数控技术是发展尖端工业的使能技术和基础装备,数控系统(Computer Numerical Controller,CNC)作为数控设备的大脑,其性能直接影响甚至决定着数控设备的性能。现代高性能数控系统朝着高速高精、智能化、多功能、多任务以及开放式体系结构的趋势发展,加上数控系统固有的强实时特性,使得系统设计的复杂性日益增强,系统开发的难度日益增大。传统开发方法采用基于手工编码的顺序式开发方式,设计和实现依赖于不同领域开发设计人员的经验,且数控系统中所涉及的运动规划、运动控制算法、电路设计、软件编程等环节相互独立进行,缺乏系统性的设计指导,使得系统重用性差、开发效率低下、系统测试滞后且工作繁重,系统可靠性难以保证。针对嵌入式数控系统传统开发方法的不足,提出了一种面向嵌入式数控系统设计的模型集成设计框架(CNC Model Integration Framework,CNCMIF),该框架针对嵌入式数控系统的开发需求,采用面向领域建模方法(Domain-Specific Modeling,DSM),通过对数控系统在功能及性能方面的抽象,形成精确的面向数控系统的建模语言,借助形式化描述及第三方工具集成实现对数控系统在模型层的功能仿真和性能验证,最终实现基于所开发的代码自动生成解释器实现特定平台的数控代码的自动生成。以模型集成开发框架为基础,设计了面向数控领域的建模语言(CNC Modeling Language,CNCML),并建立了数控领域图形化建模环境。CNCML领域描述定义不同抽象粒度的层次化组件模型作为系统模型构建元素,采用多视角集成模型描述数控系统的不同方面,包括功能视角模型、平台视角模型及实施视角模型,给出了能实现视角间交互与耦合的多视角集成平台,并将数控系统中时间相关、资源相关的非功能属性赋予特定的建模元素和行为中,为性能仿真验证提供所需信息。CNCML形式化描述采用形式化计算模型(Model of Computation,MOC)表征的语义单元描述系统操作行为的各个方面,针对特定的验证目标,构建了几种形式化语义单元,并通过模型转换的方式,将形式化语义模型无缝集成到数控系统领域语言中,以实现数控系统形式化验证的自动化。针对CNCML中定义的组件及其交互,提出了一种系统耦合度测量评价方法,对数控系统设计中的可重构性进行量化评估,以确定一种较为优化的数控系统组件组合交互方式模型。根据所构建的可重构性评价体系,对采用CNCML构建的两轴车床系统进行了可重构性评价。以车床数控系统为实施对象对CNCMIF进行了验证,在数控领域图形化建模环境中构建了数控车床系统应用模型,并对其进行了形式化仿真验证,且利用代码生成工具自动生成系统源代码。通过比较两种结构数控车床系统重构难易程度,验证了耦合度测量评价方法的适用性。最后对生成的数控系统进行了功能和性能测试。结果表明CNCMIF能实现面向数控领域的高效集成软件开发平台:其领域模型具有平台无关性,可保证所开发系统的可重用性、可扩展性;其形式化仿真验证工具集成环境可在最终应用系统实施之前进行功能及非功能属性的验证,从模型层次保证面向数控应用的嵌入式实时控制系统的可靠性;其目标源代码通过相应解释器自动生成,可大大提升数控系统开发效率。