本文在對上海電氣中央研究院三軸銑削數控系統需求分析的基礎上，結合固高運動控制器GE-300SV的功能實現，提出了一種適用NC嵌入PLC型的開放式數控軟件系統框架模型。采用統一建模語言UML來描述系統的功能需求、總體設計、模塊設計等，并建立了各種功能視圖，有效地對開放式數控軟件系統進行了建模，并通過面向對象編程語言VC++實現了該系統的接口界面。

1 基于UML的建模方法及其在開放式數控軟件系統開發中的應用優勢

　　1.1 基于UML的建模方法

　　面向對象技術是軟件工程領域的重要技術。UML是由美國Ratianal公司的三位軟件工程師發起并實現的標準建模語言。CTML建模采用的是一種圖形表示法，它定義了建模語言的文法，并通過元模型對語言中的基本概念、術語和表示方法給出了統一的較為嚴格的定義和說明以及這些概念的準確含義，充分體現了面向對象技術的封裝、繼承與多態等特點。UML在融入軟件工程領域的面向對象技術的基礎上，不僅支持面向對象的分析與設計，而且還支持從需求分析開始的軟件開發的全部過程。UML利用可視化的框圖來描述系統的功能實現，為開發者提供了從不同角度去觀察和展示系統各種功能和行為特征的有效方法。

　　基于UML的建模方法就是在需求分析的基礎上提取出未來系統中的實體對象，使用UML的狀態視圖來描述每個實體對象的狀態變化及其相關事件;建立實體對象及其相關事件的動態時序視圖，用以描述實體對象間的消息傳遞。通過狀態視圖可以明確系統功能對象的具體活動、行為條件等，而順序視圖則表現了消息傳遞的時序性。兩者結合可以有效建立系統實現的類圖及其交互關系，提高了系統實現的透明度和可靠性。

　　1.2 UML在開放式數控軟件系統開發中的優勢

　　由于開放式數控軟件系統的開發涉及到系統硬件功能的實現，包括譯碼、插補、位置和軌跡控制、線程間通信及I/O狀態監控等功能，因此，需要明確系統的各功能對象的具體行為和交互關系。UML所提供的模型管理視圖可以有效地將上述功能進行可視化模型描述。通過模型管理機制，開發者可以將各個模型元素合理地分配到各個不同層次的包，從而對系統中各功能對象間的關系在不同層面上進行全面描述，有效地提高了系統設計的可讀性和可維護性。UML的這種面向對象的層次化、模塊化建模機制非常適合于開放式數控軟件系統的開發，一方面通過層次化、模塊化建?？梢员ＷC軟件系統的開放性;另一方面UML可以將系統中的各個功能對象用可視化的框圖加以描述，增強了系統功能的透明度，有利干提高系統開發的質量和效率。

　　另外，UML的支持工具Ifatinnal Pose軟件為IJIVIL的實現提供了強大的集成操作環境，同樣為開放式數控軟件系統的開發提供了高效可靠的實現手段。

2 利用UML對NC嵌入PC型開放式數控軟件系統進行分析與建模

　　2.1 系統需求分析

　　系統需求分析就是要對開放式數控軟件系統的功能模塊和結構模型進行分析，從系統參與者的角度，明確系統所能提供的具體功能。對于開放式數控軟件系統而言，系統參與者代表了與系統有接口行為的人或事物，是代表某一特定功能的角色。參與者是虛擬的概念，可以是軟件的使用者機床操作者)，也可以是外部系統或設備(I/O接口)。

　　圍繞上海電氣中央研究院對開放式三軸銑削加工數控系統研發的目標，對其數控軟件系統進行了詳細的功能需求分析。

　　(1)該系統是基于固高運動控制器的NC嵌入PC型開放式數控系統，必須保證軟件系統的模塊化和開放性。

　　(2)創該系統能夠實現自動程序加工方式和MDI加工方式，并在人機界面上顯示相關的加工位置信息、速度信息、刀具信息、進給信息、加工時間、報警信息及I/O狀態信息。

　　(3)該系統能夠實現JOG運動控制方式、連續運動控制和手輪控制運動方式等。

　　(4)用戶可以通過該系統控制機床實現基本的直線/圓弧插補功能，并保證機床運行可靠和穩定。

　　(5)必須提供機床操作者一個操作簡便、響應適中且人性化的人機接口界面。

　　(6)應該具有程序管理功能，如:程序修改、刪除以及新程序建立并存儲等功能。

　　(7)應具有參數管理和配置功能，如:系統參數配置、刀具參數設置，坐標系參數設置等功能。

　　(8)必須具有功能可擴展、可重構等特點。

　　(9)必須具有完全的自主知識產權。

　　根據以上對系統的功能需求分析，采用固高公司國產運動控制器，提出并設計了該數控軟件系統的總體框架模型，如圖1所示。

　　該開放式數控軟件系統主要完成人機交互和譯碼功能，由嵌入式運動控制器(GE-300SV)完成插補和位置軌跡控制功能。系統人機界面主要完成系統運行的數據顯示、加工運行狀態顯示、I/O狀態監控和報警功能。機床操作者通過人機界面對系統進行操作控制，系統維護員可以通過人機界面進行系統參數維護。系統的譯碼線程是一個虛擬對象，主要完成對NC程序的譯碼工作。通過UML的用例視圖圖2可以清楚地描述上述系統框架模型和系統的具體功能需求。系統用例圖描述了不同參與者的具體行為及其流。程。例如:機床操作者通過人機交互用例可以實現對系統的運行操作、參數設置操作和程序管理操作等3個子功能行為。同樣，機床操作者通過系統運行操作用例可以實現諸如自動加工方式、連續運動方式等多種方式的加工用例行為，從而為開發者清楚地描述了所需要實現的功能類型和實現路徑及其相關對象。

　　2.2 系統用例描述

　　用例圖中的每個用例都是從用戶的角度來描述的系統的具體功能，都代表了使用系統的不同方式并完成產生不同的結果。為了能夠描述用例的具體行為，每一個用例可以再進行詳細的用例事件行為)說明。下面僅以人機交互用例的一個具體用例事件自動方式運行加工操作來說明其功能行為及流程。首先，對該用例做一個簡要描述:

　　(1)該用例實現的前提條件。系統已經正常啟動并使該用例處于可執行狀態。

　　(2)該用例的事件流程為:

　?、俨僮髡咄ㄟ^人機界面選擇進入自動方式子界面。

　?、诓僮髡哌x擇程序管理功能項進入程序管理子界面。

　　③操作者選擇相應程序后返回自動程序運行子界面。

　?、懿僮髡吒鶕到y提示進行下一步操作。

　?、菹到y顯示各種數據及程序運行狀態信息。

　?、拊摮绦蛘＿\行完畢，系統提示操作者執行下一步。

　?、呦到y恢復初始狀態，該用例結束。

　　對應于該用例事件的UML活動可用圖3來表示。

　　2.3 系統順序圖

　　系統順序圖描述了參與者與系統之間的交互事件、事件發生的順序以及系統對象之間消息傳遞的時序，展示了機床操作者與系統之間的交互行為和流程。通過對系統用例的分析，可以將整個系統分解到不同的子運行場景，從不同的角度分析和評價系統框架模型的合理性。子運行場景是指用UMLL的順序圖描述的具體用例事件的發生流程和對象間消息傳遞的時序。消息的類型及其傳遞的順序是系統順序圖描述的核心，建立順序圖的前提就是利用UML的模型單元分組機制將系統按功能對象進行分解。

　　本系統的功能對象主要分布在3個不同的線程中，分別是系統主線程、NC程序解析線程和固高板塊接口線程。將功能對象與具體用例事件在3個主要線程中的實現用系統順序圖進行描述可以有效表達功能對象間消息的交互，從而提高系統開發的可操作性。整個系統的功能對象之間的消息交互可以由自動方式執行順序圖、MDI方式執行順序圖、點動方式運動控制順序圖和連動方式運動控制順序圖等8個系統順序圖進行描述。限于篇幅，現僅以自動方式執行用例事件來建立自動方式執行順序圖圖4，以便與自動方式用例活動圖相對應來說明在自動方式下機床操作者與系統之間的交互以及系統對象間的消息傳遞情況。系統功能對象以分析類的形式出現，是對系統模型中問題域事物的描述，不同于軟件設計中的類。

　　2.4 系統設計類圖

　　系統類圖是系統設計階段關鍵一環，是實現用例的邏輯解決方案。將整個系統作為功能對象的集合，借助UML包的概念，將系統功能對象進行分類別、分層次描述，從而形成包圖。包是類對象組，可以進一步對包中的類進行類屬性和類方法的識別，并最終得到完整的系統類圖，為下一階段的系統實現提供保障。

　　通過將分析類轉化為系統實現過程中所需的設計類，可以得到系統的設計類圖。仍以自動方式下程序運行操作用例為例，得到實現該用例所需要的設計類圖5。該設計類圖中的類主要完成人機界面交互操作、NC程序解析處理、NC程序譯碼結果存儲寫固高控制器緩沖區)處理,I/O狀態變量讀取與顯示操作和加工信息界面顯示處理功能。其中，CNuinCnntrnLApp是主線程類，由CNumContmlDlg類實現并完成界面操作及其信息顯示功能;NCfaode類是Nf;程序解析類，通過CNumCanntrnlDlg類提供的界面操作進行程序的自動解析及運行處理。在處理過程中調用I/O處理線程的處理結果，并通知CNumCnntrnlDlg類進行顯示處理。

3 系統界面實現

　　根據所設計的系統框架模型和UML分析所得到的系統設計類，利用UML支持工具Rational Rose生成了軟件系統的主要框架C++語言代碼。選用VC++面向對象編程工具進行了具體的界面實現。

　　首先，根據系統設計類圖的描述進行CNnmContmlDlg類的實現。該類是系統功能實現的主類，在實

　　現過程中，可以調用譯碼線程進行NC程序解析，并通過譯碼線程調用I/O接口線程完成對I/O狀態的監控，然后實現與其有直接依賴關系的6個子類。在具體實現CCNCaProGTProg類時，必須限制固高控制器硬件緩沖區的最大容量，否則容易產生運行異常。譯碼線程的實現主要依靠CSourceCde類、ProgrameLine。類和CNCFile類等5個系統設計類。

　　CNumfanntrnlDlg類所實現的主界面如圖6所示，同時系統的初始狀態配置為系統回零狀態。在主界面上有兩類功能按鈕，一類是位于界面底端的主功能按鈕，操作者可以通過主功能操作按鈕進行相應的程序加工、程序管理、參數配置等操作;另一類是側面豎排的子功能按鈕，操作者必須在選擇了主功能后才能進行相應的子功能操作。為了提高人機交互的效率，NC程序運行狀態、位置信息、加工工藝信息和報警信息均按類別分區顯示在主界面上，這有利于操作者在加工過程中準確做出響應。

　　系統的程序加工主功能按鈕是操作者控制機床進行加工的主要操作按鈕。它的子功能按鈕是按照加工方式實現的，主要包括點動加工方式、連續運動方式、手輪方式、MDI方式和自動加工方式等。每一個子功能按鈕均對應主界面的相應顯示項，如點動方式界面見圖7。

　　系統的程序管理主功能按鈕是對系統程序管理類的實現，主要負責程序編輯、刪除、創建及存儲等工作，如圖8。

　　操作者通過程序管理子功能按鈕實現具體的程序管理工作，如:創建一個新程序，操作者僅需要選擇“新程序”子功能按鈕，同時在出現的新對話框中輸入所要創建的程序的名字，就可以方便地在系統程序管理主界面建立該程序，然后雙擊該程序名便可進入程序編輯界面進行NC程序輸入和編輯。在程序創建完畢后進行保存操作。

　　系統的參數配置主功能包括刀具參數設置圖9和系統參數配置圖10，主要完成NC程序加工前的刀具半徑補償、零點偏置、用戶參數設置以及與系統有關的伺服功能參數、主軸參數和I/O信息的配置。

4 結語

　　本文針對具體的開放式數控軟件系統進行了功能需求分析，設計了一種適用于NC嵌入PC型的開放式數控軟件系統框架模型，該模型為該開放式數控軟件系統的開發提供了功能框架和實現機制。

　　利用統一建模語言UML及Ratinnal Rose工具為具體系統建立了各種靜態和動態視圖，描述了系統的功能需求、實現流程、設計類圖及其交互關系，完成了系統框架模型的需求分析、總體設計、模塊設計和詳細設計。有效地降低了數控軟件系統開發的復雜性和設計人員之間對系統理解的偏差，提高了該數控軟件系統設計的一致性、完整性和系統開發的質量和效率。