数控技术在国民经济中具有极其重要的作用,关乎国家基础制造业的水平。为满足不断发展的生产生活的需要,高速、高精、智能、网络化已经成为数控系统发展的主要方向。在此发展方向下,数控系统作为数控机床的大脑,其功能越来越强大,系统越来越复杂。为保证整个制造系统自动化、智能化生产的安全运行,其功能安全问题逐渐成为一个重要的问题。然而,基于功能安全的数控系统,国内目前尚无成熟的设计经验可循,而国际上安全控制系统大部分是针对流程工业的PLC或其他形式的控制系统。如何既能满足数控系统复杂功能的需要,又能满足功能安全的需求,是本文着重要解决的问题。本文从硬件平台和软件平台两个问题入手,针对以上问题进行了研究。通过对基于功能安全的数控系统的设计要求的具体分析,硬件方面,确定了在标准硬件平台基础上进行功能安全评估、改进,以满足功能安全要求的硬件设计方法；软件方面,为满足柔性的需要,确立了组件式的软件系统结构。但由于功能安全的组件化数控系统软件系统庞大,设计复杂,需研究数控系统安全组件共享机制,以满足基于功能安全的数控系统快速设计的需求。首先,对数控系统硬件功能安全评估方法进行了研究。通过对特定型号数控系统在应用现场反馈的失效数据进行分析、整理,建立了数控系统硬件的小样本先验数据；对硬件失效数据进行了常见失效概率分布拟合,通过定量分析得到了数控系统硬件失效概率分布满足指数分布模型特点,确定了安全评估建模所选的数学模型。围绕数控系统硬件的功能失效,研究并设计了一种基于故障树的数控系统失效模型及基于Markov模型的安全完整性分析方法。考虑到数控系统部件数量多、结构复杂的特点,利用Markov方法及故障树分析方法将数控系统按照功能划分为子系统,并采用故障树方法对每个子系统进行建模分析。之后采用Markov方法模型对系统整体进行分析,在模型的建立过程中,引入信息熵作为判别的依据,实现对各个子模块失效概率的计算,从而对整体系统所体现的信息权重进行区别,较好地解决了数控系统中各个子系统对整体系统安全失效权重的影响的问题。其次,在建立的数控系统硬件分析模型基础上,使用故障树方法和Markov方法,计算出了数控系统硬件中系统扩展控制单元、核心处理单元、显示单元、电源供电单元的要求时危险失效概率PFD、每小时危险失效概率PFH、要求时危险失效平均概率p FDavg,以及系统的诊断覆盖率DC和安全失效分数SFF。参考IEC 62061和IEC 61508中对功能安全完整性等级SIL要求进行评估分析,提出了采用增加冗余设计、增加检测电路、采用降额设计等数控系统硬件设计改进原则,对数控系统硬件进行了改进,达到了预期的功能安全要求。第三,针对功能安全数控系统软件,根据IEC 61131-3、IEC 61131-6、IEC61508-3、IEC 61508-7给出了功能安全的数控系统软件模型,并制定了功能安全的数控系统软件平台实施策略。在制定的实施策略中,为解决借助遵循IEC相关标准的商业开发软件,对功能安全的数控系统软件进行开发中,数控系统安全组件资源不足的问题,建立了安全组件的共享机制。通过对安全组件的知识化方法的研究,设计了安全组件的共享平台,构建了基于安全组件知识库的设计方法,以方便开发者进行开发协助和资源共享。在知识库的构建过程中,通过使用本体描述语言OWL对安全组件进行知识化表述,通过安全组件的描述文件以对安全组件的查询和存储定位服务。本体描述引入了推理能力,可对安全组件库的维护和查询使用进行处理,为后期安全组件知识库的大规模云端存储和使用提供了基础。最后,针对数控系统功能安全的测试,首先介绍了总线式数控系统功能安全的实现方式,并对可能出现故障的原因进行了分析；其次介绍了数控系统的功能安全测试方法,并对不同类型安全相关系统的安全功能响应时间进行了分析和比较；最后针对数控系统的功能安全测试设计了数据采集卡,并对其采样原理和实现机制进行了详细介绍,以此为基础搭建了数控系统的功能安全测试平台,对系统的功能性和故障插入进行了测试,为数控系统的功能安全测试提供了一种参考方案。本文对基于功能安全的数控系统的硬件安全评估和设计改进、软件设计、测试平台等三个方面进行了研究,研究成果可对基于功能安全的数控系统设计提供指导以解决其中的关键问题。从而为既满足复杂功能要求,又能满足功能安全需求的数控系统的设计实施提供参考方案。