數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，而CPU、基于CPU芯片的數(shù)控系統(tǒng)控制板卡、操作系統(tǒng)以及數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線等軟硬件平臺(tái)則是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，是決定“大腦”性能的關(guān)鍵部件。目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)CPU被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷，因此在器件采購(gòu)、應(yīng)用軟件的升級(jí)、數(shù)控成套裝備的集成方面都受制于國(guó)外公司，嚴(yán)重制約了國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)性能與可靠性的提高。

為了給數(shù)控機(jī)床安上純正的“中國(guó)腦”，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司（以下簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)計(jì)算所）承擔(dān)了高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家科技重大專項(xiàng)的基于國(guó)產(chǎn)龍芯CPU芯片的高檔數(shù)控裝置、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)等多項(xiàng)課題，成功解決了基于國(guó)產(chǎn)微處理芯片與現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放問(wèn)題，使國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床安裝“中國(guó)腦”不再是夢(mèng)想。

從牽著走到領(lǐng)著跑

數(shù)控系統(tǒng)長(zhǎng)期受制于人是中國(guó)數(shù)控機(jī)床業(yè)的短板。通過(guò)攻關(guān)，沈陽(yáng)計(jì)算所成功建立了統(tǒng)一硬件抽象層概念和跨平臺(tái)統(tǒng)一通訊建模方法和通訊機(jī)制，開(kāi)發(fā)了數(shù)控軟件的龍芯平臺(tái)跨平臺(tái)編譯運(yùn)行技術(shù)以及基于自動(dòng)配置的多平臺(tái)編譯技術(shù)。

為了使數(shù)控軟件與系統(tǒng)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)解耦合，進(jìn)一步跨平臺(tái)，沈陽(yáng)計(jì)算所提出了統(tǒng)一硬件抽象層的概念HAL(HardwareAbstractionLayer)。HAL硬件抽象層隱藏了不同數(shù)控硬件平臺(tái)的硬件接口細(xì)節(jié)，為上層的系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定的虛擬硬件平臺(tái)，使數(shù)控系統(tǒng)軟件具有與硬件無(wú)關(guān)的特性，從而達(dá)到可在多種平臺(tái)上進(jìn)行跨平臺(tái)移植的目的，進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可伸縮性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)不同模塊之間的跨平臺(tái)通訊，沈陽(yáng)計(jì)算所設(shè)計(jì)了龍芯高檔數(shù)控硬件平臺(tái)，通過(guò)增加系統(tǒng)中處理器/控制器的數(shù)量，大大提高了平臺(tái)計(jì)算能力。

針對(duì)高、中檔數(shù)控系統(tǒng)的用戶需求不同，沈陽(yáng)計(jì)算所采用平臺(tái)抽象層屏蔽操作系統(tǒng)調(diào)用接口的差異；采用多平臺(tái)的編譯技術(shù)解決數(shù)控軟件的跨硬件平臺(tái)兼容性；采用統(tǒng)一通信庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控軟件模塊間的跨平臺(tái)通信等關(guān)鍵技術(shù)，保證了數(shù)控軟件一次設(shè)計(jì)，可以在x86、龍芯、ARM等不同硬件平臺(tái)和不同操作系統(tǒng)上無(wú)縫編譯運(yùn)行。在數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，沈陽(yáng)計(jì)算所將與硬件相關(guān)的代碼封裝為硬件抽象層，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)特性代碼與軟件功能代碼分離。

從創(chuàng)新技術(shù)到批量應(yīng)用

課題不僅解決了基于國(guó)產(chǎn)龍芯處理器的跨平臺(tái)技術(shù)，還開(kāi)發(fā)出多通道多軸聯(lián)動(dòng)及復(fù)合加工控制、高速程序預(yù)處理、智能故障診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)控總線協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)，制定了國(guó)內(nèi)首部具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)控總線技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

基于國(guó)產(chǎn)龍芯處理器芯片的藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)是課題繁衍出的重要產(chǎn)品。它的成功研制，顯著提升了我國(guó)數(shù)控裝置的自主化程度、產(chǎn)業(yè)化水平。

藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)龍芯處理器芯片和自主產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線，可擴(kuò)展多種總線和傳感器接口，功能和性能達(dá)到了國(guó)際高檔數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn)水平，但較國(guó)外同類產(chǎn)品用戶使用成本大幅降低，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、柔性制造等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了自主可控的軟硬件平臺(tái)在工業(yè)控制領(lǐng)域的批量應(yīng)用，進(jìn)一步提高了國(guó)產(chǎn)裝備制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和自主可控性。

專項(xiàng)素描

基于國(guó)產(chǎn)龍芯CPU芯片的高檔數(shù)控裝置、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)支撐技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)等課題是高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家科技重大專項(xiàng)的重點(diǎn)支持方向之一。本組課題開(kāi)發(fā)了新一代基于國(guó)產(chǎn)龍芯處理器芯片的藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行配套應(yīng)用。

重大突破

課題成功解決了基于國(guó)產(chǎn)微處理芯片與現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)放式與網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的新一代總線式全數(shù)字高檔數(shù)控產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了與帶AB軸的高速五聯(lián)動(dòng)加工中心等的配套應(yīng)用，并針對(duì)航空航天、汽車制造等重點(diǎn)領(lǐng)域開(kāi)展配套應(yīng)用工作，滿足了重點(diǎn)領(lǐng)域用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的配套要求。

應(yīng)用前景

配套國(guó)產(chǎn)CPU的藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與高檔機(jī)床的配套應(yīng)用，有利于保障我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)，尤其是國(guó)防軍工行業(yè)的技術(shù)安全。該系統(tǒng)在替代進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域的配套應(yīng)用方面前景廣闊。