CN102541725A - 一种数控系统功能模块的仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数控系统功能模块的仿真测试方法，包括以下步骤：构造与实际功能模块接口等价的软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块，采用软件仿真功能模块和硬件仿真功能模块搭建数控系统的仿真运行环境；将待测试功能模块载入到仿真运行环境中，选择待测试功能模块的参数、内部状态、输入/输出接口信息；通过人机操作界面显示仿真运行环境的当前状态与执行过程和待测试功能模块的状态变换、仿真执行过程；分析待测试功能模块存在的软件错误或设计缺陷进行修正和完善；再次进行仿真加工测试；如果测试结果满足了实际系统环境的需求规格说明，测试结束。本发明提高了功能模块的测试效率，方便系统安全功能的测试与验证，系统控制逻辑可快速重构。

Description

一种数控系统功能模块的仿真测试方法

技术领域

本发明涉及一种系统软件的测试方法，具体的说是一种数控系统功能模块的仿真测试方法。

背景技术

软件测试是数控软件开发过程的重要组成部分，是提高数控系统安全性、可靠性、稳定性的主要方法之一。软件测试通过采用特定的测试工具及辅助设备，根据相应的测试方案和流程，对系统软件的功能、性能等进行测试与验证，以满足具体系统环境的应用需求。

软件测试的主要目的是：1、寻找程序开发过程中的Bug；2、纠正开发过程中的软件缺陷；3、提高软件的功能与质量；4、满足用户的具体应用需求。通过软件测试，可发现迄今为止尚未发现的错误与缺陷，查找并分析产生错误的原因及其发展趋势，提高系统软件的质量水平。

常用的软件测试方法包括：白盒测试方法、黑盒测试方法、灰盒测试方法、动态测试方法等。其中，白盒测试也称结构测试或逻辑驱动测试，它按照程序内部的控制结构进行测试，检测产品的内部动作是否按照设计规格说明书的规定正常进行，检验程序中的每条通路是否都能按预定要求正确工作；黑盒测试也称功能测试，它在不考虑程序内部结构和内部特性的情况下，对程序接口进行测试，检查程序功能是否满足需求规格说明，是否能根据输入数据产生正确的输出信息；灰盒测试介于白盒测试与黑盒测试之间，结合两者优点进行软件测试的一种方法；动态测试是指通过运行被测试程序，检测运行结果与预期结果之间的差异，并分析运行效率、健壮性等软件特性。

和一般的系统软件不同，数控系统是一种实时控制系统，其主要特性包括以下方面：1、实时性，数控系统具有严格的时间要求，其软件单元不仅需要正确的完成指定操作，而且必须在规定的时间内返回操作结果；2、安全性，数控系统工作在底层车间，经受着恶劣的系统环境，如温度、振动、油雾、粉尘等，其安全性不仅关系到企业的经济效益，而且有可能会危及到员工的生命；3、健壮性，数控系统软件在处理正常输入数据的同时，还要排除温度、噪声等外界干扰因素的影响，确保系统功能的正确执行；4、稳定性，数控系统通常需要24小时连续工作，并满足相应的加工精度、速度要求，因此必须具有良好的稳定性。此外，当前数控系统软件普遍采用模块化结构，将系统功能划分为不同的功能单元，如图1所示。采用模块化结构可以有效降低系统功能之间的耦合关系，提高系统功能的内聚性，简化功能模块的开发设计过程。

由于上述系统特性，数控系统对软件测试过程有着更高的要求。采用传统的软件测试方法，可以有效满足单个功能模块的测试需求，但对于系统整体功能的集成测试，仍存在许多不足，主要包括：

1.交互过程中产生的错误难以发现。在数控系统中，各功能模块只实现指定的系统功能，经过白盒测试、黑盒测试等方法检测后，其内部功能基本满足指定的功能要求，但是，各功能模块间需要通过数据通信与互操作来实现系统整体的控制功能，从而导致功能模块间交互信息量大、通信机制复杂等问题，容易产生交互错误；

2.硬件环境依赖性强。由于加工制造的领域、工艺、功能等各不相同，数控机床的系统结构、硬件组成、驱动方法也存在着差别，从而使得数控系统软件的集成测试过程对硬件环境的依赖性较强；

3.测试过程复杂且耗费时间。在数控系统软件的集成测试过程中，硬件环境的搭建需要花费大量的时间与资金，如购买测试设备，搭建数控实验平台，完成硬件设备的连线、配置等基本操作等。此外，为了获得准确的测试信息，其加工测试过程需要花费大量的时间，而且会由于外界因素的影响而导致重复测试过程。

发明内容

针对现有数控系统功能模块的测试方法中存在的交互过程中错误难以发现、硬件环境依赖性强以及测试过程复杂且耗费时间等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种测试效率高、独立于具体硬件环境、方便系统安全性、可靠性验证的数控系统功能模块的仿真测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明数控系统功能模块的仿真测试方法包括以下步骤：

根据数控系统的主要功能与控制算法，构造与实际功能模块接口等价的软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块，分别替换数控系统的软件功能模块和硬件驱动装置；

采用软件仿真功能模块和硬件仿真功能模块搭建数控系统的仿真运行环境；

将待测试功能模块载入到仿真运行环境中，选择待测试功能模块的参数、内部状态、输入/输出接口信息；

运行数控加工测试程序，在仿真运行环境中模拟数控系统的实际加工过程，通过人机操作界面显示仿真运行环境的当前状态与执行过程；

通过数值比较、图形显示多种调试界面，显示待测试功能模块的状态变换、仿真执行过程；

采集待测试功能模块的测试信息，结合实际应用环境的需求规格说明，分析待测试功能模块存在的软件错误或设计缺陷；

修正待测试功能模块的软件错误或设计缺陷，完善待测试功能模块的系统功能；

将修正后的功能模块载入仿真运行环境，再次进行仿真加工测试；

如果测试结果满足了实际系统环境的需求规格说明，测试结束。

在仿真测试过程中，如果仿真测试结果不满足实际系统环境的应用需求，则修改待测试功能模块的控制算法或仿真运行环境的控制逻辑关系，重新生成新的仿真运行环境；

将新生成的仿真运行环境与之前的仿真运行环境进行比较，分析其执行效率与控制算法性能，确定最优的控制算法及控制逻辑关系。

所述搭建数控系统的仿真运行环境包括以下步骤：

根据实际数控系统环境的应用需求，确认仿真运行环境所需的功能模块类型；

如果现有仿真功能模块无法满足实际系统环境的应用要求，则根据数控系统环境的需求规格说明与接口等价原则，编写新的软件/硬件仿真功能模块；

根据仿真运行环境的配置功能，生成软件/硬件仿真功能模块间的拓扑结构关系；

构造软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块的步骤为：

根据实际系统环境的应用需求，分别确定软件/硬件仿真功能模块的主要功能及系统操作；

分析是否存在相应的控制算法或功能描述；

对于常见的控制功能，如果已有相应的解决方案或控制算法描述，则根据已知算法的输入/输出关系，确定仿真功能模块的基本操作和计算过程，编程实现仿真功能模块。

如果不存在相应的解决方案或控制算法描述，则分析软件/硬件仿真功能模块的输入信息类型以及系统期望的返回信息，确定其所需完成的计算与操作，编程实现指定的仿真功能模块。

在仿真运行环境中，增加噪声、温度、振动系统干扰因素的仿真功能模块，测试、验证数控系统的安全性、可靠性，包括以下步骤：

获取实际系统环境中典型干扰的信号波形特征；

在信号波形特征中，根据奈奎斯特采样原理对指定波形进行采样、分析；

根据指定波形的采样结果，采用插值计算方法重新构造指定的系统干扰波形；

采用接口等价的仿真功能模块实现所设计的插值计算方法，模拟指定的系统干扰；

引入随机触发函数F_trig以及概率函数p，对系统干扰的发生概率进行调节。

利用仿真运行环境以及各仿真功能模块所提供的二次开发接口，构建并验证所需开发的新系统功能；

根据所设计的新功能模块与仿真运行环境，构建所需的数控系统原型，并对该原型系统进行加工仿真测试，确认原型系统的功能、性能是否满足实际应用需求，实现数控系统的快速原型设计与验证。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.提高功能模块的测试效率。通过模拟数控系统的实际加工过程，更准确的获取待测试功能模块在实际加工过程中的状态变化、执行效率等相关信息，结合实际系统环境的需求规格说明，确认是否满足实际应用需求。

2.独立于具体的硬件环境。采用接口等价的仿真功能模块模拟实际的硬件驱动装置，使仿真测试过程独立于具体的硬件环境，并且不会因软件编程错误而造成系统硬件损坏。

3.方便系统安全功能的测试与验证。由于小概率事件在实际加工过程中难以测试，因此，在仿真环境中提供了系统干扰因素的仿真功能模块，并采用随机触发函数调节其发生机率，方便系统安全功能的测试与验证。

4.系统控制逻辑可快速重构。仿真运行环境中提供了功能模块的配置功能，以快速生成仿真运行环境的控制逻辑关系，当现有配置无法满足指定环境的测试要求时，可通过配置功能实现仿真功能模块的增加、删除、替换等操作。

5.简化系统功能的二次开发。利用仿真运行环境中提供的应用程序接口以及仿真功能模块，可快速开发新的系统功能，提高仿真运行环境的二次开发能力。

附图说明

图1为数控系统软件的模块化结构图；

图2为接口等价功能模块的构造流程图；

图3为接口等价功能模块的输出数据比较图；

图4为待测试功能模块的仿真测试流程图；

图5为系统安全功能的测试结构图；

图6为系统功能模块的可重构配置示意图；

图7为系统功能模块的二次开发接口结构图。

具体实施方式

本发明方法采用接口等价的仿真功能模块开发方法，建立一种系统仿真运行环境，模拟数控系统的实际加工过程。在仿真运行环境中实现待测试功能模块的仿真测试与验证，提高系统软件的质量水平。

所谓接口等价，是指在输入信息相同的情况下，仿真功能模块与实际功能模块具有相同的输出信息，即从接口信息进行判断，仿真功能模块与实际功能模块是完全相同的。

在某些情况下，由于实际应用环境中存在着干扰因素影响，仿真功能模块与实际功能模块的运行结果存在着细微差别。因此，在保证输入信息一致的情况下，仿真功能模块与实际功能模块的输出信息基本相同时，也认为是接口等价的。

采用接口等价的仿真功能模块替换数控系统的软件功能模块。由于仿真功能模块与实际功能模块的接口信息完全相同，因此，仿真功能模块与实际功能模块具有可互换性。

采用接口等价的仿真功能模块替换数控系统的硬件驱动装置。由于当前硬件驱动装置通常建立在通用的可编程逻辑器件基础上，如FPGA、DSP、SoC等，然后固化其特有的控制逻辑或控制算法。对于这些硬件设备，其起控制作用的主要是内部固化的控制逻辑。因此，采用接口等价的仿真功能模块实现硬件驱动装置的控制逻辑，可模拟硬件设备的实际执行过程。

由于仿真功能模块只需满足接口等价条件即可，在设计其内部控制算法时，只需考虑与功能模块输出相关的计算与操作。如果对功能模块的输出信息没有影响，则可以忽略相应的设计细节，从而降低仿真功能模块的开发难度。

由于实际功能模块间仅通过所提供的接口进行相互通信与互操作，而仿真功能模块与实际功能模块满足接口等价原则，因此，从待测试功能模块及其接口来判断，其仿真运行过程与实际系统环境是一致的。所以，本文所提出的仿真运行环境及其测试结果是可信的、有效的。

在下文中，将实际加工制造过程中数控系统的软件功能模块以及硬件驱动装置统称为实际功能模块，将需要测试的实际功能模块称为待测试功能模块；将满足接口等价要求的仿真运行环境中的功能模块统称为仿真功能模块。

本发明数控系统功能模块的仿真测试方法包括以下步骤：

根据数控系统的主要功能与控制算法，构造与实际功能模块接口等价的软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块，分别替换数控系统的软件功能模块和硬件驱动装置；

采用软件仿真功能模块和硬件仿真功能模块搭建数控系统的仿真运行环境；

将待测试功能模块载入到仿真运行环境中，选择待测试功能模块的参数、内部状态、输入/输出接口信息；

运行数控加工测试程序，在仿真运行环境中模拟数控系统的实际加工过程，通过人机操作界面显示仿真运行环境的当前状态与执行过程；

通过数值比较、图形显示多种调试界面，显示待测试功能模块的状态变换、仿真执行过程；

采集待测试功能模块的测试信息，结合实际应用环境的需求规格说明，分析待测试功能模块存在的软件错误或设计缺陷；

修正待测试功能模块的软件错误或设计缺陷，完善待测试功能模块的系统功能；

将修正后的功能模块载入仿真运行环境，再次进行仿真加工测试；

如果测试结果满足了实际应用环境的需求规格说明，测试结束。

如图1所示，为本发明方法所涉及数控系统的模块化软件结构。通过采用模块化软件开发方法，数控系统软件主要划分为人机操作界面、任务控制器、运动控制器、PLC控制器、设备驱动程序等主要组成部分，各功能模块间通过所提供的接口进行通信和互操作，共同实现指定的系统功能。其中，人机操作界面主要完成操作人员与数控软件的交互过程，包括获取输入指令与G/M代码、显示系统当前状态、返回系统执行结果等；任务控制器主要完成系统加工指令的分析与处理，包括G/M代码处理、加工工艺控制、系统状态更新等；运动控制器则主要完成驱动轴的轨迹规划、速度控制、误差补偿等；PLC控制器主要负责系统离散的IO操作，包括机床上电、润滑打开、冷却控制等。根据具体功能与任务划分的不同，上述功能模块可进一步划分为相应的子功能模块，以减小功能模块的开发粒度，提高功能模块的开发效率。

如图2所示，为本发明方法所涉及接口等价的仿真功能模块的构造方法，步骤为：根据实际系统环境的应用需求，分别确定软件/硬件仿真功能模块的主要功能及系统操作；分析是否存在相应的控制算法或功能描述；对于常见的控制功能，如果已有相应的解决方案或控制算法描述，则根据已知算法的输入/输出关系，确定仿真功能模块的基本操作和计算过程，编程实现仿真功能模块；如果不存在相应的解决方案或控制算法描述，则分析软件/硬件仿真功能模块的输入信息类型以及系统期望的返回信息，确定其所需完成的计算与操作，编程实现指定的仿真功能模块。

如图3所示，为本发明方法所提出的接口等价功能模块与实际功能模块的输出比较。该图以S曲线插补功能模块为例，按照接口等价的仿真功能模块构造方法，提取与输入/输出相关的插补计算过程。通过比较输出信息可以看出，由于插补算法相同，在输入数据一致的情况下，仿真功能模块与实际功能模块输出的插补曲线基本一致，满足了仿真运行环境的插补要求。

如图4所示，数控系统功能模块的仿真测试方法包括以下步骤：根据数控系统的主要功能与控制算法，构造与实际功能模块接口等价的软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块，分别替换数控系统的软件功能模块和硬件驱动装置；采用软件仿真功能模块和硬件仿真功能模块搭建数控系统的仿真运行环境；将待测试功能模块载入到仿真运行环境中，选择待测试功能模块的参数、内部状态、输入/输出接口信息；运行数控加工测试程序，在仿真运行环境中模拟数控系统的实际加工过程，通过人机操作界面显示仿真运行环境的当前状态与执行过程；通过数值比较、图形显示多种调试界面，显示待测试功能模块的状态变换、仿真执行过程；采集待测试功能模块的测试信息，结合实际的需求规格说明，分析待测试功能模块存在的软件错误或设计缺陷；修正待测试功能模块的软件错误或设计缺陷，完善待测试功能模块的系统功能；将修正后的功能模块载入仿真运行环境，再次进行仿真加工测试；如果测试结果满足了实际系统环境的需求规格说明，测试结束。

如图5所示，本发明还在仿真系统环境中，提供了系统安全功能的测试方法。在仿真运行环境中，增加噪声、温度、振动系统干扰因素的仿真功能模块，测试、验证数控系统的安全性、可靠性，包括以下步骤：获取实际系统环境中典型干扰的信号波形特征；在信号波形特征中，根据奈奎斯特采样原理对指定波形进行采样、分析；根据指定波形的采样结果，采用插值计算方法重新构造指定的系统干扰波形；采用接口等价的仿真功能模块实现所设计的插值计算方法，模拟指定的系统干扰；引入随机触发函数F_trig以及概率函数p，对系统干扰的发生概率进行调节。

本实施例中，当验证安全检测功能模块时，可将系统干扰的仿真功能模块连接到待检测位置，由随机函数F_trig进行触发控制。当随机函数F_trig计算的触发条件为真时，输出系统干扰并记录触发时间；此时，安全检测功能模块将检测出通信数据异常。

根据所设计的安全规则，当安全检测功能模块检测出通信异常后，将记录检出异常的系统时间、类型、具体位置等详细信息，执行预定的安全动作，然后将该信息发送给故障诊断模块。

如图6所示，为仿真系统环境中控制逻辑的可重构方法。在仿真运行环境中提供了功能模块的配置功能，实现功能模块的增加、删除、替换等操作。在仿真测试过程中，如果仿真测试结果不满足实际系统环境的应用需求，则修改待测试功能模块的控制算法或仿真运行环境的控制逻辑关系，重新生成仿真运行环境；

当需要比较具有相同功能的不同控制算法时，可分别将待测试功能模块载入仿真系统环境，运行指定的加工检测程序，分析每次执行过程的加工效率和加工质量。

如图7所示，为仿真系统环境所提供的二次开发接口。利用仿真运行环境以及各仿真功能模块所提供的二次开发接口，构建并验证所需开发的新系统功能。根据所设计的新功能模块与仿真运行环境，构建所需的数控系统原型，并对该原型系统进行加工仿真测试，确认其系统功能、性能是否满足实际应用需求，实现数控系统的快速原型设计与验证。

Claims (7)

1.一种数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于包括以下步骤：

根据数控系统的主要功能与控制算法，构造与实际功能模块接口等价的软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块，分别替换数控系统的软件功能模块和硬件驱动装置；

采用软件仿真功能模块和硬件仿真功能模块搭建数控系统的仿真运行环境；

将待测试功能模块载入到仿真运行环境中，选择待测试功能模块的参数、内部状态、输入/输出接口信息；

运行数控加工测试程序，在仿真运行环境中模拟数控系统的实际加工过程，通过人机操作界面显示仿真运行环境的当前状态与执行过程；

通过数值比较、图形显示多种调试界面，显示待测试功能模块的状态变换、仿真执行过程；

采集待测试功能模块的测试信息，结合实际应用环境的需求规格说明，分析待测试功能模块存在的软件错误或设计缺陷；

修正待测试功能模块的软件错误或设计缺陷，完善待测试功能模块的系统功能；

将修正后的功能模块载入仿真运行环境，再次进行仿真加工测试；

如果测试结果满足了实际系统环境的需求规格说明，测试结束。

2.按权利要求1所述的数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于：

在仿真测试过程中，如果仿真测试结果不满足实际系统环境的应用需求，则修改待测试功能模块的控制算法或仿真运行环境的控制逻辑关系，重新生成新的仿真运行环境；

将新生成的仿真运行环境与之前的仿真运行环境进行比较，分析其执行效率与控制算法性能，确定最优的控制算法及控制逻辑关系。

3.按权利要求1所述的数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于：所述搭建数控系统的仿真运行环境包括以下步骤：

根据实际数控系统环境的应用需求，确认仿真运行环境所需的功能模块类型；

如果现有仿真功能模块无法满足实际系统环境的应用要求，则根据数控系统环境的需求规格说明与接口等价原则，编写新的软件/硬件仿真功能模块；

根据仿真运行环境的配置功能，生成软件/硬件仿真功能模块间的拓扑结构关系。 

4.按权利要求1所述的数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于：构造软件仿真功能模块及硬件仿真功能模块的步骤为：

根据实际系统环境的应用需求，分别确定软件/硬件仿真功能模块的主要功能及系统操作；

分析是否存在相应的控制算法或功能描述；

对于常见的控制功能，如果已有相应的解决方案或控制算法描述，则根据已知算法的输入/输出关系，确定仿真功能模块的基本操作和计算过程，编程实现仿真功能模块。

5.按权利要求1所述的数控系统仿真功能模块的构造方法，其特征在于：

如果不存在相应的解决方案或控制算法描述，则分析软件/硬件仿真功能模块的输入信息类型以及系统期望的返回信息，确定其所需完成的计算与操作，编程实现指定的仿真功能模块。

6.按权利要求1所述的数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于：

在仿真运行环境中，增加噪声、温度、振动系统干扰因素的仿真功能模块，测试、验证数控系统的安全性、可靠性，包括以下步骤：

获取实际系统环境中典型干扰的信号波形特征；

在信号波形特征中，根据奈奎斯特采样原理对指定波形进行采样、分析；

根据指定波形的采样结果，采用插值计算方法重新构造指定的系统干扰波形；

采用接口等价的仿真功能模块实现所设计的插值计算方法，模拟指定的系统干扰；

引入随机触发函数F_trig以及概率函数p，对系统干扰的发生概率进行调节。

7.按权利要求1所述的数控系统功能模块的仿真测试方法，其特征在于：

利用仿真运行环境以及各仿真功能模块所提供的二次开发接口，构建并验证所需开发的新系统功能；

根据所设计的新功能模块与仿真运行环境，构建所需的数控系统原型，并对该原型系统进行加工仿真测试，确认原型系统的功能、性能是否满足实际应用需求，实现数控系统的快速原型设计与验证。 

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