论文题目：一种隐形数控软件系统及其实现方法的研究
摘要：传统数控系统的完全集成化结构和单机化工作样式已经成为制约数控系统顺应工业4.0时代发展的瓶颈问题所在。虽然当前有多个旨在打破完全集成化结构的开放式数控系统原型,但它们的开放程度受到组件技术的固有缺陷等其他因素的影响,且其开放化结构仍然是基于单机化工作样式的。今天,云平台和因特网等技术的快速发展和广泛应用为打破单机化工作样式创造了条件,使得将数控软件移植到云端并通过因特网同时控制现场端的多台设备成为可能。本文结合计算机科学、通信技术和软件工程等领域的技术成果、思想和方法,探索数控系统的网络化和相应的开放化的特点和实现方法,从而提出一种新的数控系统原型-隐形数控系统,以期为实现顺应工业4.0发展的、高度开放的、灵活的和智能的数控系统提供新思路和新方法。针对因特网上流量传输的不稳定性,本文基于缓存策略,结合数控域和网络化应用的特点,设计了隐形数控系统的跨远端、现场端和移动端的分布式部署样式。该部署样式在保证数控系统的强实时运行时环境需求的同时,能够最大化精简现场端控制设备的结构和功能。其次,结合部署样式的特点,设计了隐形数控系统的运营模式。通过引入运营商角色实现提供者和消费者之间的发布-查找-绑定模式的动态多对多配对。然后分析了部署样式和运营模式的约束下,数控域的开放性特征:数控功能模块的部署独立性、互操作性、可伸缩性、可复用性和在此基础上的数控能力的可定制性和与被控设备之间的可动态配置性。进而根据工作样式的特点和开放性特征,提出了隐形数控软件系统基于面向服务思想的实现机制,并对其业务域进行了分解:与传统数控软件相比,隐形数控软件的数控域是由多个提供者以数控服务的形式实现的,并且除数控域外,隐形数控软件系统还包含负责注册、管理和编配数控服务的运营商业务域。采用面向领域驱动设计的微服务架构思想开发了实现运营商业务域的隐形数控平台,在实现其功能性属性外,还实现了良好的伸缩性、演化性、健壮性和可维护性等非功能性属性。首先,根据限界上下文概念拆分了隐形数控平台的业务逻辑和行为,从而定义了四个隐形数控平台微服务,并设计了它们之间的映射模型,确定了隐形数控平台的总体结构。然后根据每个微服务的具体业务逻辑和业务行为的特点,分别研究其实现方法。为了提高微服务的响应能力,应对网络质量和流量的不稳定性,隐形数控平台微服务的实现采用了命令查询责任分离模式和大量的异步调用方法。最后,对隐形数控平台微服务进行了单元测试和响应并发访问的性能测试。为了研究数控服务的实现,本文以数控解释域为例,开发了数控指令解释服务。针对当前解释器的扩展性和适应性低的问题,本文通过分析数控语言的语言规范的特点,将解释器分为标准和特有两种,并提出一种解释功能由一个标准解释器和一个特有解释器动态组合而成的解释机制。此外,本文通过开发独立的具有容错机制的语义分析器和操作指令处理器,提高了解释器的解释性能。基于解释机制和解释器的实现,开发了数控指令解释服务,并编写了测试前端对数控指令解释服务的解释功能可配置性和解释性能进行了测试。最后,本文开发了隐形数控桌面客户端和其相应的API网关作为测试前端,结合数控指令解释服务,对隐形数控平台的用例进行了系统整体测试。进而,结合工件实例,使用隐形数控软件系统完成了从数控能力的定制和操作,到根据网络地址动态传输加工指令,再到现场端解码加工指令实现加工的整个加工过程操作,验证了本文所提出的隐形数控系统的工作样式和其软件系统面向服务思想的实现机制的可行性。
关键词：网络化数控;开放式数控;面向服务;领域驱动设计;解释器
学科专业：机械制造及其自动化
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的与意义
1.1.1 课题背景
1.1.2 本文研究的目的与意义
1.2 开放式数控系统的研究现状及开放化程度分析
1.2.1 硬件实现平台的研究现状
1.2.2 数控软件系统的研究现状
1.2.3 开放化程度的分析
1.3 网络化数控系统的研究现状
1.4 隐形数控系统实现面临的主要问题
1.5 本文的主要研究内容
第2章 隐形数控系统的概念及其总体结构的研究
2.1 隐形数控系统工作样式的设计
2.1.1 隐形数控系统的部署样式
2.1.2 隐形数控系统的运营模式
2.2 隐形数控软件系统开放性特征的分析
2.3 隐形数控软件系统实现机制的研究
2.3.1 数控功能模块的实现机制
2.3.2 数控能力的实现机制
2.4 隐形数控系统实现的可行性分析
2.4.1 数控域分布式部署的可行性分析
2.4.2 基于因特网通信的可行性分析
2.4.3 隐形数控软件系统面向服务思想的实现机制的可行性分析
2.5 隐形数控系统的概念和总体结构
2.5.1 隐形数控系统的概念和特点
2.5.2 隐形数控系统的总体结构
2.6 本章小结
第3章 隐形数控平台的研究与实现
3.1 隐形数控平台的系统设计需求分析
3.1.1 业务需求分析
3.1.2 用户需求分析
3.1.3 功能需求分析
3.2 隐形数控平台总体结构的设计
3.2.1 领域驱动设计的概述
3.2.2 隐形数控平台微服务的拆分和定义
3.2.3 隐形数控平台的总体结构
3.3 隐形数控平台微服务的实现
3.3.1 身份与访问微服务
3.3.2 服务粒度微服务
3.3.3 注册微服务
3.3.4 数控能力微服务
3.4 隐形数控平台微服务的单元测试和性能测试
3.4.1 单元测试
3.4.2 性能测试
3.5 本章小结
第4章 数控指令解释服务的研究与实现
4.1 数控解释器的概述
4.1.1 数控语言的概述
4.1.2 语言处理器概述
4.1.3 当前数控解释器存在的问题
4.2 解释功能可动态配置的实现机制的研究
4.3 原子解释器的实现
4.3.1 词法&语法分析器
4.3.2 语义分析器
4.3.3 合成处理器
4.4 复合解释器的实现
4.5 数控指令解释服务的实现与测试
4.5.1 数控指令解释服务的实现
4.5.2 数控指令解释服务的测试
4.6 本章小结
第5章 隐形数控软件系统的测试与验证
5.1 隐形数控软件系统前端的研究与实现
5.2 隐形数控平台的系统测试
5.2.1 提供者发布/更改/删除数控服务用例测试
5.2.2 消费者订阅/取消订阅数控服务用例测试
5.2.3 消费者定制/更改/操作数控能力用例测试
5.3 隐形数控软件系统可行性的验证
5.3.1 定制和操作铣削数控能力
5.3.2 传输和缓存加工指令
5.3.3 绘制刀具路径
5.3.4 结果分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
致谢