一、高端PCB鉆銑床控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

PCB控制系統(tǒng)PCB控制采用上位機(jī)+下位機(jī)+網(wǎng)絡(luò)I/O接口模塊的結(jié)構(gòu)。 由于是通過(guò)千兆以太網(wǎng)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此對(duì)上位機(jī)沒(méi)有特殊要求。 可根據(jù)工況選擇工控機(jī)、普通PC甚至筆記本電腦。 下位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、I/O管理和故障監(jiān)控。 專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)軸接口連接驅(qū)動(dòng)器，輸出模擬信號(hào)，采集編碼器/光柵尺反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制、限位管理、原點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)報(bào)警、復(fù)位、剎車(chē)報(bào)警等信號(hào)。 這部分關(guān)系到最終的速度精度等關(guān)鍵指標(biāo)。 可選擇國(guó)內(nèi)固高公司的獨(dú)立控制器或美國(guó)DELTA TAU著名的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡。 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)I/O擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)斷刀檢測(cè)、刀具檢測(cè)和輔助輸入輸出功能。

1.2 軟件功能模塊

數(shù)控程序也相應(yīng)地分為上下兩部分。 上位程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)置、文件輸入與轉(zhuǎn)換、圖形圖像處理、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等人機(jī)交互功能。 加工文件解釋完成，形成加工指令和刀具指令數(shù)據(jù)后，打開(kāi)主加工線程，將數(shù)據(jù)發(fā)送給下層程序。 下層運(yùn)動(dòng)控制主程序完成井道控制和I/O管理等實(shí)時(shí)性要求高的功能； 檢測(cè)線程運(yùn)行在CPU空閑期，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，并在操作界面上即時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

以上兩部分的內(nèi)容主要描述了系統(tǒng)搭建的常規(guī)軟硬件技術(shù)路線，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 要想真正打造和開(kāi)發(fā)出高檔次的控制系統(tǒng)，并希望能與國(guó)外頂級(jí)控制器相抗衡，還需要在控制和客戶端人機(jī)界面上下功夫。

二、控制關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)最終的整體效果不如進(jìn)口系統(tǒng)，這在很大程度上是由以下因素造成的。 要克服這些缺點(diǎn)，就需要選擇功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡。 DELTA TAU的PMAC卡無(wú)疑是最好的選擇之一。 它提供的關(guān)鍵功能恰好滿足構(gòu)建高端PCB系統(tǒng)的需要。

2.1 控制方式的選擇

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)備廠商在低端設(shè)備上均采用位置控制方式。 這是一種利用PCB板卡通道發(fā)送脈沖，精確控制工作在位置模式下的步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的一種方式。 它的響應(yīng)速度和閉環(huán)特性都很差，甚至不是真正的閉環(huán)，以至于無(wú)法發(fā)揮機(jī)械系統(tǒng)的潛力。 后來(lái)隨著速度控制方式的逐漸普及，電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)特性有了很大的改善，也實(shí)現(xiàn)了真正的閉環(huán)控制。 機(jī)床的速度和精度都達(dá)到了較高的水平。 這兩種電機(jī)控制方式是目前國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商的主流選擇。

電機(jī)的力矩和直接PWM控制被歐美廠商廣泛采用，國(guó)內(nèi)應(yīng)用基本空白。 這兩種控制方式完全摒棄了位置模式響應(yīng)低的特點(diǎn)，克服了速度模式在調(diào)試PID參數(shù)時(shí)由于步長(zhǎng)長(zhǎng)帶來(lái)的不確定性。 由于轉(zhuǎn)矩和直接PWM控制方式在控制模型上更加簡(jiǎn)單直接，速度環(huán)和電流環(huán)轉(zhuǎn)移到控制卡側(cè)，響應(yīng)性更高，同時(shí)控制器的響應(yīng)速度更快。 反饋環(huán)節(jié)也得到了一定程度的提升，所以兩者的合力會(huì)產(chǎn)生更高的性能。 遺憾的是，到目前為止，國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制器還不能支持以上兩種先進(jìn)的控制方式，一定程度上限制了國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)PCB制造商對(duì)伺服系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間的聯(lián)系認(rèn)識(shí)不足，因此即使選擇了優(yōu)良的元器件來(lái)構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)，仍然無(wú)法獲得理想的控制效果。 即由于對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)的認(rèn)識(shí)非常模糊，無(wú)法最有效地協(xié)調(diào)控制器與被控對(duì)象之間的關(guān)系。 如果要開(kāi)發(fā)高端控制器，應(yīng)盡可能提高伺服系統(tǒng)的跟蹤速度。 帶寬越大，速度越好。 伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對(duì)象和執(zhí)行器慣性的限制。 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)帶寬的能力，然后可以選擇性地支持低通濾波器或陷波濾波器，以避開(kāi)機(jī)床的固有頻率（共振點(diǎn)）。 在一定程度上可以最大限度地挖掘機(jī)床的潛力，避免高速運(yùn)動(dòng)激發(fā)的機(jī)床振動(dòng)對(duì)機(jī)床造成的損壞。

2.3 干擾抑制與預(yù)防

電磁干擾對(duì)機(jī)床最終加工精度的影響也是致命的。 除了在電路布局、屏蔽、接地等方面采取積極措施抑制干擾外，干擾后的有效預(yù)防也很重要。 但是目前大多數(shù)控制器都沒(méi)有這個(gè)功能。 高端運(yùn)動(dòng)控制器，如PMAC，通過(guò)硬件監(jiān)測(cè)編碼器或光柵尺反饋的A、B相上升沿相位差是否正常，來(lái)判斷進(jìn)入控制器比較環(huán)節(jié)的信號(hào)是否完好。 如發(fā)現(xiàn)異常，立即報(bào)警，提示操作者立即排除干擾，避免機(jī)床跑偏。

2.4 控制器獨(dú)立運(yùn)行

過(guò)去，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制卡都是插在主機(jī)的ISA或PCI插槽中。 單一固定金手指的接口形式不適合長(zhǎng)期在惡劣的工作環(huán)境下工作，尤其是機(jī)器劇烈震動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)通訊中斷，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 因此，需要控制器的獨(dú)立操作。 采用網(wǎng)絡(luò)通信的方法有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。 同時(shí)避免了控制系統(tǒng)與PC共地的問(wèn)題，使干擾信號(hào)不會(huì)跑到電腦上影響主控程序的正常運(yùn)行，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。

控制器的獨(dú)立運(yùn)行也使得實(shí)現(xiàn)機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化控制成為可能，無(wú)人化工廠的概念不再遙不可及。 一旦網(wǎng)絡(luò)連接并獲得總控制權(quán)，網(wǎng)段內(nèi)的任何計(jì)算機(jī)都可以控制和監(jiān)視機(jī)器。 同樣，一臺(tái)計(jì)算機(jī)也可以控制多臺(tái)機(jī)床，具有很大的靈活性。

三、客戶端圖形控制界面優(yōu)化

目前部分PCB廠家負(fù)責(zé)人有一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為只要能實(shí)現(xiàn)功能，其他要求都可以打折扣。 這種思想直接導(dǎo)致了中國(guó)至今未能研制出高水平控制系統(tǒng)的局面。 這種整體落后不僅是在PCB鉆銑領(lǐng)域，在金屬加工機(jī)床領(lǐng)域，乃至整個(gè)工控領(lǐng)域都是如此。 為了改善這種狀況，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面至關(guān)重要。

3.1 軟件工程思想的應(yīng)用

目前，PCB行業(yè)控制產(chǎn)品在軟件工程思想的實(shí)施和應(yīng)用上受限，嚴(yán)重落后于管理、金融、游戲和通信行業(yè)。 一方面是因?yàn)楣た仡I(lǐng)域的程序員大多是機(jī)械或工藝專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，對(duì)編程語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)技術(shù)的理解比較粗糙，所編寫(xiě)的軟件大多停留在比較初級(jí)的水平； 另一方面，掌握高級(jí)編程技術(shù)的工程師往往對(duì)硬件和控制的概念模糊，無(wú)法用完美的編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)工藝流程和人機(jī)交互界面。 解決這一矛盾的根本辦法是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中貫徹軟件工程思想，借鑒其他領(lǐng)域開(kāi)發(fā)大中型軟件系統(tǒng)的模式，組建合理的團(tuán)隊(duì)。 規(guī)劃者是行業(yè)專(zhuān)家，實(shí)施者是計(jì)算機(jī)編程專(zhuān)家。 只有這樣，才能做出高質(zhì)量的產(chǎn)品，與國(guó)外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)，并保證軟件具有良好的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)軟件在保存數(shù)據(jù)、機(jī)床配置和大量工況信息時(shí)，大多采用文本文件或INF文件的格式，數(shù)據(jù)量大時(shí)無(wú)法對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行有效的檢索和管理。 為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的界面配置，動(dòng)態(tài)添加用戶，切換語(yǔ)言，對(duì)刀斷信息和操作信息進(jìn)行分類(lèi)分時(shí)管理，單純的文本訪問(wèn)已經(jīng)不能滿足要求，那么如何使用小型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)組織管理 數(shù)據(jù)成為話題。 作者采用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)DAO350的接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)管理，徹底解決了二進(jìn)制或ASCII文件數(shù)據(jù)管理帶來(lái)的不便。 因此，能否有效利用這些先進(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。

3.3 跨硬件平臺(tái)架構(gòu)

目前，我國(guó)機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)眾多，大致分為四川體系和沿海體系。 川系起步早，但技術(shù)自主發(fā)展，比較落后。 沿海第一系列直接空降、仿制國(guó)外技術(shù)，與國(guó)際比較同步。 但是，無(wú)論在哪里，設(shè)備制造商都會(huì)根據(jù)客戶群體的不同需求，對(duì)PCB產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)行細(xì)分，有的面向低端市場(chǎng)，有的面向高端市場(chǎng)。 由于對(duì)機(jī)器速度和精度的要求不同，運(yùn)動(dòng)控制元件的選擇也不同。 為了滿足各廠商的不同需求，需要將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成跨主流硬件平臺(tái)的通用系統(tǒng)。

3.4 美觀的界面和復(fù)雜智能功能的實(shí)現(xiàn)

很多開(kāi)發(fā)者【對(duì)PCB行業(yè)的美觀和布局沒(méi)有給予足夠的重視，但是在大型行業(yè)展會(huì)上將自研系統(tǒng)界面與SIEB&MEYER的CNC84系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)根本不是一個(gè)檔次的 . 另外，國(guó)外的系統(tǒng)普遍智能化程度高，比如刀具斷裂信息和操作信息的記錄管理，8個(gè)文件象限和8個(gè)機(jī)械象限任意組合64例的統(tǒng)籌考慮，刀具直徑檢測(cè)是和光 點(diǎn)位補(bǔ)償功能，多種機(jī)械手對(duì)刀方式等。 由于種種原因，國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商無(wú)法實(shí)現(xiàn)如此完備的功能，因此永遠(yuǎn)無(wú)法與國(guó)外系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)。 究其原因，還是由于規(guī)劃不完善，缺乏開(kāi)發(fā)大型軟件的經(jīng)驗(yàn)。 界面的美觀和各種功能的智能化也是開(kāi)發(fā)者實(shí)力的重要體現(xiàn)。

四、結(jié)論

通過(guò)近20年的不斷技術(shù)突破和市場(chǎng)培育，我國(guó)造就了一批PCB數(shù)控制造企業(yè)，打開(kāi)了中低端市場(chǎng)的局面，形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模； 然而，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)模始終沒(méi)有取得很好的突破，利潤(rùn)空間被擠壓，研發(fā)體系無(wú)法支撐可持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步。 為了突破這種局面，筆者在金屬加工領(lǐng)域避開(kāi)了FANUC、SIEMENS等國(guó)際巨頭，選擇了PCB鉆銑這個(gè)稍微偏遠(yuǎn)的領(lǐng)域，深入調(diào)研了控制器在該領(lǐng)域的技術(shù)和市場(chǎng)現(xiàn)狀 ，并給出了打造高端控制器的技術(shù)路線。 之后，我們從核心控制技術(shù)、人機(jī)界面等方面進(jìn)行有針對(duì)性的技術(shù)突破，從軟硬件層面進(jìn)行精心部署，有效開(kāi)發(fā)了一套在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)乃至外觀控制上均達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)、不 既做到快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，又美觀、方便，全面趕超國(guó)外同類(lèi)PCB產(chǎn)品。 同時(shí)，我們希望能找出一套打破僵局的模式，供同行參考。