（通信与信息系统专业论文）面向服务的动态可配置数控系统及其关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 制造技术与信息技术的结合，特别是网络化数字制造技术的出现和发展， 给数字控制技术带来了新的需求和机遇。作为制造系统关键技术之一的数控技 术在加工速度、精度、系统功能及可靠性方面都有了很大程度的提高，但数控 系统的体系结构并没有发生实质性变化和突破，无法很好地满足网络化数字制 造技术的新需求，不能充分利用数控资源，在相当程度上影响了数字制造技术 能力的充分发挥和技术水平的进一步提高。为此，本文以打破数控系统现有体 系结构为突破口，以实现数控系统功能和资源均可配置为目标，研究以网络为 数控系统支撑平台，以信息资源和数控资源为构成要素的面向服务的网络化数 控系统，对网络化数控系统的体系结构、可配置性及其相关技术进行了深入研 究。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 面向服务的网络化数控系统体系结构研究。分析了国内外具有代表性 的开放式数控系统体系结构及结构形式，总结了当前单机型数控系统结构存在 的一些问题和不足，在研究网络化数字制造给数控技术带来的新需求的基础上， 提出基于面向服务的体系结构构建网络化数控系统的新思路，实现数控服务系 统对内提供远程操作和机床控制功能，对外将数控加工能力以服务的形式提供 给其它数控服务系统，从而最大化、最充分地利用资源。 ( 2 ) 面向服务的网络化数控系统可配置性研究。分析了网络化制造模式下 制造企业为了适应快速多变的市场需求对网络化数控系统可配置性提出的要 求，提出一种面向服务的网络化数控系统两层配置策略，即独立数控服务系统 的功能可配置性，多个数控服务系统之间的资源可配置性。围绕配置过程中涉 及的制造任务分解、数控资源建模、数控资源匹配、数控资源优选和配置方案 实施等几个阶段进行了初步探讨。 ( 3 ) 网络环境下可配置数控系统的关键技术研究。分析了网络化数控系统 中数控资源的特点及建模需求，抽象出数控系统资源的制造能力特征，建立了 数控系统资源模型并采用o w l s 进行语义描述；提出了基于语法和属性相结合 的混合相似度的计算方法，从功能匹配和质量匹配两个层面研究了数控资源综 合匹配算法；在匹配得到的候选资源集合的基础上，研究了基于改进蚁群算法 武汉理工大学博士学位论文 的资源链优选技术，并从时间最短、成本最低和综合性能最优三个方面对资源 链进行优选研究。 ( 4 ) 基于时间分割的通用实时高精插补算法研究。分析了一些常用的数控 系统的插补算法，提出了一种基于时间分割法的通用实时高精插补算法，采用 m a t l a b 对该插补算法进行仿真，并基于面向服务的可配置数控系统平台实现了 该插补算法，验证了算法的正确性、有效性。 ( 5 ) 面向服务的动态可配置网络化数控系统平台实现。基于上述研究，设 计实现了面向服务的数控系统平台的功能可配置和资源可配置平台，初步验证 了本文提出的相关理论的有效性和实用性。 关键词：网络化数控系统，可配置数控系统，面向服务的体系结构，资源匹配， 资源优选，插补算法 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h ee m e r g e n c e a n dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k e d d i g i t a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , h a sb r o u g h tn e wc h a l l e n g ea n do p p o m m i t yf o rn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，n u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e mh a sm a d eag r e a ti m p r o v e m e n ti n t h ea s p e c to fp r o c e s s i n gs p e e d ， p r e c i s i o n , f u n c t i o n a l i t y , r e l i a b i l i t ya n de t c b u tt h e r ei ss t i l ln oc h a n g eh a p p e n si nt h e a r c h i t e c t u r e ，w h i c hc a nn o ts a t i s f i e dt h en e wr e q u i r e m e n to fn e t w o r k e dd i g i t a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l g y , c a nn o tm a k ef u l lu s eo fn u m e r i c a lc o n t r o lr e s o u r c e ，a n d a l s oa f f e c t st h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lm a n u f a c u r i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt oc h a n g e c u r r e n ta r c h i t e c t u r eo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n di m p l e m e n tt h ec o n f i g u r a b l eo f n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，f u r t h e rr e s e a r c ho nt h es e r v i c e - o r i e n t e dc o n f i g u r a b l e n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sm a d ei nt h i sp a p e r d e t a i l e dc o n t e n t sa r eg i v e n a sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ea r c h i t e c t u r eo fs e r v i c e o r i e n t e dn e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n ta r c h i t e c t u r ea n ds t r u c t u r eo fc n cs y s t e m ， t h et h e s i si n d i c a t e dt h a tt h eo p e nc n cs y s t e ms u f f e r sf r o man u m b e ro fp r o b l e m s ， s u c ha sc o m p l i c a t i o no fs t r u c t u r e ，d u p l i c a t i o no ff u n c t i o n ，l a c ko ff l e x i b i l i t y , w a s t eo f c o m p u t i n gr e s o u r c ea n de r e t h ea r c h i t e c t u r eo fs e r v i c e - o r i e n t e dn e t w o r kn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ( s o n n c ) i sb r o u g h tf o r w a r d t h es o n n cs y s t e mc a np r o v i d er e m o t e o p e r a t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n ，a n dt h em a c h i n ec a p a b i l i t yi sp r o v i d et oo t h e rn c s y s t e m sa sas e r v i c et h r o u g h ti n t e m e t ( 2 ) r e s e a r c ho nc o n f i g u r a b l es e r v i c e - o r i e n t e dn e t w o r kn u m e r i c a ls y s t e m b a s e d o nt h ea n a l y s i so fn e wr e q u i r e m e n to fn e t w o r km a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t , t w o l e v e l s o p t i m i z i n gc o n f i g u r a t i o ns t r a t e g y o fs e r v i c e do r i e n t e dn e t w o r kn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d ，n a m e l yt h ef u n c t i o n - c o n f i g u r a b l eo fas e r v i c e o r i e n t e d n e t w o r kn u m e r i c a ls y s t e ma n dr e s o u r c e c o n f i g u r a b l eo fa m o n gs e r v i c e o r i e n t e d n e t w o r kn u m e r i c a ls y s t e m s a n dt h em a i ns t u d yc o n t e n t so ft h ec o n f i g u r a b l es y s t e m i i i 武汉理工大学博士学位论文 a r es u m m a r i z e d ，t h a ti s ，d e c o m p o s i t i o no fm a n u f a c t u r i n gt a s k ，r e t r i e v i n ga n d m a t c h i n go fn cr e s o l r c e ，o p t i m i z i n go fc a n d i d a t e r e s o u r c e sa n di m p l e m e n to f c o n f i g u r a b l em e t h o d ( 3 ) r e s e a r c h0 1 1t h ek e yt e c h n o l o g i e so fe o n f i g u r a b l en e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m f i r s t l y , u n d e rt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fn c r e s o u r c ea n di t sm o d e l i n g r e q u i r e m e n t ，t h er e s o u r c em o d e lo fn cs y s t e m i sc o n s t r u c t e df o r mt h ev i e wo f s u p p o r t i n gs h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i o na n dr e l i z e db yo w l sl a n g u a b e s e c o n d l y ，t h e h y b r i ds i m i l a r i t yc a l c u l a t i o na p p r o a c hw i t ht h ec o m b i n a t i o no fg r a m m a r - b a s e da n d t h ep r o p e r t y b a s e di sp r o p o s e d a n dt h es y n t h e s i ss e m a n t i c sf o rr e t r i e v i n g a n d m a t c h i n gc a n d i d a t er e s o u r c e ss e r v i c ei sp r e s e n t e d t h i r d l y , ac o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m b a s e do ni m p r o v e da n tc o l o n ya l g o r i t h mn e t w o r k e dn cr e s o u r c es e r v i c ec h a i ni s p r e s e n t e d ，a n dr e s o u r c e sc h a i nc o n s t r u c t i o ne x a m p l e ss e p a r a t e l yb a s e do nt i m e ，c o s t a n dt i m e c o s t q u a l i t y - s a t i s f a c t i o ns y n t h e s i sa r ep r o v i d e d ( 4 ) r e s e a r c h o nt h er e a l t i m eh i g h p r e c i s i o n i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m f o r g e n e r a l t y p e dp a r a m e t r i cc u r v e su n d e rn e t w o r ke n v i r o n m e n t b a s e do n t h ea n a l y s i so f c o m m o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m s ，s u c ha sp u l s ei n c r e m e n t a li n t e r p o l a t i o n ，d a t a s a m p l i n gi n t e r p o l a t i o na n dc o m p l e xp a r a m e t r i cc u r v ei n t e r p o l a t i o n ，ar e a l - t i m eh i g h p r e c i s i o ni n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rag e n e r a l t y p e dp a r a m e t r i cc u r v ei sp r o p o s e di n t h et e x t e x p r i m e n tr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n de f f i c i e n c yo ft h e i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n di th a sb e e na p p l i e dt ot h es e r v i c e o r i e n t e dc o n f i g u r a b l e c n c s y s t e m ( 5 ) i m p l e m e n t a t i o no f s e r v i c e o r i e n t e dd y n a m i ce o n f i g u r a b l en e t w o r kn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，p r o t o t y p e so fs e r v i c e - o r i e n t e d c o n f i g u r a b l en e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma r ed e v e l o p e d ，w h i c hr e a l i z e dr u c t i o n c o n f i g u r a b l ea n dr e s o u r c ec o n f i g u r a b l e ，r e s p e c t i v e l y t h e s ep r o t o t y p es y s t e m sh a v e c o n f i r m e dt h et h e o r i e sa n dt h em e t h o d sw h i c hs t a t ei nt h ep a p e ri se f f e c t i v ea n d f e a s i b l e k e y w o r d s ：n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；c o n f i g u r a b l en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ；s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ；r e s e a r c hm a t c h i n g ；r e s o u r c e o p t i m i z a t i o n ；i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m i v 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本学位论文的研究主要得到如下项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金重大国际合作与交流项目( 5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) ：以网络 为基础的数字制造环境的新理论和新技术研究； ( 2 ) 国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 5 1 6 6 ) ：基于资源的网络数字控制新理 论及关键技术研究； ( 3 ) 国家自然科学基金项目青年科学基金项目( 5 0 9 0 5 1 3 3 ) ：客户需求信 息数字化建模与优化设计研究。 1 1 2 课题研究目的与意义 制造业是将可用资源( 包括能源) 通过制造过程，转化为可供人们使用或 利用的工业品或生产消费品的行业，它涉及的行业包括机械、电子、轻工、化 工、食品、军工、航天等【l 】。大量的统计资料表明，工业化国家的社会财富中至 少有6 0 - 一8 0 是制造业创造出来的，国民经济的4 5 也来自制造业，强大的制造 业是先进生产力的体现，是国民经济的重要支柱，已经成为经济发展不可替代 的基础。机床作为关键的制造设备，其能力和水平在很大程度上影响了一个国 家制造业的实力和水平，而机床数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) 技术作为机 床自动化的关键技术，其功能和技术水平又在很大程度上决定了机床的加工能 力。不但生产装备、民用设施、生活用品的精度加工离不开数控技术，而且飞 机、卫星、火箭、航天飞船、航天飞机等高科技设备的生产制造，以及大炮、 导弹、潜艇、战机等军事装备的生产制造，都离不开数控技术。因此，数控技 术的水平不仅影响到一个国家制造业的实力和水平，而且关系到一个国家在航 空航天等重要科技领域的水平，以及关系到一个国家的国防军事能力。 正是由于以上原因，机床数字控制技术受到各国的高度重视，并投入了大 量人力、物力用于数控技术的研究和高性能数控系统的开发。上世纪9 0 年代以 武汉理工大学博士学位论文 前，受技术上的限制，数控系统体系结构主要以封闭结构的专用型数控系统为 主，以德国西门子公司、日本f a n u c 公司和美国a l l e n b r a n d l y 公司生产的数控 系统为代表，这些传统的数控系统大多采用专用设备，具有结构简单、技术成 熟、生产成本低等优势，在大规模生产时期，这种封闭型数控系统的产生、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。但随着微电 子和计算机技术的迅速发展，这种封闭式的数控系统也渐渐显示出许多的弱点， 如软件为系统制造商所有，通用性差，并且不利于功能扩展和更新，对机床使 用者的水平要求较高等。各个厂家生产的数控系统在操作方式上各不相同，引 进不同厂家的设备需要重新学习，因此，在人员培训、设备维护等方面需要投 入大量的时间和资金。同时，用户无法通过对专用型数控系统控制功能的修改 以满足自己的特殊需求，如果用户需要在控制系统中添加一些特殊的要求，必 须求助于系统的供应商，重新调整硬件和软件设计，这样会浪费大量的人力和 时间。 自2 0 世纪8 0 年代起，个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，简称p c 机) 的发 展速度飞快，从8 位、1 6 位发展到3 2 位、6 4 位，运算速度和可靠性都有大幅 提升，并且在性能和功能快速发展的基础上，价格越来越便宜，因此，许多企 业、研究机构都开始采用基于p c 的开放式数控技术与系统。目前，基于通用 p c 的开放式数控技术得到迅速发展，出现了p c + n c ( 包括n c 嵌入p c ，p c 嵌 入n c 等) 和p c 全软件集成n c 等系统结构。这些基于p c 的数控系统，无论 是软硬结合的还是全软件的，主要采用单机型系统架构，即系统以一台计算机 ( p c 机) 为主，配以其他辅助控制装置，在一套系统上集成了几乎全部的数控 功能。这种单机型的数控系统体系结构存在一些问题和不足：( 1 ) 由于p c 机最 初是针对数据处理、文件处理而设计的，因此其系统功能和结构相对复杂，缺 乏柔性，相对来说成本较高；( 2 ) 由于p c 系统的硬件不是针对实时控制系统设 计的，因此，p c 型数控系统不能很好地满足实时控制的要求，往往需要对数控 系统进行硬件扩展以满足实时控制的需要；( 3 ) p c 机提供的不少功能是实时控 制中不需要的，对于数控系统的处理要求而言，p c 系统的计算资源过剩，而且 p c 系统的操作系统也不是针对实时控制而设计的1 2 l 。 随着计算机技术和互联网技术的发展，制造技术现在已发展到了网络化数 字制造时代，国内外在这个方面都进行了大量的研究，出现了一些具有联网功 能数控系统【3 ，4 】，这种网络化数控系统通过网络将各自独立的数控系统连接起来， 2 武汉理工大学博士学位论文 可以通过网络进行加工数据传送、远程监控、故障诊断等操作。但这种网络数 控系统并没有从实质上改变数控系统本身，严格地说来只是联网的数控系统， 并不能通过网络实现数控功能的共享、协同计算与控制。 可以说，虽然数控技术已经发展到了一个很高的水平，在加工精度、速度、 功能和可靠性等方面都有了很大提高，但也应该看到数控系统的体系结构在这 几十年并没有发生实质性变化和突破，这些问题反映出目前的数控技术不能很 好地满足现代网络化数字制造的新需求，未能充分发挥数控资源的作用，在相 当程度上影响了数字制造技术能力的充分发挥和技术水平的进一步提高。 随着市场竞争的日益激烈、用户需求的不断变化，制造企业必须具备对市 场和用户需求的快速响应能力，能够通过对数控系统进行适当调整以适应新的 变化需求。这其中包含两种情形，第一种情形是，制造企业内部的数控加工单 元能够根据不同用户的加工需求快速构建新的控制系统，即用户能够自由地选 择数控系统装置、驱动装置、伺服装置、数控系统控制软件、应用软件等构成 要素，这就要求数控系统具有模块化特性和软硬件可配置可重构能力；第二种 情形是，企业之间的数控资源具有根据不同用户的加工需求协同工作的特点， 即制造企业可以通过与其他企业合作的方式来承担超出自身生产能力的生产任 务，通过协同计算与处理实现更强大的数控系统功能，以达到资源的最大化、 最优化利用。 针对以上问题，本论文根据网络数字制造环境下新的数控需求，结合计算 机技术、网络技术、信息系统技术的最新发展，提出突破数控系统现有框架的 新体系结构，并对相关的数控系统可配置问题及其关键技术展开研究，使得数 控技术能更好地适应网络化数字制造环境、满足网络化数字制造对数控技术带 来的新需求，能更好地符合网络化数字制造技术的发展趋势，并实现与信息技 术的更有效结合，更充分地发挥数控资源的作用。有关研究将丰富、扩展数字 控制技术的理论和技术基础，开拓数控技术新的研究领域和发展方向，并对提 升我国数控技术水平具有十分重要的意义和作用。 1 2 数控系统体系结构的研究现状 1 2 1 国外研究现状 要实现数控系统的开放性，首先必须要建立一个能够被广泛遵循的标准。 武汉理工大学博士学位论文 国际上在这个方面的研究开展的比较早，已经建立了一些体系标准规范，其中 比较有代表的是：美国的n g c 计划和o m a c 项目，欧盟的o s a c a 项目，以 及日本的o s e c 计划。 ( 1 ) 美国的n g c 计划和o m a c 项目 n g c 5 7 】( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ，下一代控制器) 计划是美国国防部在1 9 8 7 年开展的研究计划，涉及到硬件和软件等多个方面， 其体系结构如图1 1 所示。n g c 计划是以开放式系统结构为目标，以实时加工 控制器和工作站控制器为基础，用来消除设计和加工之间的分离状态，为开发 具有互联互操作的控制器提供标准。n o c 的重要研究成果是制定了“开放式系统 体系结构标准规范( s o s a s ，s p e c i f i c a t i o nf o r a l l o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e s t a n d a r d ) ”，用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原型研究，并进入工业开发应用阶段。 计算机平台 虚拟机械 工作站管理 围 图1 1n g c 系统体系结构 在n g c 研究成果的基础上，美国的三大汽车公司通用( g m ) 、福特( f o r d ) 和克莱斯勒( c h r y s l e r ) 于1 9 9 4 年底首次提出了o m a c 【8 。1 0 j ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) ，即开放式、模块化体系结构控制器的概念。为了使系 统具有柔性、可扩展性和可复用性，o m a c 计划并没有提供一个固定的参考结 构，没有指定任何操作系统，也没有提供有关硬件平台和软件平台的信息。 o m a c 计划希望控制器的用户能够提供标准的控制器模块集，以实现根据选择 不同的模块集，通过“搭积木”的方法能够即插即用的组装成所需要的控制器，从 武汉理工大学博士学位论文 而缩短产品开发周期，提高模块的利用率。 ( 2 ) 欧盟的o s a c a 项目 自动化系统中的开放式控制系统体系结构( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ，简称o s a c a ) 项目 1 l - 1 3 是19 9 0 年由欧共体 国家的2 2 家控制系统开发商、机床制造厂、控制系统集成商和科研机构联合发 起的，1 9 9 2 年5 月正式被欧盟官方接受。该项目的目标是建立一个开放性的、 厂商无关的控制器体系结构，允许机床厂对系统做修改、补充、扩展、裁剪来 适应不同用户的需要，提供数控系统用户的市场竞争力。 o s a c a 借鉴i s o 的o s i 参考模型，通过对现有控制系统的详细分析，提出 一个“分层的系统平台+ 结构功能单元 的结构。o s a c a 提出的开放式数控系 统模型。o s a c a 认为一个开放控制系统应该以一个系统平台为基础，由一组逻 辑上离散的部件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息；在平台之间定义 了很好的接口，允许不同供应商提供的组件之间协调工作；保证了系统平台的 硬件无关性和操作系统的无关性。 o s a c a 控制系统分为两个部分：应用软件和系统平台，如图1 2 所示。应 用软件由一组被称为“结构对象a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c o ”的功能模块组成，a o 独 立于系统平台，通过a p i 进行通讯，系统结构是一种星状结构。系统平台包括 系统硬件如主板和i o ，系统软件如操作系统、通信系统和设备驱动程序，通过 a p i 向外提供服务。该系统结构能较好的满足可移植性、可操作性、互换性和可 扩展性的基本要求。 图1 2 ( 3 ) 日本的o s e c 项目 应用软件层 应用接口层 系统软件层 硬件层 o s a c a 系统体系结构 5 武汉理工大学博士学位论文 o s e c l l 6 j ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划是在日本国际机 器人和工厂自动化研究中心( i n t e r n a t i o n a lr o b o t i c sa n df a c t o r ya u t o m a t i o n c e n t e r ) 建立的开放式数控委员会倡导下，由东芝机器公司、丰田机器厂和马扎 克公司三家机床制造商和三菱电子、i b m 及s m l 信息系统公司于1 9 9 4 年1 2 月 共同发起的，其目的是开发基于p c 平台，具有高性价比的新一代开放体系结构 数控系统。 o s e c 将研究重点放在n c 系统和分布式控制系统上，只定义了逻辑功能模 块的服务内容和消息接口协议，只要符合接口的功能模块，都能“即插即用”。 o s e c 的开放式c n c 系统的体系结构包括3 个功能层和7 个处理层，如图1 3 所示，三个功能层分别由应用功能层、控制功能层和驱动功能层组成，实现了 零件设计、工艺规划( 加工顺序、刀具轨迹、切削条件) 、机床控制( 程序解释、 操作模块控制、智能处理等) 、轨迹控制、顺序控制、轴控制等功能。o s e c 的 结构属于层次性结构，它将数控系统按功能划分为两部分：n c 基本部分和可变 功能部分。层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层建立，下层 为上层提供所需的服务。同一层的模块之间按照一定的接口关系自由调用。 应用 功能 层 控制 功能 层 驱动 功能 层 图1 3o s e c 开放系统体系结构 6 武汉理工大学博士学位论文 上述三个计划的国际影响极为广泛，一些著名的机床生产商、各国知名大 学研究机构都参与其中，下面对这三个计划进行比较分析【1 7 1 。 表1 1o s a c a o m a c o s e c 计划比较 o s a c ao m a co s e c 类型 面向对象组件提供接口 函数 应用程序接口 定义形式c + +i d lc a p i 粒度适中小较大 形式有单元结构有 参考体系结构命名模块个数 9 1 4 7 模块内部描述无有限状态机无 通信平台无 任意 d l l 基于p c 机 可面向其它平台任意基于p c 底层基础结构编程语言 c c 抖c | c 弋七| 了n kc c + + 分布应用可 可 否 支持c o r b a否 可 否 o s a c a 项目已经基本停止，因此所采用的技术有些落后；o s e c 没有采用 面向对象技术，应用范围仅局限于w i n d o w s 环境；相比较而言，o m a c 各方面 优势比较明显，有许多值得借鉴的地方。比较结果显示这三个计划的参考体系 结构差别很大，底层基础结构也截然不同，因此，很难将它们简单整合成一个 标准和规范。 1 2 2 国内研究现状 国内对开放式数控系统的研究起步于2 0 世纪9 0 年代后期，主要集中在应 用层面，也相继研制出一些开放式数控系统。 华中科技大学提出了一种基于软件芯片( s o f t w a r ei n t e g r a t e dc h i p ，简称s i c ) b 8 - 2 0 的开放式数控系统的实现方法，采用面向对象技术，对数控系统软件进行 标准化和规范化研究，将数控系统中相似或类似的功能模块抽象成软件芯片， 在重新组装数控系统或者进行二次开发的时候，只需要从软件芯片库中找出合 适的芯片，按照自己的要求进行适当修改或不做任何修改直接组合成新的数控 系统，从而极大地提高了软件的可重复利用率，降低了软件开发成本和开发周 7 武汉理工大学博士学位论文 期，而且数控系统的总体质量相对以往也有大幅度的提高。 北京航天航空大学的陈友东等人提出了基于实时l i n u x 的开放式数控系统 的概念【2 l - 2 3 1 ，在实时l i n u x 上实现了具有开放性、模块化、动态可重构的数控系 统，该系统包括组件库、虚拟模块系统和配置系统三部分，组件库负责提供数 控系统的基本软件模块，虚拟模块系统由任务调度器和通信模块组成，主要负 责为各个功能组件提供任务协调和同步机制，配置系统根据用户离线编辑的配 置文件，从组件库中选择合适的组件，在系统启动时动态调用各个模块，生成 新的数控系统。 浙江大学的王文等人提出了采用软件复用技术实现开放式数控系统的方法 阱，2 5 1 ，文中首先分析了c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 组件技术的语言无关性、 进程透明性和可重用性等特点，然后通过对数控系统软件结构的分析，采用c o m 组件技术开发实现了控制面板模块、数控指令解释模块、刀补模块、插补模块、 伺服控制模块和i o 处理模块等功能模块，称为软构件，这些功能独立的软构件 可单独开发、编译、调试。用户在搭建数控系统时，先选出合适的构件，然后 通过简单的“胶水代码 将各软构件无缝集成起来，形成一套数控系统。 清华大学周惠兴等人提出了一种称为衍生式计算机数控系统1 2 6 l ( e x t r a c t e d c n cs y s t e m ，简称e c n c ) 的开放式数控系统模型，它将传统的专用数控系统 作为衍生式数控系统的一个功能部件，对其进行设计，使其具有开放系统的功 能和特征。e c n c 系统具有两种不同的体系结构：功能衍生结构 ( f u n c t i o n e c n c ) 和开放衍生结构( o p e n e c n c ) 。f e c n c 是在专用的数控系 统实现功能扩展，系统的主要部分仍然是原来的数控系统。o e c n c 系统是一个 基于p c 机的开放式数控系统，它的功能可以在原有功能的基础上进行任意更新 或扩充。这两种不同的体系结构的开放程度有所不同，f e c n c 侧重于功能的扩 充，而o e c n c 则侧重于与外界的联系。 西安交通大学的毛军红等人提出了一种新的机床数控软件化体系结构【27 】及 其相关技术，其基本思想是采用两个基于p c 的控制器分别实现机床运动控制和 工艺性能控制。文中提出了完备数字机床的概念，是指在p c 机的控制下能够实 现机床所有全部可能的动作，其运动控制软件是通用的，而工艺软件是独立于 具体的数字机床的，由p c 机上运行的工艺软件来完成加工工艺任务，从而使得 机床不再受系统软硬件的限制，实现相同厂家和型号的机床可以共用相同的工 艺软件。 武汉理工大学博士学位论文 哈尔滨工业大学的卓桂荣等人提出了基于工业p c 机和w i n d o w s 9 8 操作系 统的全软件化数控系统【2 8 】，对数控系统的软件模块进行划分，并利用v c + + 实现 了程序设计模块、加工及仿真模块、手动操作模块的主要功能模块，在此基础 上，通过加减配置不同的模块实现数控系统构造。四川大学的朱达宇等人在对 全软件数控系统分析的基础上，提出了基于r t l i n u x 的全软件数控系纠2 9 】，实 现了处理数控系统图形界面的界面层，处理非实时任务的管理层和处理实时控 制任务的控制层，其中控制层采用r t l i n u x 内核实时线程处理多个实时任务， 采用实时通道作为数据缓冲区，保证了系统的实时性。 1 3 论文主要研究内容 1 3 1 关键问题提出 本文在综合分析国内外相关领域研究现状的基础上，认为以下几个问题还 有待进一步的深入研究。 ( 1 ) 网络化数控系统体系结构研究 目前的数控系统，无论是基于p c + n c 结构的，还是全软件实现的，主要采 用单机型的系统架构，即以一台计算机为主，辅助以其他控制装置，在一套系 统上实现了几乎全部的数控功能。这种体系架构的数控系统存在许多的问题， 如系统功能不能根据加工需求而动态改变，无法实现昂贵的数控资源的共享， 存在资源浪费，且不利于实现互联互操作等。因此，迫切需要对数控系统架构 做出相应的变化，以适应网络化数字制造带来的新需求。 ( 2 ) 网络化数控系统可配置性研究 在网络化数字制造环境下，数控制造设备作为全球数字制造网络中的一个 资源节点，能够接收并执行来自数字制造网络的加工任务j 但是加工任务会随 着市场需求的不断变化而变化，而要适应这种情况，数控设备就必须具备动态 配置功能，也就是说数控系统的功能能够随加工需求的变化而不断变化。随着 信息技术和网络化技术的不断发展，资源的使用已经不再局限于企业内部，如 何实现数控资源在整个广域网范围内的共享，尽可能地充分利用数控资源成为 一个研究热点，它也可以理解为研究广域网范围内的数控资源的重新配置问题。 因此，为了适应网络化制造模式，对资源节点的可配置性和资源节点之间的可 配置进行研究势在必行。 9 武汉理工大学博士学位论文 ( 3 ) 可配置的网络化数控系统相关技术研究 1 ) 建模技术 由于网络环境下数控系统资源种类繁多，数量巨大，分布在不同的地理位 置上，各个制造企业对数控资源的描述方法和管理策略都不一致，因此，如何 建立一个内容完整、结构清晰的数控资源模型是本文需要解决的一个关键问题。 2 ) 匹配技术 在实际生产加工过程中，用户发布的制造任务往往是产品级或零件级复杂 任务，经过任务分解之后，由多个简单子任务或任务元构成，如何为每个任务 元查找满足其功能和性能要求的数控资源是必须解决的一个问题。 3 ) 优选技术 由于各个任务元之间存在一定的时序关系，因此，还需要根据任务元之间 的逻辑关系，在所有有效的资源集合中选择一个能够满足功能、时间、费用等 约束条件且整体性能相对最优的资源配置方案。 ( 4 ) 网络化数控系统插补技术研究 作为数控系统实现高速、高精度加工的控制核心，数控系统所具有的插补 算法的优劣，直接影响着数控系统在运动精度、运动速度和加工能力等方面的 性能。因此，网络数控系统插补技术的研究对于提高数控系统性能至关重要。 1 3 2 主要研究内容 本文依托国家自然科学基金项目，针对网络数字制造环境对数控系统提出 的需求，以打破数控系统现有的体系结构为突破口，研究更适合于网络数字制 造的数控系统新的体系结构及其相关技术，解决数控技术当前存在的问题，实 现数控资源的共享和充分利用。本文的主要研究工作体现在如下几个方面： ( 1 ) 面向服务的网络化数控系统体系结构的研究 本文结合面向服务的体系结构，以实现广域范围内资源共享为目标，提出 以网络为数控系统支撑平台，以数控系统资源为构成要素的面向服务的动态可 配置的网络化数控系统体系结构。这里所说的服务在狭义范围内包含2 层意思： 一是系统通过网络向远程多台数控机床提供绝大部分的可共享数控加工功能； 二是系统通过网络向多个用户提供数控远程操作、监控功能。广义层面的服务 是指多个数控服务系统通过网络互联实现进一步的资源共享，面向客户提供数 控服务功能。 1 0 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) 面向服务的网络化数控系统可配置性的研究 根据资源可配置的范围和深度不同，可以划分为狭域的企业内部和广域的 企业之间的可配置性，因此，需要根据不同情况分别进行研究。狭域范围是指 数控系统功能可配置，将数控系统看作由一系列功能组件构建的控制系统，系 统缺少的数控功能可以通过其他服务商提供的网络数控服务获得，通过对功能 的定制和通信连接的建立，动态生成满足用户需求的新的数控系统；广域范围 内的数控系统可配置是将数控系统的制造能力看作数控资源，研究制造企业之 间资源的合理分配和充分利用。 ( 3 ) 网络环境下的可配置数控系统关键技术研究 资源建模技术：标准规范的网络化数控资源模型是实现企业之间数控资源 共享和配置的基础。针对资源建模的问题，基于抓住主要因素、摒弃次要因素 的原则，研究网