ) 简介 c o m 是对象组件模型的简称，由微软公司发布。c o m 允许应用程序在终端用户计算 梳上运行时共享数据帮程序代码。c o m 是编写可被别的废用程序使用的应用程序赝必 须遵守的规范。该规范详细提供编译器如何输出要进行通信的应用程序的可执行文件， 操作系统如何支持该通信的详缅情况。以允许c o m 独立于语言甚至独立于平台，以便 用v b 编写的c o m 应用稷序能容易地和由j a v a 或c + 十编写的应用程序一起工作。c o m 还 跫一种以组 孛为发布单元的对象模型，这静模型使各软件组件可以用一羊巾统一的方式 进行交甄。c o m 既提供了组件之间进行交互的斌范，也提供了实现交互的环境，因为 基于c o m 规范的_ 丌放式数控系统研究与开发 组件对象之间交互的规范不依赖于任何特定的语言，所以，作为不同语占协作开发的 一种标准。c o m 表现出了极强的适应能力。从一开始，c o m 作为组件化软件模型，就具 有很好的应用前景。目前c o m 已经成为了事实上的组件化软件的模型标准。 2 3 2c o m 组件模型的特性 c o m 规范所定义的组件模型，除了前面提到的面向对象的特性和客户服务器特性 这两个基本特性外，值得重点说明的就是c o m 规范的语言无关性、对进程的透明性和 它的可重用机制。 2 3 2 1 语言无关性 c o m 规范的定义不依赖于特定的语言，因此，编写组件对象所使用的语言与编写 客户程序使用的语言可以不同，只要它们都能够生成符合c o m 规范的可执行代码即可。 c o m 标准与面向对象的编程语言不同，它所采用的是一种二进制代码级的标准，而不 是源代码级的标准。在面向对象编程( o o p ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 语言中定 义的对象，只能在同样的语言中被重复使用，这就大大限制了对象的重用。当然，o o p 语言可以被用于创建c o m 组件，因此这两种技术实际上是互相补充的。c o m 对象把o o p 语言中的对象封装起来，并提供一致的接口，使得它可以被各种不同的语言所使用。 2 3 3 2 进程透明特性 在客户服务器模型的软件结构中，运行在客户端的代码和运行在服务器端的代 码，既可以在同一个进程中，也可以在不同的进程中。如果它们运行在同一个进程中， 则由于组件和客户共享了进程的资源，因而无论对于编程还是运行效率都是很有益的。 但实际情况往往并不这样简单，因为服务程序并不总是作为d l i 。被装入到客户进程中， 它也经常是一个可执行程序，因此，跨进程操作是很必要的。 c o m 所提供的服务组件对象在实现时有两种进程模型：进程内对象和进程外对象。 如果是进程内对象，则它在客户进程空间中运行；如果是进程外对象，则它运行在同 一机器上的另一个进程空间或者在远程机器的进程空间中。虽然c o m 对象有不同的进 程模型，但这种区别对于客户程序来说是透明的，因此客户程序在使用组件对象时可 以不管这种区别的存在，只要遵照c o l d 规范即可。 2 3 2 3 可重用性 可重用性是任何对象模型的实现目标，尤其对于大型的软件系统，可重用性非常 重要。由于c 0 m 标准是建立在二进制代码级的，因此c o m 对象的可重用性与一般的面 向对象语言如c + + 中对象的重用过程不同。对于c o m 对象的客户程序来说，它只是通 过接口使用对象提供的服务，它并不知道对象内部的实现过程。因此，组件对象的重 用性可建立在组件对象的行为方式上，而不是具体的实现上，这是建立重用的关键。 在下面的c o m 组件模型的面向对象分析中，继续会对可重用性加以详细的分析。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 3c o m 组件对象和接口 2 3 3 1c o m 绍e x t r a 在w i n d o w s 系统平台上，一个c o m 组件可以是一个d l l ( d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y ， 动念连接库) 文件，或者是一个e x e ( 可执行程序) 文件。c o m 不仅仅提供了组件之间的 接口标准，它还引入了面向对象的思想。在c o m 标准中，对象是一个非常活跃的元素， 也常称之为c o m 对象。组件模块为c o m 对象提供了活动的空间，c o m 对象以接口的方 式提供服务，这种接口称为c o m 接口。 在一个组件程序中可以包含多个c o m 对象，并且每个c o m 对象可以实现多个接口。 当另外的组件或普通程序( 即组件的客户程序) 调用组件的功能时，它首先创建一个c o m 对象或者通过其他途径获得c o m 对象，然后通过该对象所实现的c o m 接口调用它所提 供的服务。 2 3 3 2c o m 接日及其特牲 ( 1 ) 接口的基本概念： 从技术上讲，接口是包含了一组函数的数据结构，通过这组数据结构，客户代码可 以调用组件对象的功能。接口定义了一组成员函数，这组成员函数是组件对象暴露出 来的所有信息，客户程序利用这些函数来获得组件对象的服务。 客户程序用一个指向接口数据结构的指针来调用成员函数。如图2 1 所示，接口 函数指针实际上又指向另一个指针，这第二个指针指向一组函数，称为接口函数表， 接口函数表中存放函数指针与对象的具体实现连接起来，通过这种方式，客户只要获 得了接口指针，就可以调用到对象的实际功能。这个接口函数表被称为虚函数表 ( v i r t u a lf u n c t i o nt a b l e 简称v t a b l e ) ，一个接口的虚表就是内存中的指针表。 虚表中的每个入口指向一个接口方法的地址。对于一个接口来说，它的虚函数表v t a b l e 是固定的，因而接口的成员函数个数是不变的，而且成员函数的先后顺序也是不变的； 对于每个成员函数来说，其参数和返回值也是确定的。在一个接口的定义中，所有这 些信息都必须在二进制一级确定，不管什么语言，只要支持这样的内存描述，就可以 定义接口。 圈21 接口模型 实际上，组件之间的接口是组件软件的关键，因为接口是双方进行通信的基础。因 此，软件组件应该遵从统一的标准，在同一软件中的组件必须使用同样的接口标准才 能保证组件之间可以进行通信。从目前w i n d o w s 系统上的软件使用情况来看，c o m 就 是这样一个为大家一致推崇的组件标准。 1 3 基于c o m 规范的开放式数控系统研究与开发 ( 2 ) 接口的内存模型 一个c o m 接口指针就是个指向接口虚表的间接指针。一个接口可以拥有自己隐 藏的、私有的数据，这些数据只能通过对接口方法的调用才能被处理。这种数据，只 要它存在，就会被马上被存入下面的虚表中。这种内存设计的好处在于，c 十+ 对那些 含有虚拟函数的c + + 对象，可以进行同样的内存设计。这意味着一个c o m 接口可以 很容易地用一个c + 十抽象基类来表示。 当然，c o m 的安排与c + 十对象并不是完全致的。c o m 的二进制设计是直接利 用c + + 的二进制设计方式来构造。但是，与c + + 不同的足，c