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首钻铣床 高端PCB钻铣床控制系统的实现

2022-01-06 23:56:32 时政

高端数控系统不同于一般机床控制器,主要体现在更灵活开放的架构、更快的响应速度、更高的控制精度和更人性化的界面功能等方面。也是制造业实现自动化、柔性化、集成化、网络化、数字化的关键为了打破技术垄断,笔者深入调研了当前PCB钻铣领域控制器的市场和技术现状,分析了造成这一差距的原因,并利用多年的行业积累,触摸最先进的计算机和信息技术,打造了具有国际标准的数控系统,期望打破国外系统在PCB加工工艺领域的垄断,进而逐步取缔国外同类产品。PCB钻铣床设备厂商应用于PCB生产过程中钻铣两个重要环节,使核心技术本土化,改善了我国电路板行业生产设备长期处于国外厂商“组装车间”的尴尬局面,提升了整个行业在产业链中的地位和盈利能力。。与高端金属切削机床数控系统被FANUC和SIEMENS垄断的现实相比,PCB加工行业的高端数控系统是一个现实的突破,而电子信息技术的快速发展让PCB行业长期乐观,国内高端数控系统异军突起,打破了多轴数控系统长期落后德日的局面PCB制造经历了从欧美到日韩,再到台湾省,最后到中国大陆的转变。伴随着这一过程,电路板设备的生产厂家也表现出同样的地域性,但在时间上存在一定的滞后性。因此,今天,美国和欧洲的设备制造商逐渐衰落,取而代之的是来自日本、台湾省甚至中国大陆的后起之秀。目前,高档钻机的供应量约为每年5000台,其中日本日立公司的市场份额接近30%,但不久前将其钻机业务出售。在过去的2013年,其表现不佳,东台、龙泽、大曲和台湾省恩德占了总数的3-40%,其余被欧洲厂商和新兴大陆厂商瓜分。在这些机床中,除了日立、台省大曲、瑞士POSALUX、德国SCHMOLL外,大部分厂家的机床都配备了德国SIEB &迈耶公司的产品。。目前,中国大陆和台湾省PCB专用机床发展迅速,但高端数控技术主要是从德国SIEB &迈耶公司进口CNC84系列产品。虽然各个设备厂商从未放弃自主研发和替代CNC84系统的努力,但还是跑题了。

1高端钻铣床控制器现状分析

1.1 CNC 84系统介绍

随着美国最早的钻机制造商EXCELLON的衰落,位于德国汉堡的SIEB &迈耶公司有很大的机会与日立公司合作,推出并完善应用于PCB加工过程的数控系统。随着德日关系的微妙变化,SIEB &迈耶的产品从日立机器中分离出来,独立开发。CNC84系统是其最新产品,拥有强大的软件技术和处理器技术。除了支持先进的实时通信网络协议SERVOLINK,它还可以支持最新颖的电机控制模式。基于交流永磁同步电机的新型全数字伺服控制系统采用空之间的矢量控制方案。其位置控制系统由电流内环、速度环和位置外环组成。算法由相应模块实现,包括PARK变换模块、CLARK变换模块、逆PARK变换模块、逆CLARK变换模块、转速计算模块、位置计算模块、PI调节模块、空矢量PWM生成模块、电流前馈模块等。基于在整体过程解决方案和控制技术领域的进步,SIEB &迈耶的产品在生产实践中表现出色。虽然其首款产品CNC84系统在2005年初才投放市场,但凭借强大的功能和美观的外观,它已经成为世界上最著名的钻机系统。目前,mainland China和台湾省的主要高端钻机设备都配备了该系统,占整个PCB钻机系统的一半。

1.2台湾省和Mainland China现状分析

台湾省的情况比较简单,大部分设备厂商都选择了SIEB &迈耶的产品。大陆的情况略显复杂,大致可以分为两个地区,三个层次。先说两种区域,即四川系统和沿海系统。四川是最早开发PCB生产设备的国家,但由于地理和技术双层闭塞,产品档次相对较低,基本不计入高档机统计。沿海地区主要指珠三角地区,因为直接借鉴欧美、日本的技术,起点很高,发展很快,涌现出一批实力更强的设备厂商。

根据厂商产品的技术性能指标划分三个等级:第一级厂商要么完全选择CNC84系统,如东台、龙泽、安德、苏州维加等。在台湾省,还是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,低端产品如四头以下的钻铣床采用自主研发的简易系统降低成本,典型厂家如深圳的数控;二级厂商因为拒绝接受CNC84系统的高价,自主研发了该系统。但是这种系统只能满足最简单的功能需求,很多智能功能和作业管理还没有实现。它基本上停留在手工作坊产品阶段,不能对SIEB &迈耶的产品构成实质性威胁。像惠州天马、深圳华强这样的厂家,虽然机械部分有一些特点,但是因为数控系统差,整机的性能和价格都打折扣;第三个层次是低端设备厂商,其机械、电气、软件都是最低端的配置,生活在一个相对隐蔽的市场空,这在权威机床统计中并没有体现出来,但却大量存在。

从国内外的情况来看,德国的西伯迈亚操作系统和世界上最著名的钻机系统都是强大和完善的。可见,德国SIEB &迈耶公司的CNC84系统在行业中脱颖而出,尤其是在高端装备数控领域,自然成为了大家争相效仿的标杆和超越对象。如果能自主研发出与CNC84系统技术水平相当的系统,依靠人工成本和售后服务的天然优势,不仅能与SIEB &迈耶争夺一级客户,还能争取和升级二级厂商。

基于以上分析,作者在深入研究各种控制器的体系结构和功能特点的基础上,开发了一套面向PCB钻铣领域的高级数控系统,并在下面对其体系结构进行了简要描述。

2系统架构

2.1系统结构描述

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。由于与下位机的数据通信是通过千兆以太网实现的,对上位机没有特殊要求,可以根据工作情况选择工控机、普通pc机甚至笔记本电脑。下位机实现实时运动控制、输入输出管理和故障监测。专用运动控制器通过轴接口与驱动器连接,输出模拟信号,采集编码器/光栅尺反馈信号,实现闭环伺服控制、极限管理、原点、驱动报警、复位、报闸等信号,这些信号关系到速度精度等最终关键指标,可选用国内高古公司的独立控制器或美国著名的PMAC运动控制卡DELTA TAU。现场网络I/O扩展模块实现断刀检测、刀具检测和辅助输入输出功能。

图1系统结构图

图1系统架构

2.2软件功能模块

从图2可以看出,数控程序也分为上下两部分,其中上程序实现了参数设置、文件输入转换、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,打开主加工线程将数据发送给下级程序。下层运动控制主程序完成轴控制和I/O管理功能,对实时性要求较高。检测线程在CPU 空空闲期间运行,监测诊断系统状态,并立即在操作界面显示系统状态。

图2软件功能图

图1软件功能图

以上两部分的内容主要从软件和硬件两个方面阐述了构建系统的常规技术路线,但远远不够。为了真正构建和开发一个高等级的控制系统,并希望它能够与国外的顶级控制器竞争,有必要在控制和客户端人机界面上付出巨大的努力。

3控制中的关键技术

目前国内系统在最终的整体效率上不如进口系统,这很大程度上是由以下因素造成的。要克服这些缺点,就要选择功能强大的运动控制卡。DELTA TAU PMAC卡 无疑是最佳选择之一,其关键功能恰好满足了构建高端系统的需求。

3.1控制模式的选择

传统的国产设备厂商在低端设备都采用位置控制方式,这是通过卡通道发送脉冲,精确控制步进电机或伺服电机工作在位置模式的一种方式。它的响应速度和闭环特性都很差,甚至连真正的闭环都提不上来,使得机械系统的潜力无法得到充分发挥。后来,随着速度控制方式越来越普及,电机控制的动态特性大大改善,实现了真正意义上的闭环控制,使机床的速度和精度达到了更高的水平。这两种电机控制方式是目前国内设备厂商的主流选择。

电机的转矩和直接PWM控制被欧美厂商广泛采用,在国内的应用基本是空白色。这两种控制方法完全摒弃了位置模式的低响应特性,克服了速度模式下调试PID参数时步骤冗长带来的不确定性。由于控制模型中转矩和直接PWM控制方式更简单直接,将速度环和电流环转移到控制卡侧会带来更高的响应性,同时反馈环节的响应速度也会有一定程度的提升。毫无疑问,两者的合力会产生更高的性能。遗憾的是,到目前为止,国产运动控制器还不能支持上述两种先进的控制模式,这在一定程度上限制了国产系统的发展。

3.2系统识别技术

目前国内厂商对伺服系统与机械系统的连接了解不够,即使选择优秀的零部件来搭建机械系统,也仍然无法得到理想的控制效果,因为他们对系统辨识的理解比较模糊,无法最有效地协调控制器与被控对象之间的关系。要想开发高端控制器,就要尽可能提高伺服系统的跟踪速度。带宽越大,速度越快。伺服系统的带宽主要受限于控制对象和执行器的惯性。惯性越大,带宽越窄。先进的控制器具有自动诊断系统带宽的能力,然后可以选择性地支持低通滤波器或陷波滤波器,以避免机床的固有频率。在一定程度上可以尽可能地发掘机床的潜力,避免高速运动激发的机器振动带来的损伤。

3.3干扰抑制和预防

电磁干扰对机床最终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,有效防止干扰也是非常重要的,但目前大多数控制器都没有这个功能。高端运动控制器,如PMAC,可以通过监测编码器或光栅尺反馈的A、B相上升沿相位差是否正常来判断进入控制器比较环节的信号是否完美。如果发现异常,会立即报警,提示操作人员立即排除干扰,避免机床跑偏。

3.4控制器独立运行

过去,运动控制卡大多插入主机的ISA或PCI插槽。单面固定金手指的接口形式不适合长期在恶劣的工作环境下工作,特别是机器剧烈振动时,会出现通讯中断,影响系统的稳定性。因此,需要控制器的独立操作。通过网络通讯的方式有效解决了这一问题,同时避免了控制系统与PC机之间的公共接地问题,使得干扰信号不会跑进PC机影响主控程序的正常运行,增强了稳定性。

控制器的独立运行也使得实现机床的网络化控制成为可能,无人化工厂的概念不再遥远。一旦网络连接并获得主控制,网段中的任何计算机都可以控制和监控机器。同样,一台计算机可以控制多台机床,具有很大的灵活性。

4.客户端图形控制界面的优化

目前一些厂家的主管在理解上有一个误区:认为只要能实现功能,其他要求就可以打折扣。这种思维直接导致了国内控制系统至今无法达到高水平的局面。这种整体落后不仅仅是在PCB钻铣领域,在金属加工机床领域乃至整个工控领域都是如此。为了改善这种情况,我认为以下几个方面非常重要。

4.1软件工程思想的应用

目前大多数工控产品在软件工程思想的实现和应用上受到限制,严重落后于管理、金融、游戏和通信等行业。究其原因,一方面是工业控制领域的程序员多为机械或手艺出身,对编程语言和计算机技术的理解相对粗糙,编写的软件大多停留在相对初级的水平;另一方面,掌握先进编程技术的工程师往往对硬件和控制的概念模糊不清,无法用完善的编程语言实现工艺流程和人机交互界面。解决这一矛盾的根本途径是在产业发展过程中贯彻软件工程的思想,借鉴其他领域开发大中型软件系统的模式,形成合理的团队。计划者是行业专家,实施者是计算机编程大师。只有这样,才能做出高质量的产品,才能与国外系统竞争,才能保证软件具有良好的可扩展性和可维护性。

4.2数据库技术的应用

目前国内数控系统的软件在保存数据、机器配置和诸多工况信息时,多采用文本文件或INF文件的格式,数据量大时内容无法有效检索和管理。为了实现更复杂的界面配置,动态添加用户,切换语言,通过分类分时的方式管理切割信息和操作信息,简单的文本访问已经不能满足要求,因此如何利用小型数据库来组织和管理数据成为了一个课题。作者使用ACCESS数据库,通过DAO350的接口对数据库进行管理和操作,实现了对大量数据的动态管理,彻底解决了使用二进制或ASCII码文件进行数据管理带来的不便。因此,这些先进的计算机技术能否得到有效利用,也是判断一个系统优劣的依据之一。

4.3跨硬件平台架构

目前国内机床设备生产厂家很多,大致分为四川系列和沿海系列。四川系列起步较早,但技术独立发展,相对落后。沿海系统直接空抛弃和模仿外国技术,进行国际比较和同步。但无论在哪里,设备厂商都会根据客户群体的不同需求细化产品市场,有的面向低端市场,有的面向高端市场。由于对机器速度和精度的要求不同,运动控制部件的选择也不同。为了满足不同厂商的不同需求,有必要将控制系统设计成一个跨主流硬件平台的通用系统。

4.4界面美观,实现复杂智能功能

很多开发者对界面的美观和布局不够重视。但是,当独立开发的系统接口与SIEB &迈耶的CNC84系统对比时,就会发现根本不在一个级别。此外,国外的系统一般都是高度智能化的,如切削信息和操作信息的记录管理,8个文件象限和8个机械象限任意组合的64种情况的统筹考虑,刀具直径检测和光斑补偿功能,各种机械手取刀等。由于各种原因,国内的系统开发人员无法实现如此完整的功能,因此无法一直与国外的系统竞争。原因是规划不完善,缺乏开发大型软件的经验。界面的美观和各种功能的智能化程度也是开发者实力的重要体现。

5系统开发及应用实例

如图3所示,这是笔者开发的一套高端PCB钻铣系统的主界面。是国内首款同时支持位置、速度、扭矩、直接PWM四种电机控制模式的高端数控系统。对钻铣工艺的支持日益增强。它不仅功能强大,还根据中国人的特点在操作的便利性上下了很大功夫,做到了性能稳定可靠,界面人性化又不失美观大方。可以说,软件工程思想在工业控制领域是一种很好的思想。目前,它在工业化进程中取得了长足的进步,其性能指标并不逊色于国外系统。

图3冰海科技DELTA系列钻铣控制系统界面

图3德尔塔的界面

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。

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