開放式上位數控軟件架構及（jí）其組件（jiàn）間解耦問題研究 -刀具網-數控機床市場網

您現在的位（wèi）置：數控係統網> 技術前（qián）沿> 開放式上位數控軟件架構及其組件間解耦問題研究（jiū）

開放（fàng）式上位數（shù）控軟件架構及其組件間解耦問題研究

2018-3-1 來源：燕山大學河北省計算機北（běi）京機床所作（zuò）者：李誌明李衛超（chāo）田夢吳榮華（huá）王瓊瓊

摘要：在分析上位數控軟件功能特點的基礎上（shàng）。考慮開放式數控（kòng）係統中（zhōng）關鍵部件更（gèng）換時軟件適應性，提出一種分層的開放式上（shàng）位數控係統軟件架構，並簡述了各層及（jí）模塊之間的交互關係；將依賴注入機製應用於開放式上位數控軟件各組件（jiàn）間的解耦問題中，以後置處理模塊（kuài）內部（bù）、以及後置處理模塊與代碼仿（fǎng）真及幹涉檢測模塊間的解耦問題為例。分別說明了構造子（zǐ）注入、設值注入的使用方法（fǎ）。

關鍵詞：開放式數控係（xì）統；軟件架構；依賴注入；解（jiě）耦

數控係統在諸多高端裝備中均處於核心地位，直接影響著裝（zhuāng）備性能的優劣。專用（yòng）數（shù）控係統的封閉性致（zhì）使無法（fǎ）將最新的軟硬件技術成果融人數控（kòng）係統之（zhī）中，嚴重地阻礙了數控技術的發展，使之難以適應互聯（lián）網+、中國製造2025等新戰略要求。因此，開放式數控係統逐漸成為了數（shù）控技術發（fā）展的主流，其（qí）應用也日益廣泛。

在常見的（de）3種開放式數控係統結構中，“IPC+開放式運動控製器”方式，憑借其自身硬（yìng）軟件平台良好（hǎo）的（de）開放性（xìng）及便捷性，應用（yòng）較多。在（zài）該方式中，開（kāi）放式數控係統（tǒng）軟件具有統領性（xìng）作用，且其複雜程度較高，例如各坐標（biāo）軸運動狀態、機床狀態等信息顯示（shì）、NC代碼（mǎ）編輯與下載，運動（dòng）軌跡預覽及仿真、參數設置（zhì）、外圍設備控製與檢測等，均需（xū）通過數控係統的UI界麵加以體現（xiàn）；此外，還有許多用戶不可見的重（chóng）要功能模塊（kuài），如NC代碼語法檢查、機床運動坐標變化、路徑優化及（jí）NC代碼生成等（děng）模塊（kuài）。

目前，我國在開放式數控係統軟件架（jià）構方麵的研究開（kāi）展的較少，缺乏該方麵軟件架構實施的資料和規範，尚未形成完善的、統一的架構體係心J。此外，在開放式數控係統軟（ruǎn）件研發（fā）過程中，某項功能的實現往往需要多個模塊協作完成；模塊與模（mó）塊之間的耦合難以（yǐ）避免，而過度（dù）的耦合（hé）則會嚴重影響開（kāi）放式數控係統軟件的擴展性、移植性、維護性。

本文以項目組研發的開放式（shì）精密激（jī）光切割數控係統平（píng）台為基礎，對開放（fàng）式上位（wèi）數控係統軟件架構問題進行（háng）研究，並將依賴注入（rù）原理(又稱控製反轉)運用到組件間的解耦問題之中，以（yǐ）期建立（lì）一個模（mó）塊化、可重構、可擴展的開（kāi）放式數控係統平台。

1 、基於UMAC的開放式數控係統硬（yìng）件架構

本文（wén）中開放式數控係統硬件（jiàn）架構以IPC和UMAC為基礎（chǔ）構建，其硬件結構（gòu）示意（yì）如圖l所示。在該架構中，用戶可充分利用（yòng）IPC的軟硬件資源，融合最新的信息技術及個性化需求，對運行於IPC中的上位（wèi）數（shù）控軟件進行自主開發。上位數控（kòng）軟（ruǎn）件的作用主要是實現實時性要求不（bú）是很高的人機交互功能（néng）；UMAC運動控製器一般由（yóu）電（diàn）源模塊、通用CPU板、軸擴展卡（kǎ）、I／O卡（kǎ）和具有特定功能（néng）的附件（jiàn）板卡等（děng）構成，是該架構的核心所在，主要實現實時性要求很高的NC代碼解釋、插補運算、運動控製、軟PLC程序執行等功能。該硬件架構兼（jiān）具靈活性和穩定性，開發（fā）效率高，可滿足專用數控係（xì）統（tǒng）難以滿足的個性（xìng）化功能需求。

圖1開放式敦控係（xì）統硬件平台示意

從圖l中可以發現（xiàn），上位數控軟件是重要的人機接口之（zhī）一，對整個數控係統具有（yǒu）統領（lǐng）性作用；其穩（wěn）定性、可靠性對整套數控裝備的性（xìng）能具有（yǒu）重要的影響。軟件架構決定了軟件的品質，在軟件開發中占有重要地（dì）位。因此，在開放式數控係（xì）統方興未（wèi）艾之時，對上位（wèi）數控軟件的架構問題展開研究顯得尤為必要。

2、開放式數控（kòng）係統軟件架構

開放式數控係統軟（ruǎn）件由IPC中的上位數控軟（ruǎn）件和UMAC中的下位軟PLC程序兩部（bù）分組成，是開放式數控裝（zhuāng）備的靈魂所在。UMAC中的軟PLC程序的（de）架構問題詳（xiáng）見文獻[3]；IPC中的上位數控軟件架構及組件間（jiān）解耦問題是本文的研究重點（diǎn）。

2．1上位數控軟件功能

軟件的開放性是開放式數控係統的特（tè）點之一，也就是說，開放式數控係統（tǒng）允許用戶開發常規（guī）的、個性（xìng）化的數控功能以及軟件係（xì）統（tǒng）集成。就（jiù）常規功能而言，可（kě）分為用戶可（kě）見（jiàn）的人機交互功能和用戶不（bú）可（kě）見的數據（jù）及業務處理功（gōng）能；本文分別稱之（zhī）為顯性（xìng）功能和隱性（xìng）功能。常見的顯性功能有CNC各類（lèi）狀態顯示、參（cān）數設置、工藝（yì）檔案、NC代（dài）碼仿真、MDI等功能；常見的隱（yǐn）性功能有後置處理、NC代碼語法檢查、故障診斷與報警（jǐng）、連鎖控製邏輯、與運動（dòng）控（kòng）製器及（jí）外設交互等。為了配合開放式數控係統的硬（yìng）件開放性（xìng），增強上（shàng）位數（shù）控軟件的生命力，還應從架構角度著重考慮（lǜ）軟件對核心（xīn）設備及部件更換的適應能力，如運動控製（zhì）器（qì）、激光器的更換（huàn）情況。

由此（cǐ）可（kě）見，開放式數控係統的（de）功能模塊繁（fán）多，且模塊間依賴關係複雜。因此，要開發一套穩定（dìng）可靠、性能（néng）良好，適應（yīng）性及可擴展性強，易維護的上位數控軟件，架（jià）構問題則應是要考慮的首要問題（tí）。

2．2上位數（shù）控軟件架構研究

常用的軟件架構類型有MVC架構、分層架構H J、微內核架構（gòu）”J、元模型架構∞o和管（guǎn）道一過濾器架構等。

在上位（wèi）數控軟件架構類（lèi）型（xíng）選取時，從用戶數量、界麵複雜程度、人機交互頻度、業務邏輯（jí）複雜度以及係統的擴展性、移植性和互換性（xìng）等角度考（kǎo）慮（lǜ），最終選取分（fèn）層架（jià）構模式。分層架構中各（gè）層之（zhī）間通過定義好的（de）接（jiē）口進（jìn）行通信。上層（céng）僅使用下層提供（gòng）的服務而無需（xū）知道下層的細節（jiē），這使得在接口不變的前提下可以對某一層或者某層中的部分功（gōng）能進行無損替換，從（cóng）而降低係統間的依賴程（chéng）度（dù）並在較大程度上保證了係統的可（kě）擴展性。分層架（jià）構將原本複雜的係統（tǒng）分開，有利於分化係統（tǒng）的複（fù）雜性，使開發人員可以專注（zhù）於某一層（céng）的細節。

本文（wén）通過（guò）對上位（wèi）數控係統整個流程進行研究，並綜合考慮開放程度和集成代價，得到“係統一模塊一組件（jiàn）”的（de）組成結構，將開放式上位數控係（xì）統軟件分為人機交互層（céng）、業務邏輯層、通訊協議（yì）層（céng）和數據服務層。上位數控軟件架構分層如（rú）圖2所示。

圖2開放式致控係統上位機軟件架構（gòu）

圖2中，人機交互層主要用於用戶操作指令與數（shù）控係統狀（zhuàng）態和參數之間的交互，如（rú）坐標（biāo）及速度顯示、機床狀態顯示、參數（shù）設置、工藝檔案管理等。

業務邏輯層負（fù）責對相關數據進行（háng）數控業務知識（shí）的處理，是對數控領域內各對象的（de）抽象，由後置處理、故障診斷、代碼仿真及檢測、權限管理等（děng）模塊（kuài）組成，具有承上啟下的作用，是整個上位（wèi）數控軟件的核心部分（fèn）。

通訊協議（yì）層負責上位數控軟件與UMAC、外設、以及數據庫之間的（de）通訊工作，由運動控製器通（tōng）訊協議包（bāo）、網絡通訊協議和（hé）數（shù）據庫操作封裝（zhuāng）等組成。通（tōng）訊協議層對上層服務接口的定義，應考慮不同（tóng）主流廠商的設（shè）備通訊協議，盡量定義一致的接口，從而增強設備更換時的係統適應性，如開放式運動控製器（qì）的更換、激（jī）光加工（gōng）係統（tǒng）中激光器的更換等（děng）。

數據服務層的主要功能是實現數據存儲，如工藝檔案、材料檔案、機床特性、係統故障（zhàng）診斷（duàn）表等。圖2中所示的開放式上位數控係統（tǒng）各（gè）層及模塊間的（de）交互關係如圖3所示。

圖（tú）3開放式數（shù）控係統各層及模塊問的（de）交互關係

通常，分層架構與依賴（lài）注入機製（zhì）一起（qǐ）使（shǐ）用，實現層與（yǔ）層之間的“可替換”式設計。在（zài）此（cǐ）基礎上，本文還將依賴注入應用到了組件間的解耦之（zhī）中（zhōng），從而在很大程度上（shàng）降低了上位數控軟件中各組件之間的耦合度（dù）。

3、組件（jiàn）間的解耦設計

耦合（hé）度是指模塊（kuài）或組件間（jiān）的依賴關係，包括控製關係、調（diào）用關係、數據傳（chuán）遞關係。對於絕大部（bù）分軟件來說，在軟件設計階段便確定了各模塊的控製關係、調（diào）用（yòng）關係和數據傳遞關係；在編碼階段（duàn）中，控製關係和數據傳遞關係造（zào）成的耦（ǒu）合無法進一步優化，而（ér）調用（yòng）關係造成的耦合則可以通過（guò）使（shǐ）用合適的設計模式得到很大程度的改善。

在常（cháng）規的軟（ruǎn）件開發過（guò）程中，組件的實例化通常在（zài）其他相關組件（jiàn）中完成。這種依賴關係造成的耦合降低了組件的可移植性和可替（tì）換性。針對這個問（wèn）題，本文將依賴注入（rù）設計模式應用於上位數控軟件的各組件的設計之中（zhōng），從（cóng）而有效降低了組件間的耦合度。

3．1依賴注入（rù）模式簡介（jiè）

依（yī）賴注入[71有3種模（mó）式：接口注人、設值注入和構造子注入；其中設值注入和構造子注入是目前主流的實現模式。設值注入方式簡潔（jié）、便利，適宜在組（zǔ）件依賴關（guān）係較為複雜時（shí）使用。構造子注入在構造組件時完成（chéng）依賴關係的設（shè）定，能讓組件在被創建後就處於相（xiàng）對穩定（dìng）的狀態，適宜在組件的依賴關係相對簡單時（shí）使用（yòng）。在（zài）實際開發中，以構造子（zǐ）注人為主，設值（zhí）注入為（wéi）輔，會達到較好的效果坤J。

Castle是基於．NET平台（tái）的開源（yuán）項目，囊括了ORM、IoC容器、MVC框架、AOP等，為開發人員構（gòu）建應用程序提供（gòng）了強大（dà）的（de）支持。Windsor Container是Castle的IoC容器，可以實（shí）現對組（zǔ）件生命周期、組件間依賴關係的管理。

3．2應用（yòng）構造子注入解耦示例

後置（zhì）處理模塊根據當前機床特性信息、係統特性（xìng）信息和（hé）刀位文件信息生成正確的NC代碼。圖（tú）4為後置處理模塊最初的依賴關係圖，圖5為運（yùn）用依賴注入（rù）原理將依賴關（guān）係提取後的依賴關係。

圖（tú）4後置處理的（de）原始依慧關係

圈5後置（zhì）處理應用構造子注入後的依藏關係（xì）

機床特性信息組件、係統特（tè）性信息組件和刀位文件（jiàn）信息組件在（zài）容器中完成實例化，之後由容器將實例化後的（de）對象注入到後置（zhì）處理（lǐ）組件中。後置處理組件對於機（jī）床特性信息、係統特性信（xìn）息和刀位文件信息（xī）的依賴是固定不變（biàn）的（de），適合使用構造子注入的注入方式，這樣使得組件被創建後就具備了正確運行必要的參數，使組件（jiàn）處（chù）於相對穩定的狀態。

後置處理（lǐ）組（zǔ）件中構造（zào）子注人代碼（mǎ）示例如下（xià）：

3．3應用設值（zhí）注入解耦示例

代（dài）碼仿真與幹涉檢測模塊負責對後置處理模塊產生的NC代碼進行仿真和幹涉檢測，檢測（cè）通過（guò）後的NC代碼才能在機床上實（shí）際運行。此時（shí），代碼仿真與幹涉檢測模塊依賴於後（hòu）置處理模塊，圖6為二者最初的依賴關係，圖7為應用依賴注入原理將（jiāng）依（yī）賴關係提取後，後置處理組（zǔ）件和代碼仿真與幹涉檢測組件的依賴關係（xì）。後（hòu）置處理功能組件在容器中進行實例（lì）化，之後（hòu）該實（shí）例由（yóu）容器注入到代碼仿真與幹涉檢測組件中，由於代碼的仿真（zhēn）及（jí）幹涉檢（jiǎn）測不但（dàn）支持對後置處（chù）理功能所生成NC代碼的檢測，還支持用戶（hù）自己（jǐ）編寫NC代碼的檢測，並且（qiě）對於程序中使用的某（mǒu）些第三方類庫而言，可能要求組件（jiàn）必須提供一個默（mò）認的（de）構造函（hán）數，此時構造子注入模式就體現出其局限性‘9|，此時合適的（de）依（yī）賴注入方（fāng）式應為設值注人。

代碼仿真及幹涉檢測組件（jiàn）中設（shè）值注入（rù）代碼（mǎ）示例如下（xià）：

文（wén）中采用（yòng）的Windsor container容器可以（yǐ）自動管理組件間的依賴（lài）關係，無需用戶去編寫（xiě）XML配置文（wén）件或者通過Attribute來指定容器之間的（de）依賴關係舊o，當某個功能模（mó）塊的（de）接（jiē）口有新的（de）實現時隻（zhī）需要修改容器中相應代（dài）碼即可。這種設計方法降低了相（xiàng）關組件間的耦合度，提高了（le）功能模塊的複用性，便於功能模塊的替換及擴展，使係統的設（shè）計結構（gòu）更加清（qīng）晰。

4、結（jié）語

依（yī）托IPC+UMAC的開放式數（shù）控係統架構中（zhōng）軟件開放性的特（tè）點，在分析（xī）了（le）上位數控軟件功能特點及考（kǎo）慮了硬件設備更換時的係統適應性的（de）基礎上，提出了一種分（fèn）層的上位數控係統軟件架構，並闡述了各層及模塊之間的交互關（guān）係（xì）。之後，將依賴注入機製應用於開放式上位（wèi）數（shù）控軟件各組件問的（de）解耦問題中，結合後置處理模塊內部、以及後置處理模塊和代碼仿真及幹涉檢測模（mó）塊間（jiān）的解耦問題，分別示例了構造子注（zhù）入、設值注入的應用。依賴注入機製（zhì）的使用降低了上位數控軟件各組件（jiàn）間的耦合度，提高了（le）軟件各（gè）模塊的複用性。在開放（fàng）式（shì）數控（kòng）係統應用興起之（zhī）初，本文對構（gòu）建模塊化、可重構（gòu）、可擴展的開放式上位（wèi）數控軟件具有一定的參考價值。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表（biǎo），或進行資訊合作（zuò），歡迎聯（lián）係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數控機（jī）床