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

以上兩個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要想真正搭建并開(kāi)發(fā)出高檔次的控制系統(tǒng)并希冀其可以與國(guó)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(jī)界面部分狠下功夫。

3        控制方面的關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)所以在最終的整體效能上不及進(jìn)口系統(tǒng)，很大程度是由以下幾個(gè)因素造成的。而要克服這些不足，就要選用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡，DELTA TAU公司的PMAC卡^{【6】【7】}無(wú)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(guó)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(lái)精確控制步進(jìn)電機(jī)或者工作在位置模式下的伺服電機(jī)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(wú)法發(fā)揮出機(jī)械系統(tǒng)的潛能。后來(lái)隨著速度控制模式逐漸流行，從而大幅提升了電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)特性，也實(shí)現(xiàn)了真正意義上的閉環(huán)控制，機(jī)床的速度、精度都上了一個(gè)臺(tái)階。這兩種電機(jī)控制方式是目前國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家的主流選擇。

電機(jī)的力矩和直接PWM控制是歐美廠家所普遍采用的，在國(guó)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(shí)的冗長(zhǎng)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(jiǎn)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(shí)對(duì)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。可惜到目前為之，國(guó)產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器還不能支持以上這兩種先進(jìn)的控制模式，在一定程度上限制了國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。

3.2  系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)的廠家在伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的對(duì)接方面認(rèn)識(shí)還很不夠，所以盡管選用了極好的部件來(lái)搭建機(jī)械系統(tǒng)卻依舊不能獲得理想的控制效果，就是因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)辨識(shí)的認(rèn)識(shí)很模糊，不能最有效地協(xié)調(diào)好控制器和受控對(duì)象的關(guān)系。而如果想開(kāi)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(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。先進(jìn)的控制器具有自動(dòng)診斷系統(tǒng)帶寬之能力，進(jìn)而可以有選擇地支持低通濾波器或者陷波濾波器，達(dá)到規(guī)避機(jī)床的固有頻率（共振點(diǎn)）之目的，在一定程度上可以盡可能地發(fā)掘出機(jī)床之潛力而又能避免高速運(yùn)動(dòng)激發(fā)的機(jī)器震動(dòng)對(duì)機(jī)床造成的傷害。

3.3  干擾抑制與防范

電磁干擾對(duì)機(jī)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(méi)有這方面的功能。高端的運(yùn)動(dòng)控制器如PMAC，可以通過(guò)硬件監(jiān)控編碼器或者光柵尺反饋回來(lái)的A、B相的上升沿的相位差是否正常來(lái)判斷進(jìn)入控制器比較環(huán)節(jié)的信號(hào)完美有否。如果發(fā)現(xiàn)異常就會(huì)即時(shí)告警，提示操作者即時(shí)排除干擾避免機(jī)床偏位。

3.4  控制器獨(dú)立運(yùn)行

以往的運(yùn)動(dòng)控制卡多是插在主機(jī)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(zhǎng)期工作，尤其機(jī)器震動(dòng)激烈時(shí)會(huì)產(chǎn)生通訊中斷的現(xiàn)象，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，于是就對(duì)控制器的獨(dú)立運(yùn)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(wèn)題，同時(shí)還避免了控制系統(tǒng)與PC機(jī)的共地問(wèn)題，使干擾信號(hào)不至于竄到電腦里影響主控程序的正常運(yùn)行，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。

控制器獨(dú)立運(yùn)行還為實(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)操控提供了可能，無(wú)人化工廠的概念也不再遙遠(yuǎn)。一旦實(shí)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(tái)電腦都可以控制和監(jiān)測(cè)機(jī)器。同樣，一臺(tái)電腦也可以操控多臺(tái)機(jī)床，具有極大的靈活性。

4        客戶端圖形控制界面的優(yōu)化

當(dāng)前在有些廠家的主管認(rèn)識(shí)上有個(gè)誤區(qū)：認(rèn)為只要能實(shí)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(guó)內(nèi)迄今為止也做不出高水準(zhǔn)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(jī)床領(lǐng)域，甚至在整個(gè)工控領(lǐng)域都是如此。要想改善這種局面，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)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(duì)于軟件工程思想的貫徹和應(yīng)用都很有限，嚴(yán)重落后于管理、財(cái)務(wù)、游戲以及通信行業(yè)。之所以如此，一方面是因?yàn)楣た仡I(lǐng)域的編程者多是學(xué)機(jī)械或者搞工藝出身，對(duì)于編程語(yǔ)言的駕馭和計(jì)算機(jī)技術(shù)的理解都比較粗糙，編寫(xiě)的軟件多數(shù)停留在比較初級(jí)的層面；而另一方面，掌握先進(jìn)編程技術(shù)的工程師又往往對(duì)硬件和控制這些概念比較模糊，無(wú)法將工藝過(guò)程和人機(jī)交互界面用很完善的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，借鑒其他領(lǐng)域開(kāi)發(fā)大中型軟件系統(tǒng)的模式來(lái)組建一個(gè)合理的團(tuán)隊(duì)，規(guī)劃者是行業(yè)內(nèi)的行家，實(shí)現(xiàn)者是計(jì)算機(jī)編程方面的高手，只有這樣才能做出精品，才能與國(guó)外系統(tǒng)相抗衡，才能保證軟件有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

4.2  數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)的軟件在保存數(shù)據(jù)、機(jī)器配置以及諸多工況信息時(shí)多采用文本文件或者INF文件的格式，數(shù)據(jù)量一大就沒(méi)法對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行有效的檢索和管理。為了實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的界面配置，動(dòng)態(tài)添加用戶，多語(yǔ)種切換，斷刀信息和操作信息的分類分時(shí)管理，簡(jiǎn)單的文本訪問(wèn)已經(jīng)不能滿足要求，于是如何利用小型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)組織管理數(shù)據(jù)就成了一個(gè)課題。筆者就采用了ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)DAO350的接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和操控，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理，徹底解決用二進(jìn)制或者ASCII碼文件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理時(shí)所帶來(lái)的不便。所以能否有效地利用這些先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，也是判斷一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的依據(jù)之一。

4.3  跨硬件平臺(tái)的體系架構(gòu)

國(guó)內(nèi)目前的的機(jī)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(dú)立發(fā)展，相對(duì)落后。沿海一系直接空降和效仿國(guó)外的技術(shù)，比較和國(guó)際同步。但是無(wú)論在那里,設(shè)備廠商都會(huì)根據(jù)客戶群需求的不同將產(chǎn)品市場(chǎng)細(xì)化，有的針對(duì)中低端市場(chǎng)，有的針對(duì)高端市場(chǎng)。由于對(duì)機(jī)器速度、精度的要求都不盡相同，所以在選擇運(yùn)動(dòng)控制部件時(shí)也有所不同，為了兼容各個(gè)廠家的不同需求，將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成跨主流硬件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)

很多開(kāi)發(fā)者對(duì)于界面的美觀和布局沒(méi)有給予足夠的重視，但是每每在大型行業(yè)展會(huì)上，自主開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)界面與SIEB&MEYER的CNC84系統(tǒng)一比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)根本不在一個(gè)層面上。另外國(guó)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(jī)械象限任意組合的64種情況的通盤(pán)考慮，刀徑檢測(cè)以及光點(diǎn)補(bǔ)償功能，各種方式的機(jī)械手取刀等等。國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者因?yàn)榉N種原因都不能做到功能如此完備，所以始終不能同國(guó)外系統(tǒng)相抗衡，究其原因，還是規(guī)劃不完善和開(kāi)發(fā)大型軟件經(jīng)驗(yàn)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(kāi)發(fā)者的實(shí)力的重要體現(xiàn)。

5        系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例

如圖3所示，這是筆者組織團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的一套高端的PCB鉆銑系統(tǒng)的主界面，為國(guó)內(nèi)首家同時(shí)支持位置、速度、力矩和直接PWM等四種電機(jī)控制模式的高檔數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)于鉆、銑兩種工藝的支持都日臻完善，不僅功能強(qiáng)大而且針對(duì)國(guó)人特點(diǎn)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(shuō)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(guò)程中大步前進(jìn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)毫不遜色于國(guó)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(guó)通過(guò)近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場(chǎng)打開(kāi)局面，形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)控制器的規(guī)模始終不能取得很好的突破，利潤(rùn)空間被擠壓，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步。為了突破這種局面，筆者避開(kāi)金屬加工領(lǐng)域的FANUC和SIEMENS這樣的國(guó)際巨頭，選擇了PCB鉆銑這個(gè)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(chǎng)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(jī)界面這兩個(gè)層面進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)突破，從軟件和硬件兩個(gè)層面仔細(xì)部署，并切實(shí)開(kāi)發(fā)出了一套在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)甚至外觀操控等都頗具水準(zhǔn)的數(shù)控系統(tǒng)，不僅做到快、準(zhǔn)、穩(wěn)，還要漂亮、方便，全方位地趕超國(guó)外同類產(chǎn)品。同時(shí)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