1概述數(shù)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各種設(shè)備中，良好的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床等加工高性能高精度零件產(chǎn)品的保證，隨著開放式數(shù)控的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法的研究已成為一個(gè)重要研究方向。從早期的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)到面向?qū)ο笏枷氲膽?yīng)用以及基于組件的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究基本上都是采用以代碼為中心的開發(fā)方式。但其存在如下缺點(diǎn)：（1）系統(tǒng)測試滯后，難以保證系統(tǒng)可靠性；（2）系統(tǒng)開發(fā)周期長，開發(fā)效率低。雖然基于模型驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā).

 

　　對上述弊端有一定的改善作用，但是其建模語言采用的是UML，難以被數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)人員直接應(yīng)用，因此，本文提出基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法，以解決傳統(tǒng)開發(fā)方法遇到的問題。

 

　　2基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)框架領(lǐng)域建模的開發(fā)方法提高了模型在整個(gè)開發(fā)中的地位，無論是系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、還是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都是以模型的構(gòu)建、變換為核心，并以此增強(qiáng)開發(fā)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的耦合度，基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)框架它描述了基于領(lǐng)域建模數(shù)控系統(tǒng)的核心內(nèi)容：領(lǐng)域建模，模型轉(zhuǎn)換及代碼自動生成。領(lǐng)域建模包括數(shù)控系統(tǒng)元模型的構(gòu)建和數(shù)控系統(tǒng)模型構(gòu)建。首先用通用的元元模型定義數(shù)控系統(tǒng)元模型的的元素以及元素的聯(lián)系，而數(shù)控系統(tǒng)元模型又定義了數(shù)控系統(tǒng)模型的建模規(guī)則（即語法和語義），此元模型經(jīng)解釋后成為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)建模語言（Computer Numeric Control Modeling Language， CNCML），CNCML具有明顯的數(shù)控領(lǐng)域特征，各建模元素具有顯式的領(lǐng)域語義，容易被數(shù)控領(lǐng)域工程師所識別和使用。模型轉(zhuǎn)換主要負(fù)責(zé)把數(shù)控系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換到第三方驗(yàn)證環(huán)境（如實(shí)時(shí)性能驗(yàn)證工具UPPAAL），工程師可以根據(jù)驗(yàn)證和仿真的結(jié)果有效改進(jìn)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)早期性能驗(yàn)證，保證*終系統(tǒng)的可靠性，提高系統(tǒng)質(zhì)量。代碼自動生成則實(shí)現(xiàn)對模型的遍歷、分析、綜合，并根據(jù)嚴(yán)格的元模型語法和語義，建立和目標(biāo)編程語言（如C語言）對應(yīng)的映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)從模型到可運(yùn)行代碼的自動轉(zhuǎn)換，以此提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。

 

　　本文介紹關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)元模型的構(gòu)建以及代碼自動生成的相關(guān)研究，其中，模型轉(zhuǎn)換內(nèi)容。

 

　　3數(shù)控系統(tǒng)元模型的構(gòu)建元模型對某一特定領(lǐng)域建模環(huán)境中如何建立模型、模型之間如何集成和互操作等規(guī)范的描述。元模型定義了該領(lǐng)域的語法和語義，能表示該領(lǐng)域內(nèi)的所有或全部系統(tǒng)，經(jīng)解釋后直接成為該領(lǐng)域的建模語言。本研究采用基于多視角的元建模（Multi-View based Meta Modeling， MVMM）方法，應(yīng)用GME元建模工具來實(shí)現(xiàn)數(shù)控元模型的構(gòu)建。

 

　　MVMM主要從功能視角和非功能視角并結(jié)合用層次化的方式來描述系統(tǒng)。從功能主視角出發(fā)。系統(tǒng)基本功能區(qū)劃分為人機(jī)交互控制功能區(qū)（HMC）、可編程邏輯控制區(qū)（PLC）、數(shù)值控制功能區(qū)（NC）3個(gè)部分。HMC繼續(xù)分為人機(jī)交互（HMI）、系統(tǒng)配置、故障診斷功能；PLC分為邏輯控制、輸入輸出控制；NC分為運(yùn)動準(zhǔn)備、運(yùn)動控制、軸控制。如在人機(jī)交互HMI部分，CNC系統(tǒng)按照操作模式分成6大模式：手動模式、回零模式、自動模式、編輯模式、錄入模式以及手輪模式，詳細(xì)的元模型。

 

　　從非功能主視角來看，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性是*重要的非功能屬性，另外，各任務(wù)的優(yōu)先執(zhí)行情況以及工作軸之間的同步情況，這些非功能性需求必須在元模型中能夠如實(shí)地反映。

 

　　具體分析如下：（1）運(yùn)動任務(wù)元素是整個(gè)控制模塊的主要元素，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動任務(wù)不同，派生出2種子任務(wù)類型：TTMotionTask和ETMotionTask，分別代表時(shí)間觸發(fā)的硬實(shí)時(shí)運(yùn)動任務(wù)和事件觸發(fā)的弱實(shí)時(shí)任務(wù)。

 

　?。?）每個(gè)任務(wù)具有*壞執(zhí)行時(shí)間（WCET）、周期（period）以及優(yōu)先級（priority）等參數(shù)。根據(jù)不同的目標(biāo)平臺（主要指實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）可設(shè)定任務(wù)的參數(shù)，以滿足任務(wù)調(diào)度的要求。

 

　?。?）軸組管理（AxisManager）根據(jù)運(yùn)動指令（MotionCmd）的類型啟動相應(yīng)的任務(wù)，這些關(guān)系可通過它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來表示，如TaskCmdConn表示運(yùn)動任務(wù)和運(yùn)動指令之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

 

　　4代碼自動生成實(shí)現(xiàn)從模型自動生成產(chǎn)品級源代碼是基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。靈活的代碼自動生成技術(shù)具有以下明顯的優(yōu)勢：（1）提高了代碼變更的能力；（2）實(shí)現(xiàn)代碼與模型之間靈活的同步機(jī)制；（3）大幅度提高了工作效率；（4）保證了所有生成代碼的一致性。

 

　　代碼自動生成的機(jī)理是根據(jù)讀取模型的元數(shù)據(jù)，按照指定的映射規(guī)則，混合產(chǎn)生出規(guī)范的源代碼。一般其生成過程可以分為以下2個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：（1）模型解析。模型解析是對模型進(jìn)行訪問，提取模型信息，為下一步的模型到代碼的映射做準(zhǔn)備。本研究在元對象網(wǎng)絡(luò)（Meta Object Network， MON）和構(gòu)造對象網(wǎng)絡(luò)（Builder Object Network， BON）的基礎(chǔ)上

 

　　建立面向數(shù)控領(lǐng)域的解析類庫，通過領(lǐng)域解析類庫對不同的應(yīng)用模型進(jìn)行解析，并獲取與模型對應(yīng)的信息，這些信息以各種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，并為下一步從模型到代碼或其他信息的映射提供準(zhǔn)備。

 

　?。?）模型映射。模型映射是從模型信息到代碼或其他模型信息的映射，根據(jù)不同的領(lǐng)域應(yīng)用模型自動產(chǎn)生相應(yīng)的代碼或配置數(shù)據(jù)。本研究采用一種基于映射規(guī)則庫和代碼模板的映射方法，并結(jié)合可重用構(gòu)件庫，可自動生成產(chǎn)品級源代碼。

 

　　從本質(zhì)上來看，模型映射過程是以領(lǐng)域應(yīng)用模型為輸入，以產(chǎn)品級源代碼為輸出的處理過程。領(lǐng)域應(yīng)用模型根據(jù)系統(tǒng)需求的不同而各不相同，要把不同的應(yīng)用模型映射成對應(yīng)的系統(tǒng)源代碼，其映射規(guī)律必然來自應(yīng)用模型的建模規(guī)則以及目標(biāo)源代碼的組織結(jié)構(gòu)。本研究中建模規(guī)范是數(shù)控領(lǐng)域元模型，目標(biāo)源代碼的組織結(jié)構(gòu)與特定平臺信息緊密關(guān)聯(lián)，這些信息主要包括面向目標(biāo)平臺的軟件體系結(jié)構(gòu)、編程語言類型以及集成開發(fā)源代碼組織結(jié)構(gòu)及其配置結(jié)構(gòu)。例如，基于DSP平臺的運(yùn)動控制系統(tǒng)，其編程語言一般采用C/C++，其集成開發(fā)環(huán)境為TI公司CCS開發(fā)環(huán)境，實(shí)時(shí)控制應(yīng)用軟件建立在DSP/BIOS的實(shí)時(shí)調(diào)度內(nèi)核之上，因此，面向DSP平臺的代碼映射則必須考察CCS如何組織源代碼組織結(jié)構(gòu)、如何進(jìn)行多任務(wù)配置以及DSP/BIOS提供何種類型的服務(wù)接口等。

 

　　為了規(guī)范映射過程，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)的開放性要求，本研究提出一種基于映射規(guī)則庫以及代碼模板庫模型映射過程，首先對數(shù)控領(lǐng)域元模型規(guī)則和目標(biāo)平臺源代碼組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，分析的目的是建立從模型到代碼的映射規(guī)則表，并為代碼的自動生成設(shè)計(jì)相應(yīng)的代碼模板，映射規(guī)則庫和代碼模板庫是代碼映射過程中的重要信息來源；分析的內(nèi)容主要為模型的不變性與可變性特征，及其與目標(biāo)源代碼的對應(yīng)關(guān)系。通過4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)映射具體過程：（1）根據(jù)領(lǐng)域解析類庫對模型進(jìn)行解析，并把獲取的模型信息以特定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲；（2）以模型信息為基礎(chǔ)，根據(jù)映射規(guī)則表，判斷是否需要進(jìn)行代碼映射，調(diào)用相應(yīng)的映射算法進(jìn)行映射；（3）對代碼模板進(jìn)行解析，尋找相關(guān)的關(guān)鍵字（Keyword）或區(qū)標(biāo)志（BlockFlag），根據(jù)模型信息對代碼進(jìn)行提取、填充或替代，生成對應(yīng)的代碼；（4）從構(gòu)件庫中選擇合適的構(gòu)件，與自動生成的代碼進(jìn)行粘合、補(bǔ)充，*后形成完整的產(chǎn)品級別源代碼。

 

　　5三軸車床設(shè)計(jì)實(shí)例根據(jù)以上的分析和建立的元模型以及相應(yīng)代碼自動生成器，本實(shí)例主要完成三軸車床設(shè)計(jì)。本車床采用基于Windows CE DSP的開放式CNC實(shí)現(xiàn)方案，即上位機(jī)嵌入式單板計(jì)算機(jī)（SBC-C26）與下位機(jī)DSP運(yùn)動控制卡通過PC104總線實(shí)現(xiàn)主從式結(jié)構(gòu)的連接。根據(jù)該要求，利用所描述運(yùn)動控制形成的CNCML建立該車床的下位機(jī)模型如所示。

 

　　使用代碼自動生成器之后所得到的任務(wù)管理模塊的代碼如下：void Tsk_Axis_Manager（）{ while（true）{ //循環(huán)獲取上位機(jī)發(fā)送的運(yùn)動指令msgID= MsgCom：：receiveMsg（pMsgAddr，pHC2DSP_Buf）；switch （msgID）//判斷消息運(yùn)動指令{case LINE_3D_MOTION://三軸聯(lián)動-3D直線運(yùn)動…//啟動相關(guān)任務(wù)break；case ARC_3D_Motion： //三軸聯(lián)動-3D圓弧運(yùn)動…//啟動相關(guān)任務(wù)break；case LINE_3D_MOTION://三軸聯(lián)動-3D直線插補(bǔ)…//啟動相關(guān)任務(wù)break；case BALL_3D_Motion： //三軸聯(lián)動-球面插補(bǔ)…//啟動相關(guān)任務(wù)break；} 6結(jié)束語提高模型在系統(tǒng)開發(fā)中的作用是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的趨勢，本文分析基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)框架，指出代碼自動生成是實(shí)現(xiàn)該框架的關(guān)鍵步驟，研究模型映射的框架和過程，并通過三軸數(shù)控車床的設(shè)計(jì)實(shí)例證實(shí)了該方法的可行性，目前整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展順利，下一步研究重點(diǎn)在于解決多目標(biāo)平臺的代碼生成器的集成以及目標(biāo)代碼的優(yōu)化。