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。 本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 OSACA 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、应用三个维度上的一致性,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、任务间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。 4.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:①缺乏对系统开放性的支持;②易于引起数据流阻塞。为此,提出基于贪心(greedy)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 Windows2000/XP 和 VxWorks 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─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(facet)模式的数控系统构件分类的 BNF 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 I<WP=5>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。6.对高速高精运动控制相关技术进行了研究:①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。②为处理巨量密集微线段 NC 代码程序,采用内存文件映射和索引技术,使 NC 代码的读取和解释时间大大缩短。③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。