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高端PCB钻铣床控制系统的实现

Publish by :冰海 Date: 2014-8-22

摘要： 高端PCB钻铣床控制系统一直为德国的SIEB&MEYER公司所垄断，为打破这一局面，笔者在深入分析该类控制器的技术和市场现状后，给出了搭建高端控制系统的技术路线，并糅合软件工程思想、数据库技术以及世界顶尖的运动控制和伺服驱动技术来实现该项技术的突破，最后开发出一套高水准的PCB钻铣控制系统投入产业应用。

关键词：数控钻铣床；软件工程； PMAC；运动控制

中图分类号：TP23,TP8 文献标识码：B

高端的数控系统有别于一般的机床控制器，主要体现在更灵活开放的体系结构，更快的响应速度，更高的控制精度以及更趋人性化的界面功能等，也是制造业实现自动化、柔性化、集成化、网络化、数字化的关键^【3】。相对于中高端金属切削机床的数控系统被FANUC(日本)和SIEMENS(德国)垄断的既成现实，PCB（Printed Circuit Board印刷线路）板加工行业的高端数控系统是个比较现实的突破口，而电子和信息技术的飞速发展使得PCB行业长期看好，国产的高端数控系统有异军突起打破在多轴数控系统长期落后于德日之局面的可能^【5】。目前中国大陆和台湾地区的PCB专用机床设备部分发展很快，但是高端数控技术却是以进口德国SIEB&MEYER公司的CNC84系列产品为主，尽管各设备制造商从来没有放弃自主开发并取代CNC84系统的努力，然而始终不得要领。

为打破这种技术垄断的局面，笔者深入调查了目前PCB钻铣领域中控制器的市场和技术现状，分析造成这种差距的原因之所在，利用从业多年的行业积淀，同时触摸最先进的计算机和信息技术，打造出一款真正具有国际化水准的数控系统，期望在PCB板机械加工制程领域打破国外系统的垄断局面，进而逐步取缔国外同类产品，配给PCB钻铣床设备的生产厂家，应用于PCB板生产制程中钻孔和铣边两个重要环节（此两种设备占整条生产线投资的60%以上^【4】），使核心技术国产化，改善我国线路板行业生产设备长期处于国外厂家“组装车间”的尴尬局面，提升整个行业在产业链中所处的地位和盈利能力。

1高端钻铣床控制器的现状分析

PCB板的生产制造历经了从欧美向日韩，再向台湾，最后又逐渐向中国大陆过渡转移这样的一个历程。伴随着这个过程，线路板设备的生产厂家也呈现出同样的地域性，只是时间上有一定程度的滞后。因此走到今天，美国和欧洲的设备制造商逐渐走向衰落，取而代之的，是日本、台湾甚至中国大陆的后起之秀。当前高档钻机供应量约为年5000台左右，其中日本日立公司一家占到接近3成的市场份额（1300～1500台），台湾的东台（500～600台）、龙泽（约200台）、大量（约100台）、恩德等占了2～3成的份额，余下的则被没落的欧洲厂家和新兴的大陆厂家瓜分。在这些机床中，除了日立、台湾大量、瑞士的POSALUX(70～80台)和德国SCHMOLL(约600台)外，大多数的厂家的机床都配用了德国SIEB&MEYER公司的产品。

1.1 SIEB&MEYER公司的CNC84系统简介

随着最早的钻机生产厂家美国EXCELLON公司的衰落，给了位于德国汉堡的SIEB&MEYER公司绝好的机会，其在HITACHI（日立）公司的配合下将应用于PCB机械加工制程的数控系统推出并完善起来。随着德日关系的微妙变化最终SIEB&MEYER公司的产品与日立机器剥离开来并各自独立发展，CNC84系统是其最新的产品，具有强大的软件工艺和处理器技术，除了支持先进的实时通讯网络协议SERVOLINK外，还可以支持最新颖的电机控制模式，新型的基于交流永磁同步电机的全数字伺服控制系统，采用空间矢量控制方案。其位置控制系统由电流内环、转速环和位置外环组成。采用的算法由相应模块实现，包括：PARK变换模块、CLARK变换模块、反PARK变换模块、反CLARK变换模块、转速计算模块、位置计算模块、PI调节块、空间矢量PWM生成模块、电流前馈模块等。基于在整体工艺解决方案和控制技术领域的先进性，SIEB&MEYER的产品在生产实践中表现出了卓越的性能，其拳头产品CNC84系统尽管2005年初才开始投放市场，已经成为当下国际上最知名的钻机系统，功能强大，美观，目前大陆和台湾地区的主要高端钻机设备都是配用该系统，占整个PCB钻机系统的半壁江山，已经成为事实上的行业标准，也是国内外诸多同仁学习和超越的目标。

1.2 台湾和大陆的现况分析

台湾的情况相对简单，绝大多数设备生产厂家选配了SIEB&MEYER公司的产品。大陆的情况就稍显复杂，大体分为两种地域，三个层次。先说两种地域，也就是川系和沿海系。四川一带是国内最早发展线路板生产设备的，但是因为地理和技术上的双层闭塞，产品比较低档，基本不在高档机的统计之列。沿海一带主要是指珠三角地区，因为直接借鉴了欧美日的技术，起点很高，发展也快，出现了一批较有实力的设备生产厂家。

三个层次是按厂家产品的技术性能指标来划分的：第一层次的厂家或者完全选用CNC84系统，如台湾东台、龙泽，苏州VEGA，晋江麦雅等，或者采用两条腿走路的方案，即高端产品如六、七头机采用CNC84系统保证性能和功能，中低端产品如四头以下钻铣机则采用自主开发的简单系统来降低成本，典型的厂家如深圳的大族数控，大赢数控等；第二层次的厂家因不肯接受CNC84系统的高昂价格而自主开发系统，但该种系统仅能满足最简单的功能要求，许多智能化的功能和作业管理都没有实现，还基本停留在手工作坊级的产品阶段，无法对SIEB&MEYER公司的产品构成实质性的威胁，此类厂家如惠州天马，深圳强华，尽管机械部分做得相当不错，但是因为数控系统的不济，整机性能和价位也就打了折扣；第三层次是更低端的设备生产厂家，机械、电气和软件都是最低端的配置，生存在一个比较隐性的市场空间里，权威的机床统计数据中都没有体现，但是却是为数不少的存在。

综合国内外的情况，可见当前德国SIEB&MEYER公司的CNC84系统在业内尤其是高端设备数控领域是一枝独秀，于是也自然而然成了众人效仿的标杆和超越的对象。如果能自主开发出与CNC84系统技术水准相当的系统，再凭借人力成本和售后服务等方面的天然优势，除了可以和SIEB&MEYER争夺第一层次的客户外还可以争取和提升处于第二层次的厂家。

基于以上分析，笔者在深入研究CNC84系统架构和功能特点的基础上，针对PCB钻铣领域开发了一套具有较高水准的数控系统，下边对其架构进行简单阐述。

2 系统架构

2.1 系统结构说明

该控制系统采用上位机＋下位机＋网络I/O接口模块的结构，如图1所示。因为通过千兆以太网与下位机实现数据通讯，故对上位机没有特殊要求，根据工况可选工控机，普通PC甚至笔记本电脑。下位机实现实时运动控制、I/O管理、故障监测。专用运动控制器通过轴接口连接驱动器，输出模拟量信号，采集编码器/光栅尺反馈信号，实现闭环伺服控制、限位管理、原点、驱动报警、复位、报闸等信号，这部分关系到最终的速度精度等关键指标，可以选用国内固高公司的独立控制器或者美国DELTA TAU的著名的PMAC运动控制卡。现场网络I/O扩展模块实现断刀检测、刀具检测以及辅助输入输出功能等。

图1 系统结构图

Fig.1 System Architecture

2.2 软件功能模块

由图2可以看出，数控程序也相应地分为上位和下位两部分，其中上位程序实现参数设置、文件输入及转换、图形图像处理、现场监控等人机交互功能。在完成加工文件的解释并形成加工指令和刀具指令数据后开辟加工主线程将数据发送到下位程序。而下位的运动控制主程序则完成对实时性要求很高的轴控制和I/O管理等功能；检测线程在CPU的空闲时段运行，监测诊断系统状况并即时将系统状态显示在操作界面上。

图2 软件功能图

Fig.1 Software Function Diagram

以上两个部分的内容主要阐述了搭建系统的常规的软硬件方面的技术路线，仅仅如此还远远不够。要想真正搭建并开发出高档次的控制系统并希冀其可以与国外顶尖水平的控制器相抗衡还需要在控制方面和客户端人机界面部分狠下功夫。

3 控制方面的关键技术

目前国产系统所以在最终的整体效能上不及进口系统，很大程度是由以下几个因素造成的。而要克服这些不足，就要选用功能强大的运动控制卡，DELTA TAU公司的PMAC卡^{【6】【7】}无疑是最好的选择之一，其提供的关键功能正好契合了搭建高端系统的需求。

3.1 控制模式的选择

传统的国内设备厂家在低端设备都采用位置控制模式，这是一种靠板卡通道发脉冲来精确控制步进电机或者工作在位置模式下的伺服电机的方式，其响应速度和闭环特性都很差，甚至谈不上真正意义的闭环，从而无法发挥出机械系统的潜能。后来随着速度控制模式逐渐流行，从而大幅提升了电机控制的动态特性，也实现了真正意义上的闭环控制，机床的速度、精度都上了一个台阶。这两种电机控制方式是目前国内设备厂家的主流选择。

电机的力矩和直接PWM控制是欧美厂家所普遍采用的，在国内的应用基本还是空白的状态。这两种控制方式彻底屏弃位置模式的低响应特性，又克服了速度模式在调试PID参数时的冗长步骤导致的不确定性。由于力矩和直接PWM控制方式在控制模型上更简单直接，将速度环和电流环往控制卡侧转移，这将导致更高的响应性，同时对反馈环节的响应速度也有一定程度的提高，二者的合力将产生更高的性能是毋容质疑的。可惜到目前为之，国产的运动控制器还不能支持以上这两种先进的控制模式，在一定程度上限制了国产系统的发展。

3.2 系统辨识技术

目前国内的厂家在伺服系统和机械系统的对接方面认识还很不够，所以尽管选用了极好的部件来搭建机械系统却依旧不能获得理想的控制效果，就是因为对系统辨识的认识很模糊，不能最有效地协调好控制器和受控对象的关系。而如果想开发出高端控制器，就要尽可能提高伺服系统跟踪的快速性。而频带宽度越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。先进的控制器具有自动诊断系统带宽之能力，进而可以有选择地支持低通滤波器或者陷波滤波器，达到规避机床的固有频率（共振点）之目的，在一定程度上可以尽可能地发掘出机床之潜力而又能避免高速运动激发的机器震动对机床造成的伤害。

3.3 干扰抑制与防范

电磁干扰对机床最后加工精度的影响也是致命的，除了在线路布局、屏蔽、接地等方面采取积极措施抑制干扰外，干扰发生后的有效防范也是很重要的，但是目前绝大多数控制器都没有这方面的功能。高端的运动控制器如PMAC，可以通过硬件监控编码器或者光栅尺反馈回来的A、B相的上升沿的相位差是否正常来判断进入控制器比较环节的信号完美有否。如果发现异常就会即时告警，提示操作者即时排除干扰避免机床偏位。

3.4 控制器独立运行

以往的运动控制卡多是插在主机电脑的ISA或者PCI插槽上的，单边固定的金手指的接口形式在恶劣的工作环境下不太适合长期工作，尤其机器震动激烈时会产生通讯中断的现象，进而影响系统稳定性，于是就对控制器的独立运行提出了要求。采用网络通讯的方式有效的解决这样的问题，同时还避免了控制系统与PC机的共地问题，使干扰信号不至于窜到电脑里影响主控程序的正常运行，增强了稳定性。

控制器独立运行还为实现机床联网操控提供了可能，无人化工厂的概念也不再遥远。一旦实现联网并获得主控权，那么在该网段的任何一台电脑都可以控制和监测机器。同样，一台电脑也可以操控多台机床，具有极大的灵活性。

4 客户端图形控制界面的优化

当前在有些厂家的主管认识上有个误区：认为只要能实现功能，其他方面要求就可以打折扣。这种思想直接导致了国内迄今为止也做不出高水准的控制系统的局面。这种整体的落后不仅在PCB钻铣领域，在金属加工机床领域，甚至在整个工控领域都是如此。要想改善这种局面，笔者认为以下几个方面至关重要。

4.1 软件工程思想的应用

目前的大多数的工控产品对于软件工程思想的贯彻和应用都很有限，严重落后于管理、财务、游戏以及通信行业。之所以如此，一方面是因为工控领域的编程者多是学机械或者搞工艺出身，对于编程语言的驾驭和计算机技术的理解都比较粗糙，编写的软件多数停留在比较初级的层面；而另一方面，掌握先进编程技术的工程师又往往对硬件和控制这些概念比较模糊，无法将工艺过程和人机交互界面用很完善的编程语言来实现。解决这一矛盾的根本是将软件工程的思想贯彻到工业开发过程中，借鉴其他领域开发大中型软件系统的模式来组建一个合理的团队，规划者是行业内的行家，实现者是计算机编程方面的高手，只有这样才能做出精品，才能与国外系统相抗衡，才能保证软件有良好的可扩展性和可维护性。

4.2 数据库技术的应用

目前国内的数控系统的软件在保存数据、机器配置以及诸多工况信息时多采用文本文件或者INF文件的格式，数据量一大就没法对其内容进行有效的检索和管理。为了实现比较复杂的界面配置，动态添加用户，多语种切换，断刀信息和操作信息的分类分时管理，简单的文本访问已经不能满足要求，于是如何利用小型数据库来组织管理数据就成了一个课题。笔者就采用了ACCESS数据库，通过DAO350的接口对数据库进行管理和操控，从而可以实现对大量数据的动态管理，彻底解决用二进制或者ASCII码文件进行数据管理时所带来的不便。所以能否有效地利用这些先进的计算机技术，也是判断一个系统优劣的依据之一。

4.3 跨硬件平台的体系架构

国内目前的的机床设备厂商很多，大体分为川系和沿海一系，川系起步早但是技术独立发展，相对落后。沿海一系直接空降和效仿国外的技术，比较和国际同步。但是无论在那里,设备厂商都会根据客户群需求的不同将产品市场细化，有的针对中低端市场，有的针对高端市场。由于对机器速度、精度的要求都不尽相同，所以在选择运动控制部件时也有所不同，为了兼容各个厂家的不同需求，将控制系统设计成跨主流硬件平台的通用系统是必要的。

4.4 界面的美观以及复杂智能化功能的实现

很多开发者对于界面的美观和布局没有给予足够的重视，但是每每在大型行业展会上，自主开发的系统界面与SIEB&MEYER的CNC84系统一比较，就会发现根本不在一个层面上。另外国外系统一般智能化程度比较高，像断刀信息和操作信息的记录管理，8种文件象限和8种机械象限任意组合的64种情况的通盘考虑，刀径检测以及光点补偿功能，各种方式的机械手取刀等等。国内的系统开发者因为种种原因都不能做到功能如此完备，所以始终不能同国外系统相抗衡，究其原因，还是规划不完善和开发大型软件经验不足造成的。界面的美观以及各种功能的智能化程度也是开发者的实力的重要体现。

5 系统的开发应用实例

如图3所示，这是笔者组织团队开发出的一套高端的PCB钻铣系统的主界面，为国内首家同时支持位置、速度、力矩和直接PWM等四种电机控制模式的高档数控系统，对于钻、铣两种工艺的支持都日臻完善，不仅功能强大而且针对国人特点在操作的便捷性上狠下工夫，做到性能稳定可靠、界面人性化又不失美观大方，可以说是软件工程思想在工控领域的一次很好的应用。目前已经在产业化的推进过程中，各项性能指标毫不逊色于国外系统。

图3 DELTA钻铣控制系统界面

Fig.3 The Interface of DELTA

6 结论

中国通过近20年持续不断的技术攻关和市场培育，诞生了一批数控厂商，在中低端市场打开局面，形成了一定的市场规模；但在技术密集的中高端控制器市场，国产控制器的规模始终不能取得很好的突破，利润空间被挤压，研发体系不能支持可持续的技术进步。为了突破这种局面，笔者避开金属加工领域的FANUC和SIEMENS这样的国际巨头，选择了PCB钻铣这个稍显冷僻的领域，深入调研该领域控制器的技术和市场现状，给出了搭建高端控制器的技术路线。之后从核心的控制技术和人机界面这两个层面进行针对性的技术突破，从软件和硬件两个层面仔细部署，并切实开发出了一套在各项技术指标甚至外观操控等都颇具水准的数控系统，不仅做到快、准、稳，还要漂亮、方便，全方位地赶超国外同类产品。同时希望籍此摸索出一套冲破僵局的模式，供同行们借鉴