高端的數控系統有別于一般的機床控制器，主要體現在更靈活開放的體系結構，更快的響應速度，更高的控制精度以及更趨人性化的界面功能等，也是制造業實現自動化、柔性化、集成化、網絡化、數字化的關鍵【3】。相對于中高端金屬切削機床的數控系統被FANUC（日本）和SIEMENS（德國）壟斷的既成現實，PCB（Printed Circuit Board印刷線路）板加工行業的高端數控系統是個比較現實的突破口，而電子和信息技術的飛速發展使得PCB行業長期看好，國產的高端數控系統有異軍突起打破在多軸數控系統長期落后于德日之局面的可能【5】。目前中國大陸和***地區的PCB專用機床設備部分發展很快，但是高端數控技術卻是以進口德國SIEB&MEYER公司的CNC84系列產品為主，盡管各設備制造商從來沒有放棄自主開發并取代CNC84系統的努力，然而始終不得要領。

為打破這種技術壟斷的局面，筆者深入調查了目前PCB鉆銑領域中控制器的市場和技術現狀，分析造成這種差距的原因之所在，利用從業多年的行業積淀，同時觸摸最先進的計算機和信息技術，打造出一款真正具有國際化水準的數控系統，期望在PCB板機械加工制程領域打破國外系統的壟斷局面，進而逐步取締國外同類產品，配給PCB鉆銑床設備的生產廠家，應用于PCB板生產制程中鉆孔和銑邊兩個重要環節（此兩種設備占整條生產線投資的60%以上【4】），使核心技術國產化，改善我國線路板行業生產設備長期處于國外廠家“組裝車間”的尷尬局面，提升整個行業在產業鏈中所處的地位和盈利能力。

1高端鉆銑床控制器的現狀分析

PCB板的生產制造歷經了從歐美向日韓，再向***，最后又逐漸向中國大陸過渡轉移這樣的一個歷程。伴隨著這個過程，線路板設備的生產廠家也呈現出同樣的地域性，只是時間上有一定程度的滯后。因此走到今天，美國和歐洲的設備制造商逐漸走向衰落，取而代之的，是日本、***甚至中國大陸的后起之秀。當前高檔鉆機供應量約為年5000臺左右，其中日本日立公司一家占到接近3成的市場份額，但在不久前出售了其鉆床業務，剛剛過去的2013表現不佳，***的東臺、龍澤、大量、恩德等占了3～4成的份額，余下的則被歐洲廠家和新興的大陸廠家瓜分。在這些機床中，除了日立、***大量、瑞士的POSALUX（70～80臺）和德國SCHMOLL（由于日立的疲軟，2013年達到史無前例的1300臺）外，大多數的廠家的機床都配用了德國SIEB&MEYER公司的產品。

1.1 CNC84系統簡介

隨著最早的鉆機生產廠家美國EXCELLON公司的衰落，給了位于德國漢堡的SIEB&MEYER公司絕好的機會，其在HITACHI（日立）公司的配合下將應用于PCB機械加工制程的數控系統推出并完善起來。隨著德日關系的微妙變化最終SIEB&MEYER公司的產品與日立機器剝離開來并各自獨立發展，CNC84系統是其最新的產品，具有強大的軟件工藝和處理器技術，除了支持先進的實時通訊網絡協議SERVOLINK外，還可以支持最新穎的電機控制模式，新型的基于交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統，采用空間矢量控制方案。其位置控制系統由電流內環、轉速環和位置外環組成。采用的算法由相應模塊實現，包括：PARK變換模塊、CLARK變換模塊、反PARK變換模塊、反CLARK變換模塊、轉速計算模塊、位置計算模塊、PI調節塊、空間矢量PWM生成模塊、電流前饋模塊等。基于在整體工藝解決方案和控制技術領域的先進性，SIEB&MEYER的產品在生產實踐中表現出了卓越的性能，其拳頭產品CNC84系統盡管2005年初才開始投放市場，已經成為當下國際上最知名的鉆機系統，功能強大，美觀，目前大陸和***地區的主要高端鉆機設備都是配用該系統，占整個PCB鉆機系統的半壁江山。

1.2 ***和大陸的現況分析

***的情況相對簡單，絕大多數設備生產廠家選配了SIEB&MEYER公司的產品。大陸的情況就稍顯復雜，大體分為兩種地域，三個層次。先說兩種地域，也就是川系和沿海系。四川一帶是國內最早發展線路板生產設備的，但是因為地理和技術上的雙層閉塞，產品比較低檔，基本不在高檔機的統計之列。沿海一帶主要是指珠三角地區，因為直接借鑒了歐美日的技術，起點很高，發展也快，出現了一批較有實力的設備生產廠家。

三個層次是按廠家產品的技術性能指標來劃分的：第一層次的廠家或者完全選用CNC84系統，如***東臺、龍澤，恩德，蘇州VEGA等，或者采用兩條腿走路的方案，即高端產品如六、七頭機采用CNC84系統保證性能和功能，中低端產品如四頭以下鉆銑機則采用自主開發的簡單系統來降低成本，典型的廠家如深圳的大族數控；第二層次的廠家因不肯接受CNC84系統的高昂價格而自主開發系統，但該種系統僅能滿足最簡單的功能要求，許多智能化的功能和作業管理都沒有實現，還基本停留在手工作坊級的產品階段，無法對SIEB&MEYER公司的產品構成實質性的威脅，此類廠家如惠州天馬，深圳強華，盡管機械部分有些特點，但是因為數控系統的不濟，整機性能和價位也就打了折扣；第三層次是更低端的設備生產廠家，機械、電氣和軟件都是最低端的配置，生存在一個比較隱性的市場空間里，權威的機床統計數據中都沒有體現，但是卻是為數不少的存在。

綜合國內外的情況，德國西伯麥亞操作系統，世界最知名的鉆孔機系統， 功能強大，完美，德國西伯麥亞操作系統，世界最知名的鉆孔機系統， 功能強大，完美，可見當前德國SIEB&MEYER公司的CNC84系統在業內尤其是高端設備數控領域是一枝獨秀，于是也自然而然成了眾人效仿的標桿和超越的對象。如果能自主開發出與CNC84系統技術水準相當的系統，再憑借人力成本和售后服務等方面的天然優勢，除了可以和SIEB&MEYER爭奪第一層次的客戶外還可以爭取和提升處于第二層次的廠家。

基于以上分析，筆者在深入研究各家控制器架構和功能特點的基礎上，針對PCB鉆銑領域開發了一套具有較高水準的數控系統，下邊對其架構進行簡單闡述。

2 系統架構

2.1 系統結構說明

該控制系統采用上位機＋下位機＋網絡I/O接口模塊的結構，如圖1所示。因為通過千兆以太網與下位機實現數據通訊，故對上位機沒有特殊要求，根據工況可選工控機，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、故障監測。專用運動控制器通過軸接口連接驅動器，輸出模擬量信號，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、報閘等信號，這部分關系到最終的速度精度等關鍵指標，可以選用國內固高公司的獨立控制器或者美國DELTA TAU的著名的PMAC運動控制卡。現場網絡I/O擴展模塊實現斷刀檢測、刀具檢測以及輔助輸入輸出功能等。

圖1 系統結構圖

Fig.1 System Architecture

2.2 軟件功能模塊

由圖2可以看出，數控程序也相應地分為上位和下位兩部分，其中上位程序實現參數設置、文件輸入及轉換、圖形圖像處理、現場監控等人機交互功能。在完成加工文件的解釋并形成加工指令和刀具指令數據后開辟加工主線程將數據發送到下位程序。而下位的運動控制主程序則完成對實時性要求很高的軸控制和I/O管理等功能；檢測線程在CPU的空閑時段運行，監測診斷系統狀況并即時將系統狀態顯示在操作界面上。

圖2 軟件功能圖

Fig.1 Software Function Diagram

以上兩個部分的內容主要闡述了搭建系統的常規的軟硬件方面的技術路線，僅僅如此還遠遠不夠。要想真正搭建并開發出高檔次的控制系統并希冀其可以與國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界面部分狠下功夫。

3 控制方面的關鍵技術

目前國產系統所以在最終的整體效能上不及進口系統，很大程度是由以下幾個因素造成的。而要克服這些不足，就要選用功能強大的運動控制卡，DELTA TAU公司的PMAC卡【6】【7】無疑是最好的選擇之一，其提供的關鍵功能正好契合了搭建高端系統的需求。

3.1 控制模式的選擇

傳統的國內設備廠家在低端設備都采用位置控制模式，這是一種靠板卡通道發脈沖來精確控制步進電機或者工作在位置模式下的伺服電機的方式，其響應速度和閉環特性都很差，甚至談不上真正意義的閉環，從而無法發揮出機械系統的潛能。后來隨著速度控制模式逐漸流行，從而大幅提升了電機控制的動態特性，也實現了真正意義上的閉環控制，機床的速度、精度都上了一個臺階。這兩種電機控制方式是目前國內設備廠家的主流選擇。

電機的力矩和直接PWM控制是歐美廠家所普遍采用的，在國內的應用基本還是空白的狀態。這兩種控制方式徹底屏棄位置模式的低響應特性，又克服了速度模式在調試PID參數時的冗長步驟導致的不確定性。由于力矩和直接PWM控制方式在控制模型上更簡單直接，將速度環和電流環往控制卡側轉移，這將導致更高的響應性，同時對反饋環節的響應速度也有一定程度的提高，二者的合力將產生更高的性能是毋容質疑的。可惜到目前為之，國產的運動控制器還不能支持以上這兩種先進的控制模式，在一定程度上限制了國產系統的發展。

3.2 系統辨識技術

目前國內的廠家在伺服系統和機械系統的對接方面認識還很不夠，所以盡管選用了極好的部件來搭建機械系統卻依舊不能獲得理想的控制效果，就是因為對系統辨識的認識很模糊，不能最有效地協調好控制器和受控對象的關系。而如果想開發出高端控制器，就要盡可能提高伺服系統跟蹤的快速性。而頻帶寬度越大，快速性越好。伺服系統的帶寬主要受控制對象和執行機構慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。先進的控制器具有自動診斷系統帶寬之能力，進而可以有選擇地支持低通濾波器或者陷波濾波器，達到規避機床的固有頻率（共振點）之目的，在一定程度上可以盡可能地發掘出機床之潛力而又能避免高速運動激發的機器震動對機床造成的傷害。

3.3 干擾抑制與防范

電磁干擾對機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，干擾發生后的有效防范也是很重要的，但是目前絕大多數控制器都沒有這方面的功能。高端的運動控制器如PMAC，可以通過硬件監控編碼器或者光柵尺反饋回來的A、B相的上升沿的相位差是否正常來判斷進入控制器比較環節的信號完美有否。如果發現異常就會即時告警，提示操作者即時排除干擾避免機床偏位。

3.4 控制器獨立運行

以往的運動控制卡多是插在主機電腦的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境下不太適合長期工作，尤其機器震動激烈時會產生通訊中斷的現象，進而影響系統穩定性，于是就對控制器的獨立運行提出了要求。采用網絡通訊的方式有效的解決這樣的問題，同時還避免了控制系統與PC機的共地問題，使干擾信號不至于竄到電腦里影響主控程序的正常運行，增強了穩定性。

控制器獨立運行還為實現機床聯網操控提供了可能，無人化工廠的概念也不再遙遠。一旦實現聯網并獲得主控權，那么在該網段的任何一臺電腦都可以控制和監測機器。同樣，一臺電腦也可以操控多臺機床，具有極大的靈活性。

4 客戶端圖形控制界面的優化

當前在有些廠家的主管認識上有個誤區：認為只要能實現功能，其他方面要求就可以打折扣。這種思想直接導致了國內迄今為止也做不出高水準的控制系統的局面。這種整體的落后不僅在PCB鉆銑領域，在金屬加工機床領域，甚至在整個工控領域都是如此。要想改善這種局面，筆者認為以下幾個方面至關重要。

4.1 軟件工程思想的應用

目前的大多數的工控產品對于軟件工程思想的貫徹和應用都很有限，嚴重落后于管理、財務、游戲以及通信行業。之所以如此，一方面是因為工控領域的編程者多是學機械或者搞工藝出身，對于編程語言的駕馭和計算機技術的理解都比較粗糙，編寫的軟件多數停留在比較初級的層面；而另一方面，掌握先進編程技術的工程師又往往對硬件和控制這些概念比較模糊，無法將工藝過程和人機交互界面用很完善的編程語言來實現。解決這一矛盾的根本是將軟件工程的思想貫徹到工業開發過程中，借鑒其他領域開發大中型軟件系統的模式來組建一個合理的團隊，規劃者是行業內的行家，實現者是計算機編程方面的高手，只有這樣才能做出精品，才能與國外系統相抗衡，才能保證軟件有良好的可擴展性和可維護性。

4.2 數據庫技術的應用

目前國內的數控系統的軟件在保存數據、機器配置以及諸多工況信息時多采用文本文件或者INF文件的格式，數據量一大就沒法對其內容進行有效的檢索和管理。為了實現比較復雜的界面配置，動態添加用戶，多語種切換，斷刀信息和操作信息的分類分時管理，簡單的文本訪問已經不能滿足要求，于是如何利用小型數據庫來組織管理數據就成了一個課題。筆者就采用了ACCESS數據庫，通過DAO350的接口對數據庫進行管理和操控，從而可以實現對大量數據的動態管理，徹底解決用二進制或者ASCII碼文件進行數據管理時所帶來的不便。所以能否有效地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。

4.3 跨硬件平臺的體系架構

國內目前的的機床設備廠商很多，大體分為川系和沿海一系，川系起步早但是技術獨立發展，相對落后。沿海一系直接空降和效仿國外的技術，比較和國際同步。但是無論在那里，設備廠商都會根據客戶群需求的不同將產品市場細化，有的針對中低端市場，有的針對高端市場。由于對機器速度、精度的要求都不盡相同，所以在選擇運動控制部件時也有所不同，為了兼容各個廠家的不同需求，將控制系統設計成跨主流硬件平臺的通用系統是必要的。

4.4 界面的美觀以及復雜智能化功能的實現

很多開發者對于界面的美觀和布局沒有給予足夠的重視，但是每每在大型行業展會上，自主開發的系統界面與SIEB&MEYER的CNC84系統一比較，就會發現根本不在一個層面上。另外國外系統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種機械象限任意組合的64種情況的通盤考慮，刀徑檢測以及光點補償功能，各種方式的機械手取刀等等。國內的系統開發者因為種種原因都不能做到功能如此完備，所以始終不能同國外系統相抗衡，究其原因，還是規劃不完善和開發大型軟件經驗不足造成的。界面的美觀以及各種功能的智能化程度也是開發者的實力的重要體現。

5 系統的開發應用實例

如圖3所示，這是筆者組織團隊開發出的一套高端的PCB鉆銑系統的主界面，為國內首家同時支持位置、速度、力矩和直接PWM等四種電機控制模式的高檔數控系統，對于鉆、銑兩種工藝的支持都日臻完善，不僅功能強大而且針對國人特點在操作的便捷性上狠下工夫，做到性能穩定可靠、界面人性化又不失美觀大方，可以說是軟件工程思想在工控領域的一次很好的應用。目前已經在產業化的過程中大步前進，各項性能指標毫不遜色于國外系統。

圖3 冰海科技DELTA系列鉆銑控制系統界面

Fig.3 The Interface of DELTA

6 結論

中國通過近20年持續不斷的技術攻關和市場培育，誕生了一批數控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定的市場規模；但在技術密集的中高端控制器市場，國產控制器的規模始終不能取得很好的突破，利潤空間被擠壓，研發體系不能支持可持續的技術進步。為了突破這種局面，筆者避開金屬加工領域的FANUC和SIEMENS這樣的國際巨頭，選擇了PCB鉆銑這個稍顯冷僻的領域，深入調研該領域控制器的技術和市場現狀，給出了搭建高端控制器的技術路線。之后從核心的控制技術和人機界面這兩個層面進行針對性的技術突破，從軟件和硬件兩個層面仔細部署，并切實開發出了一套在各項技術指標甚至外觀操控等都頗具水準的數控系統，不僅做到快、準、穩，還要漂亮、方便，全方位地趕超國外同類產品。同時希望籍此摸索出一套沖破僵局的模式，供同行們借鑒。