高端PCB鉆銑床控制系統(tǒng)的實現(xiàn)_－PCB新聞|線路板|印刷電路

以上兩個部分的內(nèi)容主要闡述了搭建系統(tǒng)的常規(guī)的軟硬件方面的技術(shù)路線，僅僅如此還遠遠不夠。要想真正搭建并開發(fā)出高檔次的控制系統(tǒng)并希冀其可以與國外頂尖水平的控制器相抗衡還需要在控制方面和客戶端人機界面部分狠下功夫。

3        控制方面的關(guān)鍵技術(shù)

目前國產(chǎn)系統(tǒng)所以在最終的整體效能上不及進口系統(tǒng)，很大程度是由以下幾個因素造成的。而要克服這些不足，就要選用功能強大的運動控制卡，DELTA TAU公司的PMAC卡^{【6】【7】}無疑是最好的選擇之一，其提供的關(guān)鍵功能正好契合了搭建高端系統(tǒng)的需求。

3.1  控制模式的選擇

傳統(tǒng)的國內(nèi)設(shè)備廠家在低端設(shè)備都采用位置控制模式，這是一種靠板卡通道發(fā)脈沖來精確控制步進電機或者工作在位置模式下的伺服電機的方式，其響應(yīng)速度和閉環(huán)特性都很差，甚至談不上真正意義的閉環(huán)，從而無法發(fā)揮出機械系統(tǒng)的潛能。后來隨著速度控制模式逐漸流行，從而大幅提升了電機控制的動態(tài)特性，也實現(xiàn)了真正意義上的閉環(huán)控制，機床的速度、精度都上了一個臺階。這兩種電機控制方式是目前國內(nèi)設(shè)備廠家的主流選擇。

電機的力矩和直接PWM控制是歐美廠家所普遍采用的，在國內(nèi)的應(yīng)用基本還是空白的狀態(tài)。這兩種控制方式徹底屏棄位置模式的低響應(yīng)特性，又克服了速度模式在調(diào)試PID參數(shù)時的冗長步驟導(dǎo)致的不確定性。由于力矩和直接PWM控制方式在控制模型上更簡單直接，將速度環(huán)和電流環(huán)往控制卡側(cè)轉(zhuǎn)移，這將導(dǎo)致更高的響應(yīng)性，同時對反饋環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度也有一定程度的提高，二者的合力將產(chǎn)生更高的性能是毋容質(zhì)疑的?？上У侥壳盀橹?，國產(chǎn)的運動控制器還不能支持以上這兩種先進的控制模式，在一定程度上限制了國產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。

3.2  系統(tǒng)辨識技術(shù)

目前國內(nèi)的廠家在伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的對接方面認識還很不夠，所以盡管選用了極好的部件來搭建機械系統(tǒng)卻依舊不能獲得理想的控制效果，就是因為對系統(tǒng)辨識的認識很模糊，不能最有效地協(xié)調(diào)好控制器和受控對象的關(guān)系。而如果想開發(fā)出高端控制器，就要盡可能提高伺服系統(tǒng)跟蹤的快速性。而頻帶寬度越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機構(gòu)慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。先進的控制器具有自動診斷系統(tǒng)帶寬之能力，進而可以有選擇地支持低通濾波器或者陷波濾波器，達到規(guī)避機床的固有頻率（共振點）之目的，在一定程度上可以盡可能地發(fā)掘出機床之潛力而又能避免高速運動激發(fā)的機器震動對機床造成的傷害。

3.3  干擾抑制與防范

電磁干擾對機床最后加工精度的影響也是致命的，除了在線路布局、屏蔽、接地等方面采取積極措施抑制干擾外，干擾發(fā)生后的有效防范也是很重要的，但是目前絕大多數(shù)控制器都沒有這方面的功能。高端的運動控制器如PMAC，可以通過硬件監(jiān)控編碼器或者光柵尺反饋回來的A、B相的上升沿的相位差是否正常來判斷進入控制器比較環(huán)節(jié)的信號完美有否。如果發(fā)現(xiàn)異常就會即時告警，提示操作者即時排除干擾避免機床偏位。

3.4  控制器獨立運行

以往的運動控制卡多是插在主機電腦的ISA或者PCI插槽上的，單邊固定的金手指的接口形式在惡劣的工作環(huán)境下不太適合長期工作，尤其機器震動激烈時會產(chǎn)生通訊中斷的現(xiàn)象，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，于是就對控制器的獨立運行提出了要求。采用網(wǎng)絡(luò)通訊的方式有效的解決這樣的問題，同時還避免了控制系統(tǒng)與PC機的共地問題，使干擾信號不至于竄到電腦里影響主控程序的正常運行，增強了穩(wěn)定性。

控制器獨立運行還為實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)操控提供了可能，無人化工廠的概念也不再遙遠。一旦實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)并獲得主控權(quán)，那么在該網(wǎng)段的任何一臺電腦都可以控制和監(jiān)測機器。同樣，一臺電腦也可以操控多臺機床，具有極大的靈活性。

4        客戶端圖形控制界面的優(yōu)化

當前在有些廠家的主管認識上有個誤區(qū)：認為只要能實現(xiàn)功能，其他方面要求就可以打折扣。這種思想直接導(dǎo)致了國內(nèi)迄今為止也做不出高水準的控制系統(tǒng)的局面。這種整體的落后不僅在PCB鉆銑領(lǐng)域，在金屬加工機床領(lǐng)域，甚至在整個工控領(lǐng)域都是如此。要想改善這種局面，筆者認為以下幾個方面至關(guān)重要。

4.1  軟件工程思想的應(yīng)用

目前的大多數(shù)的工控產(chǎn)品對于軟件工程思想的貫徹和應(yīng)用都很有限，嚴重落后于管理、財務(wù)、游戲以及通信行業(yè)。之所以如此，一方面是因為工控領(lǐng)域的編程者多是學(xué)機械或者搞工藝出身，對于編程語言的駕馭和計算機技術(shù)的理解都比較粗糙，編寫的軟件多數(shù)停留在比較初級的層面；而另一方面，掌握先進編程技術(shù)的工程師又往往對硬件和控制這些概念比較模糊，無法將工藝過程和人機交互界面用很完善的編程語言來實現(xiàn)。解決這一矛盾的根本是將軟件工程的思想貫徹到工業(yè)開發(fā)過程中，借鑒其他領(lǐng)域開發(fā)大中型軟件系統(tǒng)的模式來組建一個合理的團隊，規(guī)劃者是行業(yè)內(nèi)的行家，實現(xiàn)者是計算機編程方面的高手，只有這樣才能做出精品，才能與國外系統(tǒng)相抗衡，才能保證軟件有良好的可擴展性和可維護性。

4.2  數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用

目前國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)的軟件在保存數(shù)據(jù)、機器配置以及諸多工況信息時多采用文本文件或者INF文件的格式，數(shù)據(jù)量一大就沒法對其內(nèi)容進行有效的檢索和管理。為了實現(xiàn)比較復(fù)雜的界面配置，動態(tài)添加用戶，多語種切換，斷刀信息和操作信息的分類分時管理，簡單的文本訪問已經(jīng)不能滿足要求，于是如何利用小型數(shù)據(jù)庫來組織管理數(shù)據(jù)就成了一個課題。筆者就采用了ACCESS數(shù)據(jù)庫，通過DAO350的接口對數(shù)據(jù)庫進行管理和操控，從而可以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的動態(tài)管理，徹底解決用二進制或者ASCII碼文件進行數(shù)據(jù)管理時所帶來的不便。所以能否有效地利用這些先進的計算機技術(shù)，也是判斷一個系統(tǒng)優(yōu)劣的依據(jù)之一。

4.3  跨硬件平臺的體系架構(gòu)

國內(nèi)目前的的機床設(shè)備廠商很多，大體分為川系和沿海一系，川系起步早但是技術(shù)獨立發(fā)展，相對落后。沿海一系直接空降和效仿國外的技術(shù)，比較和國際同步。但是無論在那里,設(shè)備廠商都會根據(jù)客戶群需求的不同將產(chǎn)品市場細化，有的針對中低端市場，有的針對高端市場。由于對機器速度、精度的要求都不盡相同，所以在選擇運動控制部件時也有所不同，為了兼容各個廠家的不同需求，將控制系統(tǒng)設(shè)計成跨主流硬件平臺的通用系統(tǒng)是必要的。

4.4  界面的美觀以及復(fù)雜智能化功能的實現(xiàn)

很多開發(fā)者對于界面的美觀和布局沒有給予足夠的重視，但是每每在大型行業(yè)展會上，自主開發(fā)的系統(tǒng)界面與SIEB&MEYER的CNC84系統(tǒng)一比較，就會發(fā)現(xiàn)根本不在一個層面上。另外國外系統(tǒng)一般智能化程度比較高，像斷刀信息和操作信息的記錄管理，8種文件象限和8種機械象限任意組合的64種情況的通盤考慮，刀徑檢測以及光點補償功能，各種方式的機械手取刀等等。國內(nèi)的系統(tǒng)開發(fā)者因為種種原因都不能做到功能如此完備，所以始終不能同國外系統(tǒng)相抗衡，究其原因，還是規(guī)劃不完善和開發(fā)大型軟件經(jīng)驗不足造成的。界面的美觀以及各種功能的智能化程度也是開發(fā)者的實力的重要體現(xiàn)。

5        系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用實例

如圖3所示，這是筆者組織團隊開發(fā)出的一套高端的PCB鉆銑系統(tǒng)的主界面，為國內(nèi)首家同時支持位置、速度、力矩和直接PWM等四種電機控制模式的高檔數(shù)控系統(tǒng)，對于鉆、銑兩種工藝的支持都日臻完善，不僅功能強大而且針對國人特點在操作的便捷性上狠下工夫，做到性能穩(wěn)定可靠、界面人性化又不失美觀大方，可以說是軟件工程思想在工控領(lǐng)域的一次很好的應(yīng)用。目前已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的過程中大步前進，各項性能指標毫不遜色于國外系統(tǒng)。

圖3 冰?？萍糄ELTA系列鉆銑控制系統(tǒng)界面

Fig.3 The Interface of DELTA

6        結(jié)論

中國通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定的市場規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場，國產(chǎn)控制器的規(guī)模始終不能取得很好的突破，利潤空間被擠壓，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)的技術(shù)進步。為了突破這種局面，筆者避開金屬加工領(lǐng)域的FANUC和SIEMENS這樣的國際巨頭，選擇了PCB鉆銑這個稍顯冷僻的領(lǐng)域，深入調(diào)研該領(lǐng)域控制器的技術(shù)和市場現(xiàn)狀，給出了搭建高端控制器的技術(shù)路線。之后從核心的控制技術(shù)和人機界面這兩個層面進行針對性的技術(shù)突破，從軟件和硬件兩個層面仔細部署，并切實開發(fā)出了一套在各項技術(shù)指標甚至外觀操控等都頗具水準的數(shù)控系統(tǒng)，不僅做到快、準、穩(wěn)，還要漂亮、方便，全方位地趕超國外同類產(chǎn)品。同時希望籍此摸索出一套沖破僵局的模式，供同行們借鑒。

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Implementation of Control System for High-end PCB Drilling and Milling Machine

LIU GuangChao

( Shenzhen Institute of Information Technology, Guangdong Shenzhen 518029, China)

Abstract: The Advanced Drilling Control System was monopolized by a Germen Company named Sieb&Meyer. For changing the situation, a new style control system for PCB’s Drilling and Routing is presented in the document, which integrated technology such as Software Engineering, Data Base, the most advanced Motion Control and Servo Driver techniques.

Keywords:Miller & Driller；Software Engineering；PMAC；Motion Control