一种面向计算机数控领域的建模方法

摘要

计算机数控系统(CNC,Computer Numerical Controller)是机械装备的大脑,其发展水平是衡量一个国家工业现代化和国际竞争力的重要标志。与国外发达国家的产品相比,我国的CNC系统发展水平仍有一定距离。CNC系统是应用于机电装备的嵌入式系统,传统的嵌入式系统的开发依赖于技术人员的经验积累,存在着效率低、非功能属性要求难以保证、可重用性低等问题。基于模型以及基于领域的开发方法已成为嵌入式系统开发方法的新的趋势,其中特定领域建模方法被誉为“下一代建模方法”,该方法关注于特定领域,以模型为中心,将嵌入式系统的开发重心由底层代码转变为领域模型,并在国外众多嵌入式领域得到研究和实施。论文采用特定领域建模方法来开发CNC系统,应用元建模方法指导CNC领域元模型构建,创建面向CNC领域的建模语言,以领域建模语言为工具进行CNC系统模型的搭建以及软件自动生成。为CNC系统的开发寻求方法论层次上的突破,并提供快速、高效的解决方案。 在研究特定领域建模的开发流程和示例的基础上,阐述了基于特定领域建模方法的CNC系统开发的步骤,包括CNC领域元模型构建、用户建模、模型验证以及代码自动生成。论述了基于特定领域建模的CNC系统开发具备“以模型为中心、以领域为载体、以语言为工具”的特点,并分析了统一的元模型构建及建模语言的形成等是该方法的关键所在。 元建模方法为元建模提供理论上的指导,由于领域的差异性,针对特定领域的元建模方法也趋向于个性化。在针对CNC领域分析的基础上,提出一种面向CNC领域的VFC(视图-特征-构件)元建模方法,该方法从多视角出发捕获CNC领域的特征,并映射到相应的视图,以视图为容器依据特征规约构件及构件之间的交互关系,从而完成元建模。论文阐述了该方法的定义及原理,并论述了视图、特征、构件的含义及其之间的关系。VFC方法是针对于CNC领域的元建模方法,与本体论、基于特征的领域分析等领域分析方法相比,该方法更具实用性和针对性。 采用VFC元建模方法,阐述了CNC领域元模型构建的总体步骤,以CAD/CAM集成构件为例说明CNC系统构件的算法及实现。论述了CNC结构元模型的构建,阐述了运动控制、逻辑控制的功能元建模。CNC系统的非功能属性和功能属性要求同等重要,本文从元模型层次规约和描述了CNC系统的实时性。依据VFC方法,针对CNC系统的体系平台、软件结构、功能以及非功能属性要求进行了完整的元模型构建,并为建立面向该领域的建模语言提供了基础。面向CNC领域的建模语言是基于特定领域建模方法结合CNC领域所建立的建模语言。阐述了该建模语言的定义以及组成语言的元素,组成元素包括词法、语法以及语义。然后,论文从语言的完备性、灵活性以及确定性来阐述该建模语言的特性。论述了CNC领域建模语言对CNC系统开放性、可重构、可重用性的支持,比较了CNC领域建模语言与UML之间的关系。面向CNC领域的建模语言吸取了UML的优点,针对CNC领域更具实用性和有效性。 最后,论文以车床数控系统和铣床数控系统的建模开发为示例进行验证。应用面向计算机数控领域的建模语言,通过用户建模及代码自动生成形成CNC系统,并以所生成的车床数控系统进行典型工艺的加工测试。实验验证了CNCML能从工具层次提供了对CNC系统开放、可重构的支持,该建模语言具备了建模语言的完备性、灵活性以及确定性特性。实验结果同时表明:VFC方法能有效指导CNC领域元模型的创建,CNC领域元模型合理规约了CNC领域的特性,所开发的CNC系统能保证设计早期预期的功能和非功能属性要求。实验结果进而验证了基于特定领域建模的CNC开发方法的可行性。 本文所研究的基于特定领域建模的CNC系统建模开发方法是结合先进嵌入式技术、软件工程理论在CNC领域的实践。对该方法深入研究能为CNC系统的描述、设计以及实施等开发过程的自动化提供有效途径,为提高CNC系统的高性能、开放性、可重构、和可重用性提供有利措施,对寻求我国CNC开发方法层次的突破具有实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1计算机数控领域现状

1.1.1国内外研究现状

1.1.2发展趋势

1.1.3存在的问题

1.2基于模型和基于领域的开发方法

1.2.1模型驱动开发架构

1.2.2领域工程

1.2.3特定领域建模

1.2.4建模语言

1.2.5相关研究

1.3研究目标及主要研究内容

第二章基于DSM的CNC开发方法

2.1 DSM开发过程及示例

2.2基于DSM的CNC开发方法

2.2.1 CNC领域元建模

2.2.2 CNC领域建模语言

2.2.3用户建模

2.2.4模型验证

2.2.5代码自动生成

2.3基于DSM的CNC开发方法的特点

2.3.1设计目标

2.3.2核心思想

2.3.3关键点

2.4本章小结

第三章VFC：面向CNC领域的元建模方法

3.1 ONC领域分析

3.1.1系统分类

3.1.2系统构成

3.1.3 ONC系统非功能属性

3.2 VFC元建模方法

3.2.1定义

3.2.2视角(Angle View)

3.2.3视图(View)

3.2.4特征(Feature)

3.2.5构件(Component)

3.2.6元素之间的关系

3.3 VFC建模方法与其他建模方法的比较

3.4本章小结

第四章基于VFC的CNC领域元建模

4.1元建模工具及元建模语言

4.2基于VFC的元建模的总体步骤

4.2.1多视角的选取

4.2.2多视图映射

4.2.3领域特征

4.2.4领域构件

4.3结构元建模

4.3.1人机交互建模原则

4.3.2人机交互元建模

4.3.3参数元建模

4.4功能元建模

4.4.1运动控制元建模

4.4.2 PLC元建模

4.5非功能属性要求元建模

4.5.1实时性规约

4.5.2任务同步与并发描述

4.6本章小结

第五章面向CNC领域的建模语言CNCML

5.1 CNCML的定义及构成

5.1.1定义

5.1.2词法

5.1.3语法

5.1.4语义

5.1.5语法映射

5.1.6语义映射

5.2 CNCML的语言特性

5.2.1完备性

5.2.2灵活性

5.2.3确定性

5.3 CNCML与CNC系统的开放性

5.3.1 CNC系统开放性的层次

5.3.2 CNCML对CNC系统开放性的支持

5.4 CNCML与CNC系统的可重构性

5.5 CNCML与软件的可重用性

5.6 CNCML与UML的关联

5.6.1 UML的语义缺陷

5.6.2 CNCML与UML的关联

5.7本章小结

第六章基于DSM的CNC系统开发示例

6.1 CNCML建模环境

6.2实验平台

6.3建模开发示例

6.3.1需求分析

6.3.2用户建模

6.3.3软件自动生成

6.4 CNCML特性的验证

6.4.1 CNCML与CNC系统的开放性

6.4.2 CNCML与CNC系统的可重构

6.5加工测试

6.6实验结论

6.7本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢