陶桂寶 梁 濤 安祥波 楊 琳

(①重慶大學機械工程學院，重慶 400044;②重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

車銑復(fù)合加工是指在一臺設(shè)備上完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔、擴孔等功能的一項技術(shù)［1］。具有效率高、精度高、速度高等優(yōu)點。車銑復(fù)合數(shù)控機床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得工件與刀具、刀具與夾具以及刀具與工作臺間發(fā)生干涉碰撞的概率增大。因此，開發(fā)一個具有驗證NC代碼正確性功能的加工仿真軟件十分必要，而NC代碼編譯模塊作為仿真軟件的核心部分之一，成為國內(nèi)外專家研究的熱點。

目前，國內(nèi)外對于三軸數(shù)控加工機床的編譯器技術(shù)研究已經(jīng)相當成熟，而對于三軸以上復(fù)雜的數(shù)控加工機床編譯器的研究報道相對較少［2－5］。編譯器的程序開發(fā)方法主要有兩種［6］:一種是直接用高級語言開發(fā)，如C++、VB、C等，其中包括加載正則表達式類［7］來作詞法與語法分析的判別工具和自行創(chuàng)建規(guī)則庫代碼與判別代碼編寫［8］;另一種是用詞法分析程序的自動構(gòu)造工具(LEX、YACC 及 ANTLR［9－10］等)生成詞法分析程序。

本文采用Visual C++為NC代碼編譯器的開發(fā)平臺，并以微軟公司研發(fā)的GRETA正則表達式類庫作為詞法、語法和語義匹配和分析的工具，開發(fā)一種適合車銑復(fù)合數(shù)控加工的NC代碼編譯器。

1 NC代碼編譯器總體設(shè)計

NC代碼編譯器主要功能是對NC

代碼進行校驗和譯碼。代碼校驗的主要功能是檢查代碼在詞法、語法和語義上的格式錯誤和邏輯錯誤。代碼譯碼則是從數(shù)控程序中提取與控制基礎(chǔ)運動部件運動有關(guān)的命令，計算出刀具在基礎(chǔ)坐標系的位移量，從而得到機床的刀具運動軌跡，實現(xiàn)數(shù)控程序驅(qū)動的加工過程仿真。譯碼主要分為對程序的預(yù)處理、翻譯處理、補償處理等3個過程。

NC代碼編譯器首先讀取NC文件并存儲到相應(yīng)的鏈表中，然后對鏈表中NC代碼逐行進行詞法、語法和語義的分析，即為第一次歷遍。如果檢查出程序的錯誤，編譯器則把錯誤信息進行存儲，并顯示到特定位置，以便NC程序的修改。在校驗結(jié)束后，對沒有出現(xiàn)錯誤的NC代碼進行譯碼，最終提取出刀位信息，并保存信息到鏈表中，這個過程成為第二次歷遍。NC代碼編譯的總體流程見圖1。

1.1 詞法分析

語法分析是指先將NC程序從NC數(shù)據(jù)鏈表中按程序字依次讀出，然后查找NC代碼是否存在規(guī)定以外的字符及不能識別的指令，包括不屬于數(shù)控系統(tǒng)的G代碼和M代碼，最后檢查字符后面數(shù)字格式及極限錯誤的過程。具體實現(xiàn)方法為:首先將檢查字符程序、詞法分析程序、語法和語義分析程序設(shè)計為單個的子程序模塊，然后在第一次鏈表歷遍時，將這幾個子程序同時進行檢查。在語法分析程序需要一個字(字符)時，調(diào)用詞法分析程序;字符檢查程序則在詞法分析程序運行時調(diào)用。采用這種方法，避免了代碼的多次調(diào)用，減少了檢查和搜索時間，提高了編譯效率。

詞法檢查的主要任務(wù)包括:

①檢查出數(shù)控系統(tǒng)不能識別的字符，即數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定外的字符;

②根據(jù)建立的G代碼和M代碼規(guī)則庫，識別出不屬于系統(tǒng)的G代碼和M代碼;

③檢查程序號的首字符是否與數(shù)控系統(tǒng)的要求相符;數(shù)值位數(shù)是否符合系統(tǒng)規(guī)定;

④檢查程序段的數(shù)值(行號)是否在數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi);

⑤檢查坐標值代碼后的數(shù)值是否在機床的行程范圍內(nèi);

⑥檢查S代碼格式是否正確，設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速值是否在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi);

⑦檢查F代碼格式是否正確，設(shè)定的主軸進量給是否在主軸進給范圍內(nèi);

⑧檢查T代碼格式是否正確，其后面數(shù)值是否大于刀庫的最大容量值。

1.2 語法與語義分析

語法分析是指以一個程序段為檢查單位，根據(jù)程序指令查找相關(guān)的語法規(guī)則，然后調(diào)用相關(guān)的語法檢查單元，再按語法規(guī)則要求繼續(xù)讀入字段，判斷當前讀入的字段是否與程序指令相匹配的一個過程。如果在程序段中出現(xiàn)了規(guī)則庫中沒有列出的字段或缺少了相應(yīng)的字段，則會顯示NC程序出現(xiàn)語法錯誤。語法分析的方法分為兩種:即自頂向下分析和自底向上分析［8］。本文采用自頂向下分析方法，根據(jù)給定的代碼為起始符，按照其語法規(guī)則，試圖向下推導(dǎo)出下個字符段。如果分析字符與規(guī)定的字符段一致，則語法正確，反之，則語法錯誤。語法檢查實現(xiàn)方法為:先建立相應(yīng)的詞法規(guī)則庫，然后使用語法檢查函數(shù)檢查程序段內(nèi)指令是否存在語法錯誤。

語義分析是指按照NC代碼的語義規(guī)則，查詢程序段間指令的邏輯關(guān)系是否正確的過程。其目的為檢查程序中的語義錯誤。語義檢查實現(xiàn)方法為:首先建立一個語義檢查函數(shù)，檢查整個程序的上下程序段之間是否存在語義錯誤。

語法和語義檢查的主要任務(wù)列于表1。

1.3 NC代碼編譯

NC代碼編譯是指提取NC代碼中有關(guān)控制機床部件運動的命令、動作指令和狀態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)換成仿真所需要的數(shù)據(jù)格式，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表中的過程。

表1 語法與語義檢查任務(wù)表

編譯過程的第一步是預(yù)處理環(huán)節(jié)，即代碼的標準化，其過程為:以每一行為單位作為字符流，濾去空格、拼數(shù)字、拼復(fù)合詞，轉(zhuǎn)化成“字地址符+數(shù)字”形式的指令單詞序列，然后把單詞序列進行劃分和添加指定空格，最后將程序段重新寫入鏈表文件。

編譯過程的第二步是程序翻譯，即將標準化后的程序代碼逐行讀入，提取其中的G、M、S、T、F等關(guān)鍵代碼，分別調(diào)用相關(guān)函數(shù)進行刀位信息處理，然后將編譯好的刀位信息以規(guī)定的格式存儲到數(shù)據(jù)鏈表中。例如直線插補指令，需要提供插補起點和終點坐標值;圓弧插補指令，則需要提供圓心、圓弧半徑和圓弧起點終點坐標值;固定循環(huán)指令，則要提供固定循環(huán)加工軌跡所要的點的坐標值和加工次數(shù)。

編譯過程的第三步是補償處理，即對刀具半徑、長度及位置補償指令建立相應(yīng)的補償模塊，為刀具位置信息增加補償值。

1.4 車銑復(fù)合數(shù)控代碼的特點與其編譯實現(xiàn)

車銑復(fù)合數(shù)控加工是一種高效的數(shù)控加工形式。車銑復(fù)合加工機床通常采用雙刀或多刀同時車削、銑削加工工件，以達到縮短加工時間的目的，從而提高生產(chǎn)效率。在加工過程中，刀架的動作采用等待協(xié)調(diào)機制來控制，即在同一個同步時段中，如果其中一個刀架先完成加工任務(wù)，如主刀架先完成，則不需要等其余刀架是否完成而直接進入下一時段加工，否則需要等主刀架任務(wù)完成后才進行下一時段的加工。多通道分別控制機床刀架滑板，數(shù)控系統(tǒng)的等待協(xié)調(diào)指令則用于實現(xiàn)刀架的工作進程，其中通道1設(shè)為主通道。等待指令格式為 WAITM(n，1，2)或者 WAITE(m)。WAITM(n，1，2)中的n表示等待的工步匹配號(同步號)，為任意正整數(shù)值，后邊的1，2分別表示通道1和通道2;WAITE(m)中的m值取1或2，表示通道m(xù)的程序結(jié)束［11］。此外，車銑復(fù)合數(shù)控代碼具有如下特點:

①以工步為基本單位，工步內(nèi)包含有子程序調(diào)用;

②NC代碼可以像高級語言具有分支和循環(huán)功能;

③工步內(nèi)部和工步之間存在跳轉(zhuǎn)指令;

④使用R參數(shù)和算術(shù)表達式;

⑤左右刀架NC代碼中間存在信息通訊和協(xié)調(diào)，由等待協(xié)調(diào)指令控制。

由于車銑復(fù)合數(shù)控以工步為單位，編譯程序首先要判斷程序為加工工步還是等待工步，然后讀取一個完整的工步信息代碼，最后對代碼進行數(shù)據(jù)處理、代碼分析和代碼編譯。

另外，在規(guī)則庫定義中，需要定義跳轉(zhuǎn)、循環(huán)和等待指令標識;對R表達式、賦值表達式及算術(shù)表達式需建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊。

2 編譯代碼實現(xiàn)

本文以Visual C++6.0為程序開發(fā)平臺，首先建立NC代碼的程序基類CNCCode，用于處理NC程序的數(shù)據(jù)處理、詞法分析、語法和語義分析、錯誤信息處理及NC程序編譯過程。由于現(xiàn)存的數(shù)控系統(tǒng)(如FANUC、SIEMENS等)指定的NC代碼標準與國際標準并不完全相同，使得代碼編譯器通用性不強。利用C++具有面向?qū)ο蟮奶匦约捶庋b性和繼承性，不同數(shù)控系統(tǒng)NC代碼子類可繼承CNCCode基類，子類則通過對規(guī)則庫函數(shù)進行重載來定義各自系統(tǒng)中的不統(tǒng)一指令。從而使得編譯器可以處理不同數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼，這樣使得編譯器具有可對更多的數(shù)控系統(tǒng)進行擴展和兼容。CNCCode類定義如下:

2.1 正則表達式的應(yīng)用和規(guī)則庫的建立

正則表達式(Regular Expression)是一種字符串匹配模式，即描述或者匹配一系列符合某個句法規(guī)則的字符串，常用于檢索或者替換某個模式的文本內(nèi)容。GRETA是微軟研究院推出的一個正則表達式模板類庫，包含了C++的對象和函數(shù)，使字符串的模式匹配和替換變得很容易。它們是rpattern:搜索的模式;match results/subst results:放置匹配、替換結(jié)果的容器［12］。GRETA執(zhí)行搜索和替換的操作過程:首先需要定義描述匹配規(guī)則的字符串，用來初始化rpattern類的對象。然后把需要匹配的字符串作為傳遞參數(shù)，調(diào)用 rpattern類的函數(shù)(如 match()或者 substitute())。如果調(diào)用失敗，函數(shù)返回false，否則，函數(shù)返回true，match_results類的對象就可以得到匹配后的結(jié)果。編譯程序加載GRETA正則表達式類庫作為NC代碼查找的工具，方便地定義NC代碼規(guī)則和檢查代碼的錯誤。GRETA匹配速度快，提高了編譯器的編譯速度。

首先應(yīng)用正則表達式的語法規(guī)則，對關(guān)鍵字符和指令進行定義，再將它們添加到規(guī)則庫定義函數(shù)，即完成了NC代碼規(guī)則庫的建立。部分關(guān)鍵字符的定義如下:

2.2 詞法、語法和語義檢查

編譯程序首先打開NC程序，并把NC程序以行為單位地讀入并儲存到NC代碼數(shù)據(jù)鏈表中。在第一次歷遍NC代碼數(shù)據(jù)鏈表時，調(diào)用語法檢查函數(shù)，并運用GRETA正則表達式中的Match()函數(shù)，查找字符串是否能夠與相應(yīng)指令代碼的規(guī)則相匹配，如果匹配，則語法正確，否則，語法中是否存在錯誤。在歷遍過程同時，同樣的調(diào)用字符檢查函數(shù)和詞法檢查函數(shù)，檢查是否存在錯誤。在語義檢查函數(shù)中，則重點檢查程序段間的邏輯錯誤。整個過程中，多次調(diào)用GRETA正則表達式Match()函數(shù)，檢查所傳遞的字符串是否符合規(guī)則庫中的子串。

其中語法檢查函數(shù)中查找G00指令后面是否有任意一個坐標值的模塊定義如下:

2.3 錯誤信息處理

NC代碼編譯器中的一個重要部分就是錯誤信息處理部分。主要功能是存儲和顯示錯誤的代碼信息。這樣便于用戶修改錯誤的NC代碼。本文先把詞法、語法和語義檢查出的錯誤NC代碼添加到錯誤信息鏈表(m_ErrorInformationList)之中，同時記錄出現(xiàn)錯誤的NC代碼行數(shù)及總錯誤數(shù)量，最后把錯誤內(nèi)容顯示到信息視圖之中。其中的G代碼語法錯誤信息設(shè)置函數(shù)代碼如下:

2.4 NC程序譯碼過程及刀位信息儲存

影響機床運動的主要 G代碼分別為G00、G01、G02、G03。因此，NC代碼的譯碼對象即為這幾個G代碼。在此之前，須對影響刀位坐標信息的G代碼進行譯碼，這樣才能準確地把代碼譯成相應(yīng)的刀位信息。如:編程規(guī)則(絕對值編程G90和相當值編程G91)、加工平面選擇(G17、G18和G19)及工件坐標系定義(G92)等。

通過設(shè)置bool類型變量IsAbCdnate來判斷NC程序是否是絕對值編程，當G90指令時IsAbCdnate設(shè)為true，而當G91指令時IsAbCdnate設(shè)為false。應(yīng)用此法，即可處理那些影響刀位坐標信息的G代碼。譯好影響刀位坐標信息的G代碼之后，就可對G00～G03代碼編譯。編譯直線插補指令G01譯碼過程為:首先查詢刀補指令G41/G42是否已經(jīng)定義，如果定義則補償?shù)毒甙霃?，如果沒有定義，則坐標值不變;其次檢查加工平面，確定坐標軸，根據(jù)編程規(guī)則，確定當前代碼是絕對坐標還是相對坐標，最后進行坐標轉(zhuǎn)化，即可得到刀位坐標信息。

編譯好的刀位坐標信息還需轉(zhuǎn)換成刀位起點和終點的坐標值，如果是圓弧插補則還要把NC代碼轉(zhuǎn)換為圓心坐標值和圓弧半徑值。刀位坐標信息及加工工藝參數(shù)信息都需要做存儲處理。本文就建立一個刀位信息基類CPosition和定于一個刀位信息鏈表m_PositionList。將刀位信息儲存到CPosition類中的一個對象內(nèi)，而將CPosition類的對象存儲到鏈表m_Position-List之中。這樣存放很方便，程序調(diào)用CPosition類數(shù)據(jù)也變得簡單，同時更利于加工過程仿真時的數(shù)據(jù)提取。CPosition類的定義如下:

3 結(jié)語

本文以Visual C++作為程序開發(fā)平臺，總體設(shè)計了NC代碼的編譯程序，并根據(jù)車銑復(fù)合數(shù)控代碼的特點，分析了代碼的詞法、語法、語義，并檢查了代碼中存在的詞法、語法、語義錯誤，最終將編譯代碼轉(zhuǎn)化為刀位信息。本編譯器具有良好的快速性、精度高、通用性和兼容性。編譯器生成的刀位信息為車銑復(fù)合數(shù)控加工仿真系統(tǒng)提供了驅(qū)動數(shù)據(jù)，是數(shù)控加工仿真系統(tǒng)不可缺少的一個部分。

［1］復(fù)合加工誰執(zhí)牛耳［J］.現(xiàn)代制造，2004(21):20－24.

［2］Liu Y，Guo X，Li W，et al.An intelligent NC program processor for CNC system of machine tool［J］.Robotics and Computer－ Integrated Manufacturing，2007，23(2):160－169.

［3］LEEW B，GAO D，LI JG.An NC toolpath translator for virtual machining of precision optical products［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，140:211－216.

［4］樂廣軍，周宏甫.數(shù)控代碼語法檢查及圖形仿真系統(tǒng)的研究［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2005，22(4):56 －57，87.

［5］田超，郭斌.數(shù)控仿真中NC程序的通用轉(zhuǎn)換技術(shù)［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008(2):55 －56，59.

［6］陳輝，郭艷玲.用LEX構(gòu)造數(shù)控編譯器詞法分析程序的研究［J］.機電工程技術(shù)，2006，35(2):28 －30.

［7］任松濤，秦現(xiàn)生，白晶.NC代碼解釋器的開發(fā)［J］.中國制造業(yè)信息化，2007，36(5):54 －57.

［8］游華云，葉佩青，楊開明.多數(shù)控代碼解釋器共存的設(shè)計與應(yīng)用［J］.計算機工程與應(yīng)用，2007，43(12):1 －2，111.

［9］禹丹，嚴宏志，王繼娜.基于ANTLR的NC代碼編譯器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機應(yīng)用，2008，28(2):522 －524，527.

［10］伍抗逆，李斌，陳吉紅.面向開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺的NC代碼解釋器開發(fā)［J］.中國機械工程，2006，17(2):168－171.

［11］李曉磊，吳勇中，桂貴生.雙刀車削數(shù)控加工仿真技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機床，2009(6):74－78.

［12］王心光，傅建中.虛擬數(shù)控加工中G代碼編譯器的研究［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2005(6):80－81，84.