數(shù)控技術(shù)無疑是現(xiàn)代先進制造技術(shù)中最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，從某種意義上說，數(shù)控技術(shù)的水平已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。出于技術(shù)壟斷及獨占市場等原因，各個廠家生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上大多是封閉的，不能進行高可靠性的軟件擴展。近年來，國內(nèi)外眾多的數(shù)控軟件開發(fā)者都在重復(fù)研究、開發(fā)相同或相似的數(shù)控系統(tǒng)，反復(fù)設(shè)計若干基本模塊，造成了人力、物力和財力的巨大浪費，而且由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的數(shù)控軟件開發(fā)者開發(fā)的軟件不能互相替換，缺乏兼容性，阻礙了數(shù)控軟件的升級換代，同時也阻礙了數(shù)控機床生產(chǎn)者對市場和用戶的快速響應(yīng)能力。 通過對數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的分析，我們設(shè)想如果把數(shù)控系統(tǒng)軟件中相同或類似的部分做成類似于硬件電子芯片的軟件芯片(Software IC，SIC)［1，2］，每一個軟件芯片具有高度的功能獨立性、易移植性、易組裝性及易擴充性。這樣，當(dāng)我們建立新的數(shù)控系統(tǒng)時，只需從芯片庫中取出所需的芯片進行組合即可，必要時加以擴充，使數(shù)控系統(tǒng)能夠重用，而不必從頭開發(fā)整個軟件系統(tǒng)。這樣就能改變目前數(shù)控系統(tǒng)的封閉型設(shè)計，為適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和訂單的生產(chǎn)組織模式奠定良好的基礎(chǔ)，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效，從而大大提高數(shù)控軟件的生產(chǎn)力和可靠性，減少生產(chǎn)成本及開發(fā)周期。這是增強數(shù)控系統(tǒng)對市場的快速響應(yīng)能力，促進數(shù)控產(chǎn)業(yè)快速、高效發(fā)展的必然之路。
1 數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的劃分
合理的芯片劃分，是開發(fā)軟件芯片的首要步驟。數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫中的各芯片以界面的方式開放，通過接口參數(shù)和界面信息的提示，用戶可掌握芯片的啟動、結(jié)束和運作。不同芯片的內(nèi)部為黑箱封裝，外部接口開放，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)新系統(tǒng)的構(gòu)建。因此，如何定義出合理的數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片，使芯片的外部接口易于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，內(nèi)部易于進行黑箱封裝，是我們開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫的關(guān)鍵步驟。
目前，盡管數(shù)控系統(tǒng)從系統(tǒng)的設(shè)計方法到系統(tǒng)的實現(xiàn)方式千差萬別，但是其基本原理和軟件的組成都是類似的。在對現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)［3］和用戶需求進行仔細而全面分析的基礎(chǔ)上，同時，在總結(jié)現(xiàn)有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的共有特征，并對其進行適當(dāng)?shù)臍w類和抽象的基礎(chǔ)上，將數(shù)控系統(tǒng)劃分為以下幾個基本的功能模塊。
(1)人機交互界面模塊 此模塊主要完成在系統(tǒng)運行前和運行中系統(tǒng)參數(shù)的修改和設(shè)定，如設(shè)定系統(tǒng)工作模式（自動、手動、點動等），圖形顯示模式，系統(tǒng)初始化設(shè)定，坐標(biāo)偏置設(shè)定，G代碼程序的編輯等。
(2)零件代碼解釋模塊 負責(zé)根據(jù)用戶的系統(tǒng)配置，以及零件程序的語法規(guī)則對用戶編寫的零件程序進行語法檢查，并進行解釋譯碼，將源代碼指令中給出的各種信息進行分離提取，變成各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，為預(yù)處理芯片提供語法上正確的零件程序的中間代碼。
(3)刀補預(yù)處理模塊 負責(zé)對解釋后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理及插補前的準(zhǔn)備工作。
(4)軌跡插補模塊 負責(zé)加減速的控制、插補、終點判別等工作，向位置控制器輸出通過軌跡運算后的進給量。
(5)軸伺服控制模塊 在從I/O及插補運算得到的信息的幫助下，通過精插補控制機床執(zhí)行機構(gòu)按NC指令指定的路徑和速度運動。
(6)I/O模塊 負責(zé)控制器的輸入和輸出（包括機床檢測信號及位置和相關(guān)反饋信息的輸入、控制指令的輸出等）。
以上這幾個模塊間具有互操作性、可移植性和可擴展性，因而可作為數(shù)控軟件芯片庫的基本芯片的劃分。
2 數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的構(gòu)建及工作原理
軟件芯片概念的提出是軟件重用發(fā)展過程中的里程碑。開發(fā)軟件芯片就是采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)把特定類中的一些通用模塊做成獨立的可重用的對象類。由于面向?qū)ο缶哂蟹庋b、分類、消息響應(yīng)和繼承等很有價值的特點，使得軟件芯片和系統(tǒng)其它部分的耦合度得到盡可能的降低，這為軟件芯片的開發(fā)和使用提供了可靠保證。同時，由于芯片都是對較成熟的技術(shù)進行封裝而實現(xiàn)的，在實踐上是經(jīng)過了驗證的，也就是說一個成熟的芯片已經(jīng)將錯誤率降到了最低點，所以可以利用數(shù)控軟件芯片來構(gòu)造新的數(shù)控系統(tǒng)能最大程度地保證系統(tǒng)的可靠性。 軟件芯片的構(gòu)建就是將功能模塊的本體部分進行黑箱封裝，使之輸入接口和輸出接口盡量簡單、規(guī)范。由于C++語言的面向?qū)ο筇匦院头庋b性較好［4］，所以在本系統(tǒng)中將VC作為編程環(huán)境來進行芯片本體的構(gòu)建。整個芯片是基于靜態(tài)庫創(chuàng)建的，最后生成一個Lib庫文件。所有功能的實現(xiàn)都封裝在Lib庫文件中。用戶使用時，不需要知道芯片內(nèi)部的功能（如初始化、錯誤信息處理、數(shù)據(jù)分離）是怎樣實現(xiàn)的，只需將對應(yīng)的.Lib文件和.H文件加入到自己的系統(tǒng)中，然后依照芯片說明提出的接口要求，通過接口參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的方法即可。接口參數(shù)和方法在Lib文件中定義為，用戶可以在外界通過它們和芯片進行交互。就如同用戶通過硬件IC的引腳來使用芯片內(nèi)部的功能一樣。
下面就以零件程序解釋芯片為例，簡述數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的構(gòu)建過程。
首先，對芯片的本體功能進行分析，定義出合適的接口。一般來說，一個完整的零件數(shù)控加工程序，由若干程序段組成，一個程序段又由若干個代碼字組成，最后以“；”結(jié)束。每個代碼字由文字符和數(shù)字符組成，代碼字之間用空格符隔開。
根據(jù)自上向下的原則，該部分又可劃分為以下幾個部分：
(1)詞法檢查 對源程序的數(shù)據(jù)進行拼寫及位數(shù)檢查；
(2)語法檢查 對程序段中的G代碼和其它功能碼的格式進行檢查，如G代碼的相容性檢查等；
(3)語義檢查 對上下文相關(guān)的錯誤進行檢查，如I、J、K和R不能出現(xiàn)在同一行代碼中等；
(4)譯碼 將程序段的信息進行提取，變成相應(yīng)的狀態(tài)量和數(shù)據(jù)量，存儲在輸出緩沖區(qū)中。
在綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)解釋器的內(nèi)部邏輯關(guān)系和數(shù)控系統(tǒng)的運動控制的基礎(chǔ)上，將解釋芯片的輸入口數(shù)據(jù)定義為以字符串形式輸入的一行數(shù)控代碼段(char* LineStr)；輸出口數(shù)據(jù)定義為一個包含各種信息量的結(jié)構(gòu)。
輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct{
int Gp01; ∥1組G代碼
……
int Gp15; ∥15組G代碼
int N, ∥程序段號
G, ∥準(zhǔn)備功能
M, ∥輔助功能
P,Q,L,D,H; ∥其他參數(shù)字符
long T; ∥刀具選擇
double F; ∥進給速度
double S; ∥主軸速度
double D; ∥刀具半徑
double X,Y,Z,A,B,C,I,J,K,R,U,V,W; ∥尺寸字
……
BOOL bLastCmnd; 最后一行指示標(biāo)志
}NCcode
如要對一行代碼段進行解釋譯碼，則先聲明一個實例：
CCode code; //CCode為Lib文件所生成的類
然后調(diào)用其成員函數(shù)，
code.InterCode(char* LineStr)
完成對LineStr中代碼段的詞法、語法、語義檢查和數(shù)據(jù)分離。在進行解釋過程中，如果發(fā)現(xiàn)代碼段中有語法或語義錯誤，InterCode 會給出相應(yīng)的提示，并返回到編輯狀態(tài)重新編輯。
類似的，如要對結(jié)構(gòu)中的標(biāo)志位進行初始化，則可通過調(diào)用code.FlagINI()實現(xiàn)。同時，還可以通過在外部對code.ENDED變量進行賦值來結(jié)束整個芯片的運行。
解釋完成后的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息存放在前面定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。用戶只需按照一般結(jié)構(gòu)的讀法去取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如NCcode.G; NCcode.M ，也可以將整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為下一個芯片的入口，實現(xiàn)芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。
為了防止在芯片進行譯碼時，外界對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作而產(chǎn)生錯誤。本芯片使用了臨界區(qū)的方法，即在方法InterCode()被調(diào)用時，就用CcriticalSection的成員函數(shù)Lock進行加鎖處理，拒絕外界訪問正在更新的數(shù)據(jù)，以免出現(xiàn)新老數(shù)據(jù)同時被讀入的錯誤。解釋完成后，用Unlock進行解鎖處理，使用戶能訪問更新以后的數(shù)據(jù)。
3 芯片間的同步和協(xié)調(diào)
當(dāng)若干個芯片組成一個實用系統(tǒng)后，芯片之間的同步問題就變得格外重要，尤其是像數(shù)控系統(tǒng)這樣對實時性要求比較高的系統(tǒng)。在使用軟件芯片構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)時，每一個有具體功能的芯片，如譯碼、插補等，都是一個單獨的線程。線程與線程之間的通信，是利用事件對象的方式來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)由于是在VC環(huán)境下開發(fā)的，所以可以利用MFC庫中的CEvent類及其成員函數(shù)來完成。每一個事件對象可以有兩種狀態(tài)：信號態(tài)和非信號態(tài)。事件可以監(jiān)控線程是否被置于信號態(tài)，并由此決定在適當(dāng)?shù)臅r候運行相應(yīng)的線程。使用事件對象進行線程通信的另一個原因是事件對象的聲明十分容易，就像聲明一個全局變量一樣簡單。如CEvent InterCodedStart;事件對象創(chuàng)建以后，是處于非信號態(tài)的，要是事件對象處于信號態(tài)，只需調(diào)用事件對象的成員函數(shù) SetEvent()，即InterCodeStart.SetEvent();
在執(zhí)行了上面的語句后，事件對象InterCodeStart便處于信號態(tài)。線程監(jiān)視事件是否處于信號態(tài)可利用下面的Windows API 函數(shù)實現(xiàn)。
�。海篧aitForSingleObject(InterCodeStart.mhObject, 0);在此情況下，如果函數(shù)返回的是值為WAITOBJECT0，則事件已被置于信號態(tài)，否則，事件仍處于非信號態(tài)。通過這些消息和方法，我們就可以實現(xiàn)系統(tǒng)各線程之間的通信，也可以通過這些事件對象間的通信控制將若干芯片“粘連”成一個有機的實用系統(tǒng)。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)全部是在 Windows NT下的VC環(huán)境中開發(fā)的，所以利用了很多MFC中的基本類，這些都大大提高了整個系統(tǒng)的靈活性，增強了整個系統(tǒng)的功能。如，數(shù)控代碼的編輯器是基于CEditView類創(chuàng)建的，因此在使用時，它可以利用CEditView類本身所帶的一些編輯功能，如New、Open、Save、Copy、Cut、Paste等，這使數(shù)控程序的編輯及管理變得和Windows下的文件管理一樣方便容易。同時，VC中各種控件的使用，不但增加了系統(tǒng)控制的易操作性，還使控制界面變得美觀、友好。這些都是值得進一步深入探討的地方。利用可重用構(gòu)件技術(shù)來開發(fā)軟件芯片，并利用其構(gòu)建新的數(shù)控系統(tǒng)的思想已用于國家自然科學(xué)基金項目“高可靠性數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫及其運行環(huán)境”的研究，取得了良好的效果，不但很好地實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性設(shè)計和資源重用，而且由于是基于Windows NT和IPC等通用環(huán)境下開發(fā)的，對數(shù)控系統(tǒng)的升級換代和對市場的及時響應(yīng)，都具有良好的開發(fā)前景。
