一種計算機數控領域的建模方法

2023-06-15 04:29:51 1

專利名稱：一種計算機數控領域的建模方法
技術領域：
本發明涉及計算機數控領域，特別涉及一種計算機數控領域的建模方法。
背景技術：
計算機數控系統涉及到機電、電子、軟體以及控制等多個學科，傳統的開 發方法是單個應用系統的軟硬體開發分開進行。這種開發方法普遍存在著可重 用性程度低、開發效率低、非功能屬性無法保證以及系統集成測試困難等問題。
軟體復用被認為是解決軟體危機的有效途徑，由於特定領域的內聚性和 穩定性的特點,軟體復用在特定領域的應用更易獲得成功。在軟體工程界，基 於構件的軟體工程、領域工程等推動了軟體復用的發展。但是在針對特定領域 的應用中,均存在以下幾個問題
1) 如何合理選取視角來剖切該領域空間並映射到多視圖平面？
2) 如何合理捕獲領域特徵並描述領域構件及其相互關係？ 計算機數控系統中，功能屬性和非功能屬性(如可靠性、實時性等)同等重
要。由於計算機數控領域的複雜性，如何在領域模型中合理描述系統的功能和 非功能屬性，並能實現在系統開發的前期做到功能和非功能要求的驗證，是一 個值得關注的焦點。
國內外有學者針對計算機數控進行建模和分析做出了有益的探索，但是 模型大多局限為開發人員交流時的對象，模型驗證和代碼自動生成並沒有涉及 到。計算機數控領域缺乏適用、高效的建模方法。

發明內容
本發明的目的在於克服當前計算機數控領域開發方法上存在的上述問題,
提供一種基於vrc(視圖-特徵-構件)的計算機數控領域的建模方法，vfc是
視圖(View)、特徵(Feature)、構件(Component)英文單詞首個字母的簡稱。 本發明採取多視角的方式剖切領域空間，並映射到相應的多視圖平面,在視圖 容器裡依據特徵建立相應的領域元模型，包括構件的交互和組合的描述，系統 組成的描述，系統結構及行為的描述，系統功能和非功能屬性的規約。 為實現上述目的，包括以下步驟
(1) 分別選取不同的視角針對計算機數控領域進行分析，所述視角包括 三種結構視角、系統視角、功能非功能視角。視角是指從不同的角度出發來 觀察和剖切領域空間。是cnc領域分析的依據，並和視圖形成一一映射關係。 所述視角包括三種系統視角，結構視角，功能非功能視角。
(2) 依據步驟(1)中選取的不同視角捕獲計算機數控領域的特徵後，映 射成相應的多視圖，所述視圖包括三種結構視圖、系統視圖、功能非功能視
圖；視圖是計算機數控領域的一個片段或者切片，是從不同視角出發得到領域 空間的區域投影平面和裝載容器。其中結構視圖分為回零視圖、手動視圖、手 輪視圖、編輯視圖、錄入視圖以及自動視圖。功能非功能視圖分為運動控制視
圖和plc邏輯控制視圖。
(3) 以數控構件特徵為依據描述計算機數控領域構件；構件是組成計算
機數控系統的功能單元，特徵是構件的固有屬性，在視圖中依據特徵對構件及 其組合進行描述和規約並完成元建模。
(4) 在步驟(2)的相應視圖容器中，以步驟(3)的構件為基礎完成構件之間組合和交互關係的規約，並進行元建模；元建模完成後通過元模型解釋
器生成面向計算機數控領域的建模語言，依據該建模語言可進行用戶模型的 搭建。
(5) 依據步驟(4)構建的計算機數控領域元模型經過元模型解釋器生成 計算機數控領域建模語言，所述的計算機數控領域建模語言為可視化、圖形化 的建模開發環境，具備計算機數控領域特定的語法和語義空間；
(6) 應用步驟(5)生成的計算機數控領域建模語言，在系統視圖中建立 系統平臺和數控系統開閉環模型，在結構視圖中建立數控管理軟體模型，在功 能非功能視圖建立運動控制和PLC控制模型，完成數控系統應用模型的建立；
(7) 通過模型驗證實現應用模型的功能非功能屬性驗證，通過模型解釋 器實現代碼的自動生成，並可編譯成數控系統。
與現有技術相比，本發明提供的方法具有如下優點本發明針對計算機數 控領域建立建模環境，能實現模型級的功能和非功能驗證，並實現代碼自動生 成。該方法能提高數控系統可靠性以及開發效率，能保證數控系統實時性等非 功能屬性，是計算機數控領域開發的一種新的建模方法。


附圖1為本發明的CNC系統建模開發流程示意圖； 附圖2為本發明的VFC建模方法示意圖； 附圖3為本發明的系統視圖開閉環子視圖； 附圖4為本發明的系統視圖CNC平臺子視圖； 附圖5為CNC人際交互軟體建模示意圖； 附圖6為運動控制建模示意圖；
具體實施例方式
本發明的CNC開發方法,包含元建模,用戶建模,模型驗證及代碼生成幾個 步驟。如附圖1為CNC系統建模開發流程示意圖，基於特定領域建模的CNC 開發方法包括四個過程，元建模、應用建模、模型驗證及代碼生成。在元模型 建模環境101中建立CNC元模型102，由元模型解釋器103解釋成CNC建 模語言，即計算機數控領域建模環境104，在該建模環境中建立應用模型105， 通過模型解釋器106生成相應硬體平臺下的原始碼107，編譯生成數控系統 108。
具體步驟如下 (1)元建模
如圖2所示，依據VFC建模方法，利用元建模工具,針對CNC領域，選取
系統視角204、結構視角201、功能非功能視角206來捕獲CNC領域特徵，並映
射成相應的視圖，即為系統視圖203，結構視圖202，功能非功能視圖205。
系統視圖203對CNC平臺進行描述，結構視圖202對人際交互軟體進行描述，
功能非功能視圖205對PLC以及運動控制進行描述。
人機互動的元模型針對界面元素和空間進行屬性的描述，如編輯框，按鈕， 文本框等控制項的長、寬、顏色、字體等。
系統視圖針對CNC平臺進行規約，依據平臺的確特徵如OS選配，CPU類 型，存儲空間大小，通訊方式，CNC開閉環選擇，CNC輸出模擬/數字方式選擇 等進行相應元素的描述和規約。
功能和非功能視圖針對運動控制的任務管理，運動任務，PID控制、PLC 等構件進行功能和實時特徵的描述和規約。
CNC元模型的建立採取UML/0CL語言結合的方式進行，可選取元建模工具
進行建模。
(2)用戶建模
元建模後可通過元模型解釋器生成可視化的面向CNC領域的建模語言， 應用該語言由CNC領域專業人士根據需求建立用戶模型。包括人際交互建模， 運動控制建模，PLC建模。建模的依據是VFC方法。建模語言是可視化的,具 備CNC領域的語法和語義。另外，元建模中OCL語言的約束，在用戶建模時 會得到體現。比方，某些"唯一性"約束的元素，用戶建模時在相應視圖只能 拖放一個， 一旦超過，建模環境不能支持並會報上相應的錯誤。
如圖3所示，為系統視圖CNC開閉環子視圖。在該視圖裡，針對CNC系 統的開閉環方式、數字/模擬量輸出方式等進行建模。拖放數控系統302、軸 305、軸309、編碼盤301、編碼盤306、伺服303、伺服307、電機304、電機 308等建模元素，並進行元素之間相應的連接和屬性配置，即可表示出CNC 系統的開閉環方式和數字/模擬量輸出方式。例如圖3建模表示一個二軸閉環 車床數控系統，編碼盤接在運動軸上，反饋回來的數據直接送入數控系統，形 成全閉環控制，數控系統以模擬量輸出給伺服系統。
如圖4所示，為系統視圖CNC平臺子視圖。在該視圖裡，針對CNC系統 的平臺架構進行建模。進行OS配置402、內存配置403、 CPU配置401、通 訊配置406、總線配置405、 1/O配置407等建模元素的拖放和組織，並進行元 素之間相應的連接和屬性配置，即可表示出計算機數控平臺404架構方式。例 如，在一種"嵌入式計算機+運動控制器"的數控系統平臺，OS選擇Windows CE， RAM配置為128M的CF卡，CPU選擇X86,下位機選擇DSP為處理器，
CPU之間通過PC/104方式進行通訊。
如圖5所示，人際交互控制軟體建模以操作模式為核心，只需從元素庫中 組織拖放，並可按照個人喜好的風格進行HMI界面的布局。選取手動模式501 ， 針對界面元素組織507，然後再進行該模式下的界面元素屬性513的設置，有 長度、寬度、顏色、字體、行為等屬性。在其餘模式中的建模過程類似於手動 模式501。在不同的視圖中，元素庫可提供的元素不同。元素有以下幾種類型 文本框，編輯框，列表框,複合框,按鈕,表格控制項等。
如圖6所示,運動控制建模以任務為核心，用戶在元素庫裡選擇相應的任 務和插補算法，並配置相應的運動軸數即可。在運動控制視圖601中，先進行 運動管理構件配置602，然後分別對運動任務構件拖放603、軸構件拖放604、 運動命令構件拖放605，再依次進行運動任務構件配置606、軸構件配置607 和運動命令構件配置608，最後進行構件交互配置609。對於運動任務屬性的 配置，需配置實時屬性中的周期、死期、任務優先級、最壞執行時間等。
(3) 模型驗證
模型貫穿於CNC開發的整個過程，因此模型直接決定系統最終性能。在 系統設計階段保證模型對系統的功能和非功能的描述的正確性非常重要，做好 早期的系統功能和非功能驗證能有效提高開發效率。目前成熟的支持模型仿真 分析和模型形式化驗證的工具有MATLAB， UPPAAL， Giotto等。模型驗證 是將CNC模型轉換為這些工具能識別的模型，以進行系統功能和非功能模型 級驗證。
(4) 代碼自動生成 經過驗證後的模型可通過模型解釋器自動生成目標平臺下的原始碼。首先根據元模型規則建立領域類庫，通過領域類庫，模型解釋器對CNCML建模環 境發出訪問請求，CNCML對模型進行遍歷，根據相應的訪問請求返回模型數 據。其次建立模型數據與目標輸出的映射關係，即映射規則庫。文本生成器根 據映射規則庫對模型數據進行分析、處理，最終輸出文本到磁碟文件，這些文 本文件可能是目標開發環境中的程序原始碼，也可能是其配置文件。由於數控 系統的硬體平臺種類繁多，採用的實時作業系統也有所不同，所使用的開發環 境也隨之改變，不同目標開發環境中的代碼結構差別很大，所以面向不同的開 發環境，模型解釋器必須建立對應的映射規則庫。
以二軸車床數控系統為例說明實現步驟
1) 應用VFC建模方法構建計算機數控領域元模型，形成可視化的建模語 言CNCML。
2) 根據硬體平臺，在系統視圖中對硬體參數進行配置，如開閉環選擇，脈 衝/模擬輸出方法選擇，通訊方式等。如附圖3所示。
3) 在CNCML中分別在人機互動視圖中，依據數控系統操作模式為核心 分為六個子視圖，分別是手動、手輪、回零、錄入、編輯以及自動模式。在不 同的模式下，選取元素庫裡的元素進行"所見即所得"的編輯方法，並可配置 相關元素的屬性。如在手動模式中，可選擇系統的位置信息、狀態信息、操作 模式信息以及相關的按扭。附圖4是人機互動控制視圖建模過程。
4) 在運動控制視圖中，拖放"運動管理"構件，拖放"連續運動"、"回 零"、"直線插補"等運動任務構件到編輯區域，把運動任務和"運動管理"直 接進行關聯，表示的是構件之間任務觸發關係。拖放X軸和Z軸構件，並關 聯到"任務管理"構件，表示任務管理構件會把具體的運動任務以單軸或多軸 為載體運行。運動任務構件需要配置的屬性有:死期,最壞執行時間，任務優先級， 任務周期。軸控制構件屬性設置有軸名，限位等。附圖5是運動控制視圖建 模過程。
5) 在PLC視圖中，通過定義配置控制面板按鍵的變量，為控制面板的重配
提供了基礎。並可提供接口實現不同規格和布局的控制面板的可調換。
6) 通過模型轉換把二軸車床數控系統模型轉換到Matlab和UPPAAL中， 在Matlab中可進行控制器PID調節的驗證以及邏輯功能驗證,在UPPAAL進行 任務可調度性的驗證。
7) 通過模型解釋器生成面向WindowsCE.net下0^++格式源程序，面向 TI DSP環境下的0^++格式源程序。通過第三方的編譯器即可生成車床數控 系統。
權利要求
1、一種計算機數控領域的建模方法，包括元建模和應用建模兩個階段，其特徵在於包括以下步驟(1)分別選取不同的視角針對計算機數控領域進行分析，所述視角包括三種結構視角、系統視角、功能非功能視角；(2)依據步驟(1)中選取的不同視角捕獲計算機數控領域的特徵後，映射成相應的多視圖，所述視圖包括三種結構視圖、系統視圖、功能非功能視圖；(3)以數控構件特徵為依據描述計算機數控領域構件；(4)在步驟(2)的相應視圖容器中，以步驟(3)的構件為基礎完成構件之間組合和交互關係的規約，並進行元建模；(5)依據步驟(4)構建的計算機數控領域元模型經過元模型解釋器生成計算機數控領域建模語言，該語言同時是可視化的計算機數控開發環境；(6)應用步驟(5)生成的計算機數控領域建模語言，在系統視圖中建立系統平臺和數控系統開閉環模型，在結構視圖中建立數控管理軟體模型，在功能非功能視圖建立運動控制和PLC控制模型，完成數控系統應用模型的建立；(7)通過模型驗證實現應用模型的功能非功能屬性驗證，通過模型解釋器實現代碼的自動生成，並編譯成數控系統。
2、 根據權利要求1所述的計算機數控領域的建模方法，其特徵在於步 驟(1)所述結構視角包括回零視角、手動視角、手輪視角、自動視角、編輯 視角和錄入視角；系統視角包括計算機數控開閉環視角和計算機數控平臺視 角；功能非功能視角包括運動控制視角和PLC視角。
3、 根據權利要求1所述的計算機數控領域的建模開發方法，其特徵在於:步驟(2)所述結構視圖包括回零視圖、手動視圖、手輪視圖、自動視圖、編 輯視圖和錄入視圖；系統視圖包括計算機數控開閉環視圖和計算機數控平臺視 圖；功能非功能視圖包括運動控制視圖和PLC視圖。
4、 根據權利要求1所述的計算機數控領域的建模方法，其特徵在於步 驟(3)所述的數控構件特徵包括功能行特徵和非功能性特徵，非功能性特徵 包括實時性特徵、可靠性特徵、安全性特徵等。
5、 根據權利要求1所述的計算機數控領域的建模方法，其特徵在於步 驟(5)所述的計算機數控領域建模語言為可視化、圖形化的建模開發環境， 具備計算機數控領域特定的語法和語義空間。
全文摘要
本發明公開一種計算機數控領域的建模方法。步驟如下(1)採取多視角的方式剖切領域空間；(2)捕獲領域特徵並映射到相應的多視圖平面；(3)在相應的視圖容器裡依據特徵進行元建模；(4)領域元模型經過元模型解釋器生成面向計算機數控領域的建模語言；(5)依據該建模語言，多視圖方式下進行應用模型的搭建；(6)通過模型驗證進行應用模型功能和非功能屬性的驗證；(7)通過模型解釋器實現平臺下原始碼的自動生成。本發明針對計算機數控領域建立建模環境，能實現模型級的功能和非功能驗證，並實現代碼自動生成，能提高數控系統可靠性以及開發效率，能保證數控系統實時性等非功能屬性。
文檔編號G05B19/18GK101206468SQ20071003183
公開日2008年6月25日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者峰 葉, 張亞超, 迪 李, 江幸波, 肖蘇華, 舒兆港, 賴乙宗 申請人:華南理工大學