一、高端PCB鉆銑床控制系統架構

1.1 系統結構說明

PCB控制系統PCB控制采用上位機+下位機+網絡I/O接口模塊的結構。 由于是通過千兆以太網與下位機進行數據通訊，因此對上位機沒有特殊要求。 可根據工況選擇工控機、普通PC甚至筆記本電腦。 下位機實現實時運動控制、I/O管理和故障監控。 專用運動控制器通過軸接口連接驅動器，輸出模擬信號，采集編碼器/光柵尺反饋信號，實現閉環伺服控制、限位管理、原點、驅動報警、復位、剎車報警等信號。 這部分關系到最終的速度精度等關鍵指標。 可選擇國內固高公司的獨立控制器或美國DELTA TAU著名的PMAC運動控制卡。 現場網絡I/O擴展模塊實現斷刀檢測、刀具檢測和輔助輸入輸出功能。

1.2 軟件功能模塊

數控程序也相應地分為上下兩部分。 上位程序實現參數設置、文件輸入與轉換、圖形圖像處理、現場監控等人機交互功能。 加工文件解釋完成，形成加工指令和刀具指令數據后，打開主加工線程，將數據發送給下層程序。 下層運動控制主程序完成井道控制和I/O管理等實時性要求高的功能； 檢測線程運行在CPU空閑期，對系統狀態進行監測和診斷，并在操作界面上即時顯示系統狀態。

以上兩部分的內容主要描述了系統搭建的常規軟硬件技術路線，遠遠不夠。 要想真正打造和開發出高檔次的控制系統，并希望能與國外頂級控制器相抗衡，還需要在控制和客戶端人機界面上下功夫。

二、控制關鍵技術

目前國產系統最終的整體效果不如進口系統，這在很大程度上是由以下因素造成的。 要克服這些缺點，就需要選擇功能強大的運動控制卡。 DELTA TAU的PMAC卡無疑是最好的選擇之一。 它提供的關鍵功能恰好滿足構建高端PCB系統的需要。

2.1 控制方式的選擇

國內傳統設備廠商在低端設備上均采用位置控制方式。 這是一種利用PCB板卡通道發送脈沖，精確控制工作在位置模式下的步進電機或伺服電機的一種方式。 它的響應速度和閉環特性都很差，甚至不是真正的閉環，以至于無法發揮機械系統的潛力。 后來隨著速度控制方式的逐漸普及，電機控制的動態特性有了很大的改善，也實現了真正的閉環控制。 機床的速度和精度都達到了較高的水平。 這兩種電機控制方式是目前國內設備廠商的主流選擇。

電機的力矩和直接PWM控制被歐美廠商廣泛采用，國內應用基本空白。 這兩種控制方式完全摒棄了位置模式響應低的特點，克服了速度模式在調試PID參數時由于步長長帶來的不確定性。 由于轉矩和直接PWM控制方式在控制模型上更加簡單直接，速度環和電流環轉移到控制卡側，響應性更高，同時控制器的響應速度更快。 反饋環節也得到了一定程度的提升，所以兩者的合力會產生更高的性能。 遺憾的是，到目前為止，國產運動控制器還不能支持以上兩種先進的控制方式，一定程度上限制了國產系統的發展。

2.2 系統辨識技術

目前，國內PCB制造商對伺服系統與機械系統之間的聯系認識不足，因此即使選擇了優良的元器件來構建機械系統，仍然無法獲得理想的控制效果。 即由于對系統辨識的認識非常模糊，無法最有效地協調控制器與被控對象之間的關系。 如果要開發高端控制器，應盡可能提高伺服系統的跟蹤速度。 帶寬越大，速度越好。 伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行器慣性的限制。 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，以避開機床的固有頻率（共振點）。 在一定程度上可以最大限度地挖掘機床的潛力，避免高速運動激發的機床振動對機床造成的損壞。

2.3 干擾抑制與預防

電磁干擾對機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，干擾后的有效預防也很重要。 但是目前大多數控制器都沒有這個功能。 高端運動控制器，如PMAC，通過硬件監測編碼器或光柵尺反饋的A、B相上升沿相位差是否正常，來判斷進入控制器比較環節的信號是否完好。 如發現異常，立即報警，提示操作者立即排除干擾，避免機床跑偏。

2.4 控制器獨立運行

過去，大多數運動控制卡都是插在主機的ISA或PCI插槽中。 單一固定金手指的接口形式不適合長期在惡劣的工作環境下工作，尤其是機器劇烈震動時，會出現通訊中斷，影響系統的穩定性。 因此，需要控制器的獨立操作。 采用網絡通信的方法有效地解決了這個問題。 同時避免了控制系統與PC共地的問題，使干擾信號不會跑到電腦上影響主控程序的正常運行，增強了穩定性。

控制器的獨立運行也使得實現機床的網絡化控制成為可能，無人化工廠的概念不再遙不可及。 一旦網絡連接并獲得總控制權，網段內的任何計算機都可以控制和監視機器。 同樣，一臺計算機也可以控制多臺機床，具有很大的靈活性。

三、客戶端圖形控制界面優化

目前部分PCB廠家負責人有一個誤區，認為只要能實現功能，其他要求都可以打折扣。 這種思想直接導致了中國至今未能研制出高水平控制系統的局面。 這種整體落后不僅是在PCB鉆銑領域，在金屬加工機床領域，乃至整個工控領域都是如此。 為了改善這種狀況，筆者認為以下幾個方面至關重要。

3.1 軟件工程思想的應用

目前，PCB行業控制產品在軟件工程思想的實施和應用上受限，嚴重落后于管理、金融、游戲和通信行業。 一方面是因為工控領域的程序員大多是機械或工藝專業的學生，對編程語言和計算機技術的理解比較粗糙，所編寫的軟件大多停留在比較初級的水平； 另一方面，掌握高級編程技術的工程師往往對硬件和控制的概念模糊，無法用完美的編程語言實現工藝流程和人機交互界面。 解決這一矛盾的根本辦法是在產業發展過程中貫徹軟件工程思想，借鑒其他領域開發大中型軟件系統的模式，組建合理的團隊。 規劃者是行業專家，實施者是計算機編程專家。 只有這樣，才能做出高質量的產品，與國外系統競爭，并保證軟件具有良好的可擴展性和可維護性。

3.2 數據庫技術的應用

目前，國內數控系統軟件在保存數據、機床配置和大量工況信息時，大多采用文本文件或INF文件的格式，數據量大時無法對其內容進行有效的檢索和管理。 為了實現更復雜的界面配置，動態添加用戶，切換語言，對刀斷信息和操作信息進行分類分時管理，單純的文本訪問已經不能滿足要求，那么如何使用小型數據庫來組織管理 數據成為話題。 作者采用ACCESS數據庫，通過DAO350的接口對數據庫進行管理和控制，實現對大量數據的動態管理，徹底解決了二進制或ASCII文件數據管理帶來的不便。 因此，能否有效利用這些先進的計算機技術，也是判斷一個系統優劣的依據之一。

3.3 跨硬件平臺架構

目前，我國機床設備生產企業眾多，大致分為四川體系和沿海體系。 川系起步早，但技術自主發展，比較落后。 沿海第一系列直接空降、仿制國外技術，與國際比較同步。 但是，無論在哪里，設備制造商都會根據客戶群體的不同需求，對PCB產品市場進行細分，有的面向低端市場，有的面向高端市場。 由于對機器速度和精度的要求不同，運動控制元件的選擇也不同。 為了滿足各廠商的不同需求，需要將控制系統設計成跨主流硬件平臺的通用系統。

3.4 美觀的界面和復雜智能功能的實現

很多開發者【對PCB行業的美觀和布局沒有給予足夠的重視，但是在大型行業展會上將自研系統界面與SIEB&MEYER的CNC84系統進行對比時，發現根本不是一個檔次的 . 另外，國外的系統普遍智能化程度高，比如刀具斷裂信息和操作信息的記錄管理，8個文件象限和8個機械象限任意組合64例的統籌考慮，刀具直徑檢測是和光 點位補償功能，多種機械手對刀方式等。 由于種種原因，國內的系統開發商無法實現如此完備的功能，因此永遠無法與國外系統競爭。 究其原因，還是由于規劃不完善，缺乏開發大型軟件的經驗。 界面的美觀和各種功能的智能化也是開發者實力的重要體現。

四、結論

通過近20年的不斷技術突破和市場培育，我國造就了一批PCB數控制造企業，打開了中低端市場的局面，形成了一定的市場規模； 然而，在技術密集的中高端控制器市場，國產控制器的規模始終沒有取得很好的突破，利潤空間被擠壓，研發體系無法支撐可持續的技術進步。 為了突破這種局面，筆者在金屬加工領域避開了FANUC、SIEMENS等國際巨頭，選擇了PCB鉆銑這個稍微偏遠的領域，深入調研了控制器在該領域的技術和市場現狀 ，并給出了打造高端控制器的技術路線。 之后，我們從核心控制技術、人機界面等方面進行有針對性的技術突破，從軟硬件層面進行精心部署，有效開發了一套在各項技術指標乃至外觀控制上均達到高標準、不 既做到快速、準確、穩定，又美觀、方便，全面趕超國外同類PCB產品。 同時，我們希望能找出一套打破僵局的模式，供同行參考。