1陣列雙模式噴印平臺的設計

數控技術利用數字信號控制執行機構完成某種功能，實現自動化。隨著我國計算機技術的變革，微小型計算機數字控制CNC是當今制造高精度、高質量以及形狀復雜產品的基礎設施，屬于制造技術的關鍵環節。對于一般數控系統組織，運算器接收、運算、處理輸入裝置的指令或數據，并不斷向輸出裝置送出運算結果。控制器能根據指令控制運算器和輸出裝置來實現各種操作及控制整機的循環工作，使數控系統執行所要求的運動，其中伺服驅動把來自控制器的脈沖信號經過功率放大、整形后，轉換成執行部件的平移、進給或旋轉等運動，主要包括驅動裝置和執行結構兩大部分。驅動裝置由進給驅動單位電機、主軸驅動單元等組成，步進電機、直流和交流伺服電機是常用的伺服元件。執行機構根據控制器發出的指令信號，完成驅動裝置對系統旋轉和進給運動的控制。作為數控系統改進生產設備的實例，數字噴印技術是非接觸印刷技術的主流，以低廉的價格和精美的印刷質量越來越受到用戶的青睞。數字噴印吸收噴墨打印等新技術，墨水經過噴腔組件的小孔射出，噴印器在基材上方以高速度噴射墨水，同時晶體振蕩器高速縱向振蕩，使墨線分裂成一系列大小和間距相等的墨點，機器內部微處理器監視回饋的信號，隨著物體的移動，更多的墨點打在物體表面就形成了字符或圖線。經調研，市場上還沒有針對薄膜開關制造工藝而開發的專業噴印設備，部分生產廠家引入用于廣告噴印的噴墨打印設備進行面板的噴墨印刷，主要有2種：熱泡式噴墨打印機和平板式噴繪機。深圳某公司生產的熱泡式噴墨打印機，采用愛普生配件，底座同步，并采用步進交流電機和IC芯片控制模塊化。由于該打印機源于辦公打印機技術，墨量不厚，所以不能采用UV油墨，不能立體打印，且印制速度慢，無法滿足規模化生產。廣州某公司生產的平板噴印機，采用陶瓷壓電式工業高速Konic，XAAR等噴頭，由多色噴頭組成單模組，且UV光跟隨固化，可形成立體墨痕和噴印彩色圖案，但不能用于電路噴印。由于該打印機在制造中各工序對位困難，故不能完全滿足彩色面板、上電路、絕緣層、下電路的套印，工序切換速度慢，不符合一次流水套打的工藝要求。為了提高定位精度，采用計算機視覺定位技術、MARK高精度光學影像定位系統及圖像AOI技術，印制精細度達0.1mm，對位精度≤0.2mm。采用多噴頭陣列高速流水噴印技術，以4—12個噴頭為1組并行噴印，從而實現高速輸出。為消除噴頭間噴印干擾，對12個噴頭的噴印進行同步控制。采用2套獨立控制電路，分組傳輸，每組噴頭數不超過6個，從而能保證一般的4色彩油墨、金屬導電油墨、特色工藝油墨的噴印陣列。DSP的定位圓圖像采集及參數提取更進一步提高了定位精確度和噴印速度。設計的陣列雙模式噴印平臺基于數字控制器現場可編程門陣列（FPGA），DSP，PC及軟件，由程序協調操作FPGA等多芯片運作，同時解決數據分配、時分信號和信號優化等數據處理問題。在數控系統中可以利用FPGA處理接口板與上位主控板之間的數據傳輸，接收下位伺服的反饋信號，監測伺服電機的工作狀態。針對x，y，z和w方向的移動，利用可靠性、可編程多軸控制器構建精確位置控制系統。以PLC控制變頻電機為執行元件，通過RS-485通信實現驅動單元的遠程控制，提高系統的集成度與可靠性?；谝陨显O計和工藝，集成高速、柔性、精密配套技術以及制造工藝，利用數控系統的核心技術，噴印平臺簡化了傳統工藝流程，只需改變電氣參數就能完成不同的噴印任務，不需要為新產品的每一次改動而制作網版。設計的陣列噴印流水式裝置通過交錯及斜裝陣列組合模式，由12通道靜態噴頭陣列與4通道動靜雙模式噴印模組構造，雙模式構造能保證噴印清晰度和速度，解決縫接及拉線等問題。該裝置能快速完成維護和噴頭更換，提高了設備的靈活性和生產效率，其平臺抗震、抗干擾能力較好，符合IP54標準。

2陣列雙模式噴印平臺的控制模塊

2.1主要控制單元

作為一種典型的控制不同組合對象的多參數數控噴印平臺系統，既有平移、旋轉運動控制和圖像識別輔助控制，又有噴墨頭的溫度、流量等過程控制。為保證高速陣列多噴印頭的數據協調、時控合理，核心控制模塊采用WDM類設備驅動程序架構和MINIPort層間驅動協議，驅動程序用VC編寫和調試，使其達到4路USB準同步數據傳輸，時間關鍵幀技術保證操作系統達ms級響應。發揮硬件和軟件的開放性，實現數控系統和伺服控制系統間的通訊、加工代碼的自動生成、最佳模切順序和最短空程路徑。模塊化設計后則重點關注控制器、數據處理、I/O系統、驅動接口等子模塊，以上位機數控系統來擴展網絡控制系統，使用計算機數控系統與FPGA控制器完成接口驅動，控制模塊見圖2。噴印控制電路系統重點包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圓圖像采集及參數提取部分。采用現有控制技術的理論方法和技術條件，以FPGA嵌入式為主控制系統，FPGA有豐富的邏輯硬件資源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系統、硬件協處理器、接口系統、通信系統、存儲電路以及普通邏輯電路等功能子系統，能解決傳統寬幅噴印機對大量圖像數據在上下位機之間和系統內部傳輸速度的瓶頸。利用DSP實現復雜的電氣控制算法，提高對字車電機和走紙電機運動的精度控制，從而提高寬幅噴印機的噴印精度。系統還開發了FPGA的時鐘同步系統，在上位機獲取時間戳并通過FPGA硬件電路矯正晶振頻率的動態補償，實現數控系統的精確時鐘同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模塊、噴印數據處理模塊、噴頭驅動模塊、溫度控制模塊、驅動電壓調整模塊、噴印圖像存儲及糾偏模塊與DSP接口模塊等7部分。

2.2模組控制單元的數據處理

摘要：研究基于嵌入式的數控系統。采用單CPU架構進行設計，系統基于Linux和ARM，軟件平臺采用Linux，從而豐富了ARM處理器的片上資源。為滿足數控系統高精度控制需求，基于Xenomai對Linux完成了實時性改造，并對系統軟件結構進行設計，以確保數控系統功能的實現。

關鍵詞：Linux系統；嵌入式；數控系統；實現路徑

裝備制造業對數控機床的要求逐漸提高，設備總體功能和性能離不開高效的數控系統，嵌入式系統具備小型化、低功耗、穩定可靠等優勢，應用在數控系統中，可根據實際需要對計算機控制系統進行配置，實現智能控制、遠程控制、故障檢測等功能，作為數控機床的控制中樞，目前主流數控系統多采用單核ARM平臺，數控系統性能的提升受到單核處理器自身不足的限制，因此對于多核平臺的應用成為優化嵌入式數控系統的有效手段。

1現狀分析

數控系統的硬件平臺的構建目前多通過上位機同下位機協調工作的方式實現，上位機的主要功能在于代碼解釋、數據處理等，控制具體的運動以及采集信號則由下位機負責完成，但這種方式存在開發周期過長、成本較高，難以滿足經濟型數控系統的控制需求，隨著嵌入式微處理器的發展與完善，可在同一個處理器上完成所有的數控任務，同時通過外圍接口電路的設計，顯著簡化了數控系統的規范化研發過程，使系統具備較高的拓展性和穩定性［1］。

2系統設計

0.前言

計算機數控技術是一個國家制造業發展水平的標志。CAM和CNC的數據接口標準ISO6983(RS274D)協議,已經無法滿足數控系統的發展的需要,其局限性已日益暴露并影響數控系統的廣泛應用。因此,新的數據接口標準STEP-NC必然會取代舊的標準并且將給包括數控技術在內的整個制造業帶來革命性影響。本文提出的基于STEP-NC的開放式數控系統旨在以STEP統一表征CNC加工過程中涉及的全部信息,實現CAD、CAM和CNC之間的無縫連接,同時為數控系統提供完整的產品數據,更好地提高數控系統的開放性能。

1.STEP-NC概述

1.1ISO6983協議的缺點

隨著CAD/ACM系統和CNC系統性能的提高,ISO6983協議已經成為制約數控技術的智能化、集成化、網絡化發展的“瓶頸”,已遠不能滿足數控技術高速發展的需要,其缺點如下:(1)現場編程或修改非常困難,對于稍具復雜性的加工對象,G、M代碼一般需要事先由后處理程序生成,增加了信息流失或出錯的可能性;(2)G、M代碼只定義了機床的運動和開關動作,不包含產品數據的其它信息,因此CNC系統根本不可能獲得完整的產品信息,更不可能真正實現智能化;(3)從CAD/CAM系統到CNC系統的傳輸過程是單向的,難以支持先進制造模式;(4)由于覆蓋面太窄,廠商不得不開發各自的擴充功能和專有指令,造成不同控制系統之間互不兼容;(5)不支持基于樣條數據的五軸銑和高速加工;(6)生產準備時間長,生產效率低。

1.2STEP-NC的優點

0.引言

PLC以其可靠性高、邏輯控制功能強、體積小、適應性強和與計算機接口方便等優勢在工業測控領域廣泛運用,已大量替代由中間繼電器和時間繼電器等組成的傳統電器控制系統。近年來,PLC技術發展迅猛,新產品層出不窮。高端PLC不僅擅長開關量檢測和邏輯控制,而且能夠處理模擬信號、進行位置控制和回路控制,還可以連接各種觸摸屏人機界面并具有強大的網絡功能。高端PLC配備適當的位置控制單元和觸摸屏人機界面,并根據計算機集成制造系統(CIMS)或柔性制造系統(FMS)的具體要求,配置相應的網絡模塊或網絡單元,即可實現網絡互連,構成開放的數控系統。本文介紹一種基于OMRON高端PLC的磨削數控系統,這種數控系統裝備的位置控制單元可以實現兩軸聯動,并可根據實際需要,任意擴展控制軸數;觸摸屏人機界面可以根據操作需要靈活設計;還可通過DeviceNet、ControllerLink和TCP/IP協議單元進行多層次的網絡互連。這種數控系統目前已在3MZ2120磨床數控技術改造中獲得成功應用。

1.數控系統的開放特征與典型模式

開放式數控系統一般基于PC平臺,具有模塊化、標準化、平臺無關性、可二次開發和適應聯網工作等特征?；赑C平臺的開放式數控系統目前有3種典型模式。第一種為衍生型(專用NC+PC),在傳統CNC中插入專門開發的接口板,使傳統的專用CNC帶有PC的特點。此種模式是由于數控系統制造商不能在短期內放棄傳統的專用CNC技術而產生的折中方案,尚未實現NC內核的開放,只具有初級開放性;第二種為嵌入型(PC+NC控制卡),將基于DSP的高速運動控制卡(NC控制卡)插在PC的標準擴展槽中,由PC機執行各種非實時任務,NC控制卡處理實時任務。是目前基于PC平臺的開放式數控系統的主流;第三種為全軟件數控系統,PC機不僅能夠完成管理等非實時任務,也可以在實時操作系統的支持下,執行實時插補、伺服控制、機床電器控制等實時性任務。這種模式的數控系統實現了NC內核的開放和用戶操作界面的開放,可以直接或通過網絡運行各種應用軟件,是真正意義上的開放式數控系統。與PC平臺開放式數控系統相比,基于高端PLC的數控系統的開放性主要體現在網絡層面和系統擴充層面。高端PLC采用類似于PC的總線結構和面向操作的梯形圖語言編程,模擬量處理單元、位置控制單元、回路控制單元、網絡模塊或網絡單元等高端部件都有專用控制語句,具有系統構建靈活、擴充能力強、應用軟件設計便捷等優點。編程語言標準化和部件可互換性的不斷增強,現場總線技術和工業以太網絡標準的普遍采用,都使基于高端PLC的數控系統變得更加開放,將成為面向CIMS或FMS的設備層的重要組成部分。

2.基于高端PLC的磨削數控系統

2.1開關信號監測與邏輯控制

在數控系統中，多臺電機可以采用同步軸或串聯軸的方式虛擬為一個數控坐標軸。本文首先闡述了同步控制的概念和兩種不同的同步系統，同時還介紹了串聯控制概念以及使用預加負荷的方法來消除間隙。

在數控系統中，有時采用多臺電機聯動虛擬為一個坐標軸，來驅動機床坐標的運動。最常用的多電機驅動為同步(Synchronous)運動的形式，比如，要求兩臺以相同的速度和位移運動的電機帶動齒輪與齒條嚙合作為一個坐標軸運動。這樣的坐標軸被稱為“同步軸”，如圖1。同步技術被廣泛應用在數控技術中，比如大跨距龍門機床的龍門直線移動、大型三坐標測量機的雙柱直線移動，為保持運動的均勻，都需要兩個電機同步驅動。曲軸車床、曲軸磨床的雙頭工件夾持架，為保持加工時不扭搓工件，在作旋轉運動時也必需同步。

圖1同步軸

除此之外，為保證正確地加工出螺距相同的螺紋，車床在車螺紋時的主軸和進給軸必需同步。滾齒機的工作臺的分齒運動與滾刀的運動在滾齒時也必需同步、剛性攻絲的Z軸進給與主軸同步等，但這種同步是指多個電機的運動速度、位移之間成一定的關系，而不是相等的關系，對這種同步運動，本文不予討論。

實現同步一般有兩種方法。一是機械同步：同步系統由機械裝置組成。這種同步方法容易實現，但機械傳動鏈復雜，傳動件加工精度要求高，所需的零件多，難以更換傳動比，且占用的空間大。二是電伺服同步：同步系統由控制器、電子調節器、功率放大器、伺服電機和機械傳動箱等組成。所需機械傳動鏈簡單、調試方便、精度高、容易改變電子齒輪比。FANUC數控系統的電伺服同步功能對不同生產機械的要求可提供不同的配置，實現其同步要求。

在某些情況下，一個伺服電機驅動機械坐標軸轉矩不夠用，但改用一個更大的伺服電機又嫌體積或慣量過大，於是以兩個伺服電機取代一個伺服電機驅動機床的坐標軸，這種坐標軸被稱為串聯軸，如圖2所示。這樣由於兩個伺服電機以一個恒定的轉矩相互作用，或者通過預加負荷，在機床內部減少間隙。這就是所謂串聯控制(TandemControl)，是另一種多電機控制。

一、國內外數控系統發展概況

目前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數控系統為傳統的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環節，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環執行機構。在復雜環境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整，更無法通過反饋控制環節隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。由此可見，傳統CNC系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，對數控技術實行變革勢在必行。

二、數控技術發展趨勢

（一）性能發展方向

（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。（3）工藝復合性和多軸化。以減少工序、輔助時間為主要目的的一種復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數控技術軸，西門子880系統控制軸數可達24軸。（4）實時智能化。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。

（二）功能發展方向

傳統齒輪加工機床的運動關系復雜，以滾齒機(或蝸桿砂輪磨齒機)為例，在齒輪機床中存在著展成分度鏈、差動鏈、進給傳動鏈等。調整既復雜又費時。快速趨近、工進、快退的位置和距離都需要精心調試或試切才能完成，且需要的輔件多。

為了提高齒輪加工精度和加工效率，到了20世紀80年代以后，國內外開始對齒輪加工機床進行數控化改造和生產數控齒輪加工機床。特別是近年來，由于微電子技術的迅速發展和以現代控制理論為基礎的高精度、高速響應交流伺服系統的出現，為齒輪加工數控系統的發展提供了良好的條件和機遇。我們將齒輪加工系統分為全功能和非全功能兩大類。

差動掛輪箱

非全功能齒輪加工數控系統的結構

配這類數控系統的機床進給軸為數控軸，多采用伺服系統。由于80年代齒輪加工數控化剛開始起步，當時數控技術無法滿足齒輪加機床展成分度鏈的高同步性的要求,因此展成分度鏈和差動鏈仍為傳統的機械傳動。這種數控加工方式，調整比機械式齒輪加工機床要方便的多。它們可以通過幾個坐標軸的聯動來實現齒向修形齒輪的加工，省去了傳統加工修形齒輪所需要的靠模等裝置，提高了生產率和加工精度。但是這類齒輪加工數控系統屬經濟型數控系統，由于其展成分度鏈和差動鏈仍為傳統的機械式，齒輪加工精度取決于機械傳動鏈的精度。目前這種齒輪加工數控系統多用于對現有機械式齒輪加工機床的數控改造。

全功能齒輪加工數控系統的結構

1國內外數控系統發展概況

隨著計算機技術的高速發展，傳統的制造業開始了根本性變革，各工業發達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發，提出了全新的制造模式。在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。

長期以來，我國的數控系統為傳統的封閉式體系結構，CNC只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環節，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環執行機構。在復雜環境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數，無法在現場環境下根據外部干擾和隨機因素實時動態調整，更無法通過反饋控制環節隨機修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。由此可見，傳統CNC系統的這種固定程序控制模式和封閉式體系結構，限制了CNC向多變量智能化控制發展，已不適應日益復雜的制造過程，因此，對數控技術實行變革勢在必行。

2數控技術發展趨勢

2.1性能發展方向

(1)高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

1．引言

數控技術作為未來先進制造技術的核心內容之一，正在朝著開放化，網絡化，柔性化和智能化方向發展，數控裝備產品的設計制造和應用開發都日益顯示出基于開放接口標準的模塊形態。基于模塊和組件的系統構建策略更能體現產品設計制造過程中的人性化思想，每一個模塊都是一個有針對性應用領域的技術產品形式，是該領域技術原理，應用方案和實現形式的綜合體現，是其在數控加工環境下的具體應用，其設計理念和性能指標都體現數控加工技術的要求和市場應用的需求，這些充分體現設計者個性化的產品組件通過開放的標準接口形式有機的結合，組成了功能豐富性能完善的數控裝備產品。

數控技術是一個綜合性很強的技術學科，涉及系統控制，工業設計，機械結構，變頻調速，網絡通訊，信號分析等范圍很廣和適用性很強的技術領域，這些技術原理在工科學校的機電一體化教學中都有涉及，但在應用實踐上相對分散，目前只注重在數控操作技能上的能力培養，一系列的計算機輔助設計制造軟件也都是針對于這一目標，缺少一個貫穿于整個數控技術領域中的開發應用環境，來從系統規劃的高度和應用開發的層面來實施數控技術能力素質培養的目標。

正是針對于這一數控技術培養模式的局限性，本文建立了一個針對于整個數控技術應用開發領域一體化實驗平臺，采用組件和模塊的思想建立了一個集成的設計開發環境，實現從數控裝備產品規劃，方案選擇，運動算法和人機交互等各個環節的教學實踐活動，下面將從總體策略，結構特征，關鍵技術等幾個方面給予闡述。

2系統組建策略

2.1數控系統的組成

[摘要]伺服電機比步進電機性能更優越，隨著現代電機控制理論的發展，伺服電機控制技術成為了機床數控系統的重要組成部分，并正朝著交流化、數字化、智能化方向發展。

[關鍵詞]數控系統伺服電機直接驅動

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2008)0820116－01

近年來，伺服電機控制技術正朝著交流化、數字化、智能化三個方向發展。作為數控機床的執行機構，伺服系統將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發展歷程。本文對其技術現狀及發展趨勢作簡要探討。

一、數控機床伺服系統

（一）開環伺服系統。開環伺服系統不設檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數控裝置發出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程，采用步進電機作為驅動器件，機床的位置精度完全取決于步進電動機的步距角精度和機械部分的傳動精度，難以達到比較高精度要求。步進電動機的轉速不可能很高，運動部件的速度受到限制。但步進電機結構簡單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡單。所以開環控制系統多用于精度和速度要求不高的經濟型數控機床。