（机械电子工程专业论文）电路板雕刻机数据处理及控制系统研发.pdf

摘要 摘要 电路板雕刻机是一平叶，软硬件互相结合的机电产品，它融合了数控技术、 c a d c a m 等重要工业技术，适应了科研机构或个人对制作小批量p c b 板的需求。 对于硬件部分，它通过控制x 、y 、z 方向的进给，以机械加工方式加工出电路板； 对于软件部分，采用基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控系统平台，给出“p c + 以太网接口转换卡”结构的运动控制方案。本文详细阐述了雕刻机软件的开发过 程。主要内容如下： 第一章介绍了p c b 线路板雕刻机和数控技术的发展现状，本课题研究目的和 意义，课题研究的内容和方法。 第二章介绍了基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控系统平台及其软硬件 结构，分析了雕刻机的功能需求，并根据功能需求设计了系统软件的总体结构， 将整个软件功能分成四个模块，并简单介绍了各功能模块的功能。 第三章详细阐述数据处理模块。主要介绍了g e r b e r 文件的读取和读取后的图 形显示实现方法，研究了加工路径的计算算法。 第四章介绍了人机交互模块的实现。首先说明操作模式和参数设置等人机交互 界面，然后详细说明三维仿真功能的实现过程。 第五章介绍运动控制模块和数据通信模块。运动控制模块主要介绍了数据采样 插补算法，数据通信模块主要介绍线程通信和总线通信的实现。 第六章对整个电路板雕刻机控制系统进行实例加工验证。 第七章对全文进行总结，对后续工作进行了展望。 关键词l电路板雕刻机；g e r b e r 文件；三维仿真；插补 a b s t r a c 丁 a b s t r a c t p c be n g r a v e ri sar e s u l to fm e c h t r o n i c sa n dt h ec o n j u n c t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，w i t hn ca n dc a d c a mt e c h n o l o g i e si n v o l v e d d i f f e r e n tf r o mg e t t i n gp c b b o a r di nc o r r u p tw a yw h i c hs u i tb a t c hp r o d u c t i o n ，t h i se n g r a v e rp r o d u c e sp c bb o a r di n m e c h a n i c a lw a yt h r o u g ht h ec o n t r o lo ft h ef e e dd i s t a n c ea n dv e l o c i t yo fx 、y 、za x e s r e f e r r i n gt ot h es o f t w a r e ，t h ep l a t f o r mf o rt h i ss u b j e c tu s et h eo p e nn cs y s t e mb a s e do n e t h e r m a ce t h e r n e tb u s p r e s e n tac o n t r o lr e s o l u t i o nw i t ht h es t r u c t u r eo f “p c + e t h e r m a ci n t e r f a c ec a r d ”t h i sp a p e r e x p a t i a t e t h e p r o c e s s o ft h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e r 1 1 1 ef n s tc h a p t e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fp c be n g r a v e rm a c h i n ea n dc n c t e c h o n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ，e x p l a i n sr e s e a r c ho b j e c t i v e sa n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ， p r o p o s e sr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hm e t h o d s n es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h ee t h e r m a ce t h e m e tb u s b a s e do p e nc n cs y s t e m p l a t f o r m a n di t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e a n a l y s i so ft h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h ee n g r a v i n gm a c h i n ea n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fs o f t w a r ei sg i v e n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a ln e e d s ，t h es o f t w a r ef u n c t i o n sw i l lb ed i v i d e di n t of o u r m o d u l e s t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l e g e r b e rf i l e sr e a da n d g r a p h i cd i s p l a y m e t h o da lei n t r o d u c e da n ds t u d yt h ep r o c e s s i n gp a t hc a l c u l a t i o n a l g o r i t h m 1 1 1 ef o u r t h c h a p t e rd e s c r i b e s t h ei n t e r a c t i v e m o d u l e f i r s to fa l l ，i n t r o d u c e d o p e r a t i n gm o d e sa n dp a r a m e t e r st h a ts u c hm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h e nd e t a i l e d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nc a p a b i l i t i e s 1 r h ef i f u lc h a p t e rd e s c r i b e sm o t i o nc o n t r o lm o d u l ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e m o t i o nc o n t r o lm o d u l ed e s c r i b et h ed a t as a m p l i n gi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，d a t a c o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o c u s e so nc o m m u n i c a t i o na n db u sc o m m u n i c a t i o nh r e a d i l l 山东大学硕十学位论文 i m p l e m e n t a t i o n t h es i x t hc h a p t e re x a m p l es h o w st h ee n t i r ec i r c u i tb o a r de n g r a v i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e m t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h i sp a p e ra n dp r o s p e c t st h ef o l l o w i n gr e s e a r c h k e yw o r d s ：p c be n g r a v i n gm a c h i n e ；g e r b e rf i l e ；t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n ； i n t e r p o l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 通常意义上说的电路板指的是印刷电路板( p c b p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 。印刷 电路板作为电子产品的核心角色，已经成为全球微电子制造业中最活跃最重要的 部分。2 0 0 1 年我国p c b 行业总产值为3 6 0 亿元，2 0 0 8 年达到1 1 8 3 亿元，8 年增 长了3 3 倒。电子工业技术的飞跃进步促进了印制电路板行业的巨大发展。 具体来说一块完整的电路板是由具有特定电气功能的元器件和连接这些元器 件的铜箔、焊盘、过孔等导电图件组成。加工电路板的目的就是将覆铜板上不需 要的铜除去。大批量的专业传统制板方法主要是光印法，主要分为三大步骤：第 一是曝光，将原稿样式曝光于感光板上：第二是显影，将已曝光的感光板利用显 影剂进行显影；第三是蚀刻，利用蚀刻液，将电路板其余的铜箔清除干净，剩余 的便是所设计的电路；最后是电镀孔。小批量的制板方法主要有手工雕刻法、手 工描绘法、贴图法、油印法、数控电路板雕刻机雕刻法【2 】。 手工物理方法比较费力，而且精度低。化学方法精度可控，但工艺相对复杂， 只适合大批量生产。而数控电路板雕刻机能够根据p r o t e l 的p c b 文件快速、自动、 精确地制作电路板，用户只需在计算机上完成p c b 文件的设计后传送给机器，机 器就能自动完成雕刻、钻孔、切边等功能，输出一块或多块符合条件的电路板， 其实质是一个小型的数控铣钻床，采用滚珠丝杠，驱动三轴步进电机联动加工。 由于具有高效、精确、方便、廉价和环保等优点，电路板雕刻机广泛应用于教 育领域、高等院校、科研单位、所有与电子相关行业、军队和工厂等各个领域。 1 2 电路板雕刻机发展现状及趋势 1 2 1 国外发展现状 上个世纪7 0 年代中期，德国工程师j u e r g e ns e e b a c h 先生开发出一种用机械方 山东大学硕十学位论文 法加工电路板的工艺和铣制深度限位装置，这项发明于1 9 7 6 年在世界范围内申请 了专利权，并且注册了l p k f 公司。目前为止，德国l p k f 公司仍是该领域的领头 羊，生产l p k fp r o t o m a t 系列雕刻机，有了不少市场分额。它们的机子，硬件比 较成熟，p c b 加工的各利，参数都比国内要好很多，例如快移速度和加工进给速度。 最小线距无疑是最有竞争力的参数，l p k f 的最小线宽线距可以达到4 m i l ，工作平 稳、噪声小，外表美观也是它的优点。其中顶级机型p r o t o m a th 1 0 0 装备了3 0 刀 位自动换刀系统，具有自动刀具校准功能，电路板翻转自动定位功能和内置真空 吸附工作台，加工精度可达1 “m ，可加工出导线宽度为3 1 m i l ，间距4 m i l 的电路 图，自动化程度、精确度、加工速度和加工质量都是其它机型望尘莫及的【3 】。但是 它价格比国内要高很多。国产的价格在3 4 万，而德国的几款都在6 万元以上。 与电路板雕刻机配套的c a d c a m 软件也发展很快，这些数控雕刻软件大多 具有平面轮廓切割、区域加工、三轴加工等功能1 4 j 。目前国外的p c b 雕刻机的主 要优势和特点是普遍采用较先进的控制技术；雕刻机加工精度高、速度快、质量 好；具有自检自控功能；工作台面移动采用气垫加磁浮，确保工作台面不划伤； 电主轴头数多，幅面大；具有多种编程能力。 1 2 2 国内发展现状 在国内，对于电路板雕刻机的研发制造起步要晚于国外2 0 年，但是近几年发 展也比较迅速。主要成品有台湾禾字精密科技股份有限公司研发生产的e p 系列电 路板雕刻机，广东中月电子有限公司的各类电路板雕刻机，济南奥迈电子设备有 限公司生产的a m 系列p c b 雕刻机。 雕刻机的硬件平台所使用的微处理器经历了几代，开始以8 位单片机为内核， 后发展为以d s p 为内核，到后来的“p c 机+ 运动控制卡”。采用8 位单片机设计简 单、价格低廉，但是性能低、功能单一、实用性不强。采用d s p 为内核具有较强 的性能和效率，但是无法满足人机交互界面和网络等方面要求。采用“p c + 运动控 制卡”具有较好的实时性，但是产品缺少柔性。软件平台方面，一部分高端产品 开始利用嵌入式操作系统，如w m d o w sc e 等。现在的控制系统多发展为全软件型 2 第1 章绪论 开放式数控系统，c n c 软件全部存在于p c 机中，而硬件部分仅仅是p c 机与驱动 器和外部i o 之间的标准化通用接口【5 1 。 本课题为奥迈电予设备有限公司研发的电路板雕刻机采用全软件型数控系统， 可实现钻孔、隔离、镂宅、局部镂空、割边等全部功能，可实现正反面加工，具 有1 0 刀位自动换刀系统，刀具自动对刀长度补偿功能，摄像头监控定位功能和三 维仿真功能，能够识别多种p c b 绘图软件生成的g e r b e r 文件，就复杂的电路板图 形生成加工路径，加工前的路径预览和加工过程中的实时路径显示，加工精度达 到o 0 0 1 r a m ，最小线宽线距达到6 r a i l ，钻孔速度达到1 0 0j ：l m i n ，自动化程度、 加工精度速度和加工质量都已非常优秀。 1 2 3 电路板雕刻机发展趋势 电路板雕刻机具有广阔的市场，作为p c b 板加工的关键设备之一，其性能的 完善和提高势在必行，未来电路板雕刻机大致朝着以下几个方向发展f 6 】： 1 高速度、高精度、高可靠性 随着电子产品的小型化、微型化发展趋势，电路板导通孔孔径、线宽和线距达 到0 1 m m ，这就要求雕刻机的定位精度、重复定位精度和最小孔径加工能力都要 提高一个档次。电子市场的敏捷性特点要求厂家在规定的很短的时间内( 一般2 3 天) 交货，而且不允许经常出毛病，以免贻误商机，这就要求电路板加工的高速 度、高可靠性。 2 系统集成化、柔性化程度高 集成化、柔性化是指将一系列离散型的必备过程整合成连续有机的过程，适应 现代制造业的基本理念。这就要求雕刻机数控系统不仅能够完成常规加工功能， 而且还能够具有自动换刀、自动测量、自动诊断、自动误差补偿和联网功能，特 别是能够根据客户不同需要而灵活配置及集成i7 1 。 3 系统智能化程度高 所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工 速度和效率的物理量进行检测、模拟、提取特征，自动感知加工系统的内部状态 互 山东大学硕十学佗论文 和外部环境，快速做出实际最佳l 1 标的智能决策，对进给速度、背吃刀量、坐标 移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。它 主要包括在数控系统中引入自适应控制技术，设置故障自诊断功能，具有人机对 话自动编程功能和应用图像识别和声控技术1 8 j 。 4 控制体系结构越来越开放 只有开放的体系结构才能有更好的实用性，并方便向扩展性、适应性、智能化、 网络化方向发展，才能适应个性化普及的市场需求。 5 市场个性化和敏捷性要求越来越高 消费的差异化、个性化是数控产品必须考虑的一个环节。现代产品的评价体系 已经从产品本身的质量和标准转换到市场对产品的最大满意程度上来【9 j 。 1 3 数控系统发展现状 雕刻机控制系统实际上是一个三轴数控系统，数控系统作为先进制造技术的基 础和核心，以前所未有的深度和广度深刻影响着制造业领域的发展方向，正给制 造业带来革命性的变化。 自从1 9 5 2 年美国第一台数控铣床问世，至今经历的将近6 0 个年头里经历了几 代的发展，现在数控系统正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方 向发展，其中最主要的趋势是开放式数控系统。 i e e e 定义开放式系统为：能够在不同厂商的多种平台上运行，可以和其他系 统的应用程序互操作，并且能够给用户提供一致的人机交互方式【1 0 1 。开放式数控 系统具有以下基本特征【1 1 1 3 1 ： ( 1 ) 可移植性。系统功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机 理和交互模型使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的 设备接口伎各功能模块能运行于不同的供应商提供的硬件平台上。 ( 2 ) 可互换性。构成系统各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制， 可根据其可靠性、性能和功能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。 ( 3 ) 可互操作性。通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块能以 4 第1 章绪论 标准的应用程序接u 运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，实现协调 工作。 ( 4 ) 可扩展性。系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，即可以增加硬件 或软件构成功能更强的系统，也可以裁剪其功能以适应低端应用。 开放式数控系统具有传统数控系统无法比拟的优势，是当前数控技术发展的主 要趋势。计算机技术的快速发展为数控系统的开放奠定了基础，数控技术融入计 算机技术并随着计算机技术的迅速发展而快速发展。p c 化的数控系统根据其结构 形式可以划分为以下几类【1 4 】： ( 1 ) n c 嵌入p c ”结构 这种系统的基本结构为“p c + 运动控制卡”。它以工业p c 为主控计算机，组件 采用商用标准化模块，多轴运动控制器为从机，总线采用p c 总线形式，进而构成 主从分布式结构体系。这种数控系统只是实现了有限的开放，还保留不少专用系 统的痕迹，开放性不足，开发环境和支持手段也不足【5 1 。 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构 这种系统的基本结构为“c n c + p c 主板”。把一块p c 主板插入传统的c n c 控 制器，p c 板完成一些诸如网络通讯等非实时控制任务，c n c 控制器完成插补、p l c 时序逻辑控制和位置控制等实时控制任务。这种系统的人机界面和非实时控制部 分的定制是开放的，但其核心部分运动控制和伺服控制是由专用控制芯片完成的， 仍是封闭的，还没有达到完全开放。 ( 3 ) 全软件型开放式数控系统 这种系统是一种最新的开放式数控体系结构，他的c n c 软件全部存在于p c 机中，而硬件部分仅仅是p c 机与驱动器和外部i o 之间的标准化通用接口。这种 数控系统中的p c 机在实时操作系统的管理下，可以以软件控制的方式完成插补运 算、p l c 控制和进给控制等实时任务，还能够完成人机接1 3 、文件管理和网络通 信等非实时任务。用户可以在特定平台上( 如w i n d o w sc e 、l i n u x ) 利用开放的 内核开发所需要的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统【1 6 】。全软件型数控 系统是开放式数控系统的一个里程碑。 s 山东大学硕十学位论文 目前，世界上已开展了多个关于开放式数控系统的研究，其中比较著名的有美 国的n g c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计划，日本的o s e c 计划。它们产生 了各自规范的控制系统。尽管研究的侧重点有所不同，但他们有一些相同的设计 思想和实现技术。 1 4 课题研究内容和意义 1 4 1 研究内容 本文对开放式数控系统进行了研究，并将其应用到电路板雕刻机控制系统中。 本课题的控制系统采用“p c + 以太网接口转换卡”的控制方案，以太网接口卡负责提 供定时时钟和信号的转换，上位机软件负责完成全部控制功能，两者互相配合， 共同完成电路板雕刻机的自动加工控制。其中上位机软件是本课题的重点。 本课题的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 在分析国内外典型开放结构控制器体系结构的基础上，为电路板雕刻机控 制系统搭建一种基于e t h e r m a c ( e t h c m e tf o rm o t i o nc o n t r 0 1 ) 以太网总线的开放 式数控平台。 ( 2 ) 详细分析雕刻机控制系统的结构特点、运动特点和功能需求。根据雕刻机 控制系统的功能需求，对其人机交互模块、数据处理模块、运动控制模块和数据 通信模块进行分析研究，给出设计思路和方法。 ( 3 ) 读取g e r b e r 文件。电路板设计有多种c a d 软件，他们都可以导出标准的含 有整个电路板的线路和孔径信息的g e r b e r 文件。本课题设计的雕刻机需要读取各 c a d 软件生成的g e r b e r 文件并将其表示的线路图形显示出来。 ( 4 ) 入机交互界面开发。人机交互是负责人与设备交换信息的模块。通过一个 友好、简洁的用户界面，用户可以更容易了解雕刻机功能，熟悉控制系统，根据 界面显示的提示信息进行正确操作。同时为了更方便直观的观察线图显示和加工 运动过程，设计开发三维仿真模块。 ( 5 ) 加工路径计算和规划。读取g e r b e r 文件后显示的是电路板的原始线路图， 6 第1 章绪论 而实际加工中的钻孔、隔离、镂窄等加工工艺需要提前计算出加工路径，为了提 高加工效率还需要对加工路径进行优化。 ( 6 ) 插补算法研究。插补是数控系统一个极其重要的模块，其算法选择直接影 响系统精度、速度及加工能力。目前普遍应用的算法可分为两类：一类是脉冲增 量插补；另一类是数据采样插补。本文采用数据采样插补算法。 ( 7 ) 最后在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 开发环境下，采用c j | 语言对控制系统进 行软件开发，并对其进行系统调试和实际加工测试，验证研究结果的正确性。 1 4 2 研究意义 在全球经济飞速发展的带动+ f ，p c b 产业正以惊人的速度飞速发展，2 0 1 0 年 全球的p c b 总产值将由2 0 0 5 年的4 0 0 亿美元上升到5 3 7 亿美元，比2 0 0 5 年增加 3 4 2 5 ，其中欧美的产值基本不变，增长的动力主要来源于亚洲。我国p c b 总产 值也将从2 0 0 5 年的9 3 9 6 亿美元上升到2 0 1 0 年的1 7 9 亿美元，增长近9 0 ，年增 长速度超过两位数。巨大的p c b 产值必将带动电路板雕刻机同样有广阔的市场和 发展潜力。 目前德国生产的电路板雕刻机代表世界最高水平，我国近二十年在电路板雕刻 机领域发展也很迅速，但是和德国的相比还是有不少差距。国内研发的电路板雕 刻机自动化程度还不高，很多还需要手动换刀，加工精度和速度都较低。本课题 研发的电路板雕刻机采用山东大学数控技术中心自主研发的基于e t h e r m a c 以太 网总线的开放式数控系统平台，控制系统除了能够实现电路板雕刻的基本功能外， 还具有l o 刀位自动换刀系统，刀具自动对刀长度补偿功能，摄像头监控定位功能 和三维仿真功能，重复定位精度达到0 0 0 1 m m ，最小线宽线距达到6 r a i l ，钻孔速 度达到1 0 0 孔分钟，自动化程度、加工精度速度和加工质量有较大改善和提高， 对于提高我国在该行业的竞争力具有较大意义。 7 山东大学硕+ 学位论文 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题的背景，然后通过介绍电路板雕刻机的发展现状和趋势， 分析了现在我国自主研发的电路板雕刻机和国外知名品牌的差距和发展方向。由 于电路板雕刻机控制系统本身就是一个数控系统，所以介绍了数控技术的发展现 状。最后阐述了课题的研究内容、研究方法和研究意义。 3 第2 章数控平台介纲及软件系统总体设计 第2 章数控平台介绍及软件系统总体设计 前面介绍了开放式数控系统的特点，并介绍了几利，基于p c 的开放式数控结构 形式。在此基础上本章对基于p c 的开放式数控系统进行改进，采用e t h e r m a c 以 太网总线技术来搭建运动控制平台，并应用于电路板雕刻机控制系统中。本章还 要根据雕刻机的功能需求搭建系统软件结构。 2 1 基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控系统平台 2 1 1e t h e r m a c 以太网总线技术 传统的控制系统主要采用“p c + 运动控制卡”【1 7 】或“p l c + f 硅摸屏f 1 8 】的形式 进行控制。前者运动控制功能由运动控制卡实现，实现起来比较容易，但其可扩 展性取决于底层运动控制卡的开放程度。同时运动控制卡必须插在p c 插槽内，电 器箱与操作台之间不能分离太远，给装箱与布线带来困难。后者由于在p l c 中实 现复杂的多轴联动控制算法比较困难，难以实现最佳的复杂控制算法，开发难度 大：设备层总线互联技术的发展，在系统体系结构上为控制系统的开放性、模块 化、可升级、可扩展提供了可能1 9 2 0 】。 目前在工厂自动化和过程自动化领域中，现场总线是现场级通信系统的主流解 决方案。不过随着技术的不断进步和发展，传统现场总线越来越多的表现出了其 本身的局限性。一方面随着现场设备智能化程度的不断提高，控制越来越分散， 分布在工厂各处的智能设备之间以及智能设备和工厂控制层之间需要连续的交换 控制数据，这使得现场设备之间数据的交换量飞速增长；另一方面企业希望能够 将底层的生产信息整合到统一的全厂信息管理系统中。基于这种需求，以太网技 术开始逐渐从工厂和企业的信息管理层向底层渗透，并开始广泛应用于工厂的控 制级通信。在自动化世界中使用以太网解决方案有几个明显的优势：集成的通信、 统一的架构以及强大的服务和诊断能力。从目前工业自动化控制领域情况来看， 以太网技术取代现场总线是工业控制网络发展的必然趋判2 1 啦】。 9 山东大学硕十学何论文 现在国际上几个比较流行的工业以太网，主要有p r o f i n e t 、p o w e r l i n k 、 e t h e r n e t i p 、s y n q n e t 、s e r c o si i i 等。 山东大学数控中心在两项已公告的发明专利基础上自主研发的e t h e r m a c 技 术。两项发明专利分别是“一种实现以太网链状网络节点间同步的装置与方法f 2 3 j ， 和“基于标准以太网的实时同步网络及其工作方法2 4 l ，oe t h e r m a c 采用i e e e 8 0 2 3 通信协议结构形式2 引，主控制器上采用标准的以太网卡实现高精度的实时同步要 求，同时采用从节点巾的时间控制点作为实时同步信号源节点，以实现系统的实 时和同步功能，主控制器可不用实时操作系统支持，从节点采用标准以太网物理 层，数据链路层采用f p g a 实现【2 6 1 ，降低了系统成本，提高了市场竞争力。其通 信模型和i s o o s i 模型2 7 1 的对应关系如图2 - 1 所示。 i s o o s i 模型e t h e r m c 模型 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 数据链路层 物理层 图2 1i s o o s l 模型与e t h e r m c 通信模型 e t h e r m a c 具备与i s o o s i 的七层模型相对应的物理层、数据链路层与应用层。 物理层符合标准的以太网协议，其传输介质为双绞线或光纤，接口为标准的r j - 4 5 。 以太网帧结构1 2 5 1 如图2 2 所示。数据链路层具备数据的收发控制和数据链的控制 两个功能。应用层负责现场总线的存取，为用户层服务。 7 6 5 4 3 2 l 第2 章数控平台介绍及软件系统总体设计 以太网头以太刚数据校验 2 2 b y l e4 8 - 1 5 0 0 b y t e4 b y t e 前导符分隔符目的地址源地址长度类型e t h e r m c 数据段帧校验序列蚓 7 b y t e 1 b y t e 6b y t e 6 b y t e2 b y t e 4 8 - l5 0 0 b y t g 4 b y t e 序列号保留类型 节3 b “习嘴i b 长i t q 数据一 1 b y t e ib y t e2 b i t 节点数据段l节点数据段2节点数据段n j j -i 节点地址 保留 应答地址长度节点数据 i b y t e 1 bit l b i t l lbitl 图2 - 2e t h e r m a c 数据帧结构 如图2 2 ，数据帧结构符合i e e e 8 0 2 3 的规定，根据i e e e 8 0 2 3 的定义，以太 网头各部分的含义如下： 1 ) 前导符：通知监听设备数据帧将要到来。 2 ) 分割符：起始标志。 3 ) 目的地址：6 字节的目的m a c 地址。 4 ) 源地址：6 字节的源m a c 地址。 图2 - 2 中所示的数据帧除了具备标准的以太网帧结构外，根据e t h e r m a c 的需 求，该数据帧的以太网数据部分进行了特殊的设计，图中各部分的定义如下： 1 ) 序列号：标志此数据帧在一段时间内的顺序。 2 ) 类型：数据段的类型。 3 ) 节点寻址类型：定义了后面数据段中各节点数据的寻址类型。 4 ) 数据长度：后面数据的长度。 5 ) 节点地址：该节点数据目的节点地址。若为0 ，则为广播地址。 6 ) 应答地址：标志此数据段需不需要应答。 1 1 山东人学硕十学f 市论文 由上可知，e t h e r m a c 技术与现有的以太网技术相比具有如下特色和优点f 3 1 j ： ( 1 ) 主控制器上采用标准的以太网卡，使得任何具有以太网接口的p c 机或嵌 入式控制器无需添加任何专有硬件就可实现各种控制功能。 ( 2 ) 采用从节点中的时间控制点作为实时同步信号源节点，实现系统的实时和 同步功能。这种机制只需要在内核下编写网络驱动程序即可满足工业控制系统的 实时要求，不需要实时操作系统的支持。 ( 3 ) 主控制器可不用实时操作系统支持，从节点采用标准以太网物理层，链路 层采用f p g a 实现，降低了系统成本，提高了市场竞争力。 本文采用了基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控平台，下面将详细介绍 本系统平台所采用的硬件组成和软件结构。 2 1 2 数控平台的硬件结构 图2 3 是基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控平台的硬件组成结构图。上 位机与以太网接口卡采用标准以太网通讯方式，上位机发送的控制信号经以太网 接口卡转换后，直接控制各节点的动作执行：各节点也可将当前的状态信号经以 太网接口卡转换后反馈给上位机。采用标准以太网线的连接方式减少了接插件的 不可靠因素，扩展性好，连接方便、成本低。以太网接口卡往下与各节点设备直 接相连或晋级并联。 陀 驱动器1 驱动嚣2 驱动嚣3 i o 光电开关 图2 - 3 基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控平台的硬件结构 第2 章数控平台介绍及软件系统总体设计 所骨的控制功能全部由作为上位机的个人p c 机来实现，其c p u 强大的处理能 力可以实现系统复杂的运动控制和机器的高可靠运行。而且价格便宜，有较高性 价比。 以太网接口卡是标准化、模块化产品，上有标准的r j 4 5 接口，还有很多的i o 接口及其他标准接口，负责定时时钊，的提供和信号的转换，由山东大学数控中心 自主研发。 节点设备可以是各种接口，包括各类电机执行机构、机床操作面板、各种i o 、 手摇轮、光电开关、主轴等，还可以级联2 5 4 个节点，传输速率l o o m b p s ，以双 绞线连接节点，传输距离最远为1 0 0 米，若采用光纤，传输距离可达几公里。 2 1 3 数控平台的软件结构 数控系统的工作效率、工作方式等很大程度上取决于开放式数控系统的软件平 台。数控系统软件包含操作系统软件和系统应用软件。用于数控系统的操作系统 分为两类：一类是专用的实时操作系统，另一类是通用操作系统。专用实时操作 系统如美国w i n dr i v e rs y s t e m 公司推出的v x w o r k s 2 9 1 ，加拿大q n x 软件系统公 司开发的q n x t 3 0 】等，它们的优点是有着良好的实时性和稳定性，缺点是软件兼容 性差，不兼容市场上各类包含w i n 3 2 函数的软件，这样就不利于实现与异构系统 之间的通信，开放性差。通用操作系统如w i n d o w s 3 1 1 、u n i x l i n u x l 3 2 1 等，这些系 统文档资料和编程工具都非常丰富，具有开放的体系结构，便于移植，因此也能 满足开放式数控系统的要求。 本文的上位机控制软件便是在w i n d o w sx p 操作系统上进行开发的，利用了其 丰富的开发工具和软件资源、统一友好的图形用户界面。在微软n e t 平台下，利 用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 开发环境，采用c 拌语言进行软件编写，极大缩短了开发 周期，减少开发成本。图2 - 4 是基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控平台的软 件结构。 山东大学硕十学位论文 雕刻机 自动加工 文件读取图形镀示 应用程序 参数设置路径计算插补运算 应用程序 w i n d o w s 应用程序类库 接口 w in d o w s 系统a p i 以太网卡驱动层 图2 - 4 基于e t h e r m a c 以太网总线的开放式数控平台软件结构 ( 1 ) 以太网卡驱动层 为了确保w i n d o w s 对底层事件的即时响应，以满足系统的实时性要求，采取 在w i n d o w s 内核层编写底层e t h e r m a c 驱动来实现p c 机与接口卡的通讯控制。 ( 2 ) 应用程序接口层 应用程序访问系统内核的通道是通过w i n d o w s 系统a p i 和w i n d o w s 应用程序 开发包来构建的。负责将操作系统类库和设备驱动进行封装，提供给用户统一的 应用接口，以实现应用的开放性。 ( 3 ) 应用程序层 负责完成数据处理、人机交互、运动控制和数据通信功能，是整个控制系统的 核心部分。它主要有两个作用，一是通过用户友好的入机界面，将后台数据处理 和加工控制的各个模块集成于控制系统这一基础平台之上；二是使用多线程协调 实时任务和非实时任务的运行，设置线程优先级，以保证实时任务能够稳定可靠 的执行。 2 2 功能需求分析及系统总体架构设计 2 2 1 雕刻机功能需求分析 电路板雕刻机的根本需求就是读取一种或多种p c b 电路设计软件生成的信息， 得到刀具运行轨迹，从而控制电机加工出电路板。下面是电路板雕刻机的详细功 能需求分析： 1 4 第2 章数控平台介纠及软件系统总体设计 1 适合w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 7 系统使用。 2 自动识别以一定格式存储的p c b 文件内保存的信息，包括线路、孔、焊盘、文 字、不规则孔、边沿等信息。 3 可以自动识别p c b 文件的顶层或底层文件并根据所选刀具指标显示实际p c b 线路雕刻效果图。 4 可以将p c b 线路信息放大、缩小或适中( 实际大小) 的显示。 5 可以根据刀尖宽度自由添加、删除所选刀具并建立刀具库。 6 自动识别p c b 文件的钻孔文档并自动区分孔的直径并在钻孔步骤中自动提示 分步执行或可以按统一孔径全部执行钻孔。设置常用板厚度或设置可输入板的 厚度来设定钻孔深度。 7 精确调整( 分辨率0 0 1 m m ) x 、y 、z 三轴坐标，并可在i j n - r 过程中随时中断 并调整。 8 设置试雕功能以方便检测雕刻深浅，并可提示所做线路文件实际范围是否超出 硬件设置。 9 设置线路隔离功能并可设置隔离距离的大小( 并防止伤害其它线路) 。 l o 设置敷铜镂空功能来完成隔离后所剩余非线路铜的驳除并可与隔离功能复合 使用。 “设置割边功能，割边功能中应包括线路板文件中的不规则孔的加工。 1 2 设立帮助文档( 使用说明、常见问题解决方法) 。软件加密。 1 3 设置实际加工过程的各种速度、加速度等参数可调。 1 4 系统带有1 0 个刀座的刀库，具备自动换刀功能。 1 5 雕刻过程中实际雕刻过程虚拟显示。 1 6 提供三维仿真功能，显示加工前的线路和加工过程中的走刀过程。 1 7 高精度。现在芯片的引脚距离都很近，一般的电路板印刷厂都可以做到6 m i l 的线。这就要求有精确控制系统和精密机械系统。 1 8 高效率。尽可能的减少加工时间。 1 9 简单易操作，可靠性高。 1 5 山乃：人学硕士学位论文 2 2 2 总体架构设计 术雕刻机系统由上位机( 计算机) ，下位机( 以太网 ) ，雕刻机机械结构组成。 上位机软件对p c b 设t t 软件导出的文件信息提取，根据加工工艺生成加工路径， 并解释成g 代码，经过插补处理之后将控制脉冲通过网线传向下位机，下位机以 太网接u 卡对控制脉冲进行处理，发送给步进电机驱动器控制电机的运行。 本软件的开发模型如下图2 5 所示： 、 厂呜 陶2 5 雕亥j j o l 系统组成 本软件开发过程需要用到软什工程的思想。软什工程是应用计算机科学、数学 及管理科学等原理开发软什的过程。其中计算机科学、数学用于构造模型与算法， ：程科学用于制定规范、设计规范、降低成本及确定权衡，管理科学用_ j ：计划、 资源、质量、成本管理【3 6 1 。软件开发4 i 应该只是编写代码、测试代码，而是按照 一定的开发模型开发软件。开发模型有好多种，如瀑布模型、增量模型、螺旋模 型、快速原型模型、喷泉模型、智能模型等。模型不是死的，要根据具体情况组 合选择。本软件的开发模型如f ： l 啊-、尊 第2 章数控平台介绍及软件系统总体设计 图2 - 6 程序开发模型 根据电路板雕刻机的功能需求，我们将整个控制系统软件分成四个模块：数据 处理模块、人机交互模块、运动控制模块和数据通信模块。图2 - 7 为控制系统软件 的整体框架图。其中人机交互模块主要为用户提供一个简洁友好的用户界面，方 便用户进行参数设置、运行模式选择和三维仿真直观观察，方便用户和控制系统 进行交互。数据处理模块主要负责读取g e r b e r 文件原始数据和图形显示，并对数 据根据实际加工的要求产生相关加工工艺的加工路径。运动控制模块接受数据处 理模块的数据，并对加工路径进行插补运算。插补处理之后的数据通过数据通信 模块与以太网接口卡进行数据传输。 图2 7 控制系统软件结构图 1 7 山东大学硕十学位论文 2 2 3 编程环境选择 电路板雕刻机控制系统的所有控制功能全部由上位p c 机应用软件完成。由于 编程者能力要求，现有两种可供选择的编程语言：c + + 和c 撑。两种语言的编程环 境分别是v i s u a ls t u d i o6 0 和v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 。在执行速度上，c + + 的速度要比 c 群快一些，但是n e t 作为微软近几年极力推荐的编程平台，自然有它的过人之处。 因此作者的整个应用程序是在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 开发环境下使用c 稃语言进 行开发，采用面向对象的模块化设计【3 3 1 。本节就简单介绍n e t 平台和c 拌语言的 相关的知识。 n e t 平台是c 撑的支撑平台，是由微软创建的开发架构。n e tf r a m e w o r k 是 支持生成和运行下一代应用程序和x m lw e bs e r v i c e s 的内部w i n d o w s 组 件。n e tf r a m e w o r k 具有两个主要组件：公共语言运行库和n e tf r a m e w o r k 类 库【3 4 】。 c 撑是一种简洁、类型安全的面向对象的语言，开发人员可以使用它来构建 在n e tf r a m e w o r k 上运行的各种安全、可靠的应用程序。作为一种面向对象的 语言，c # 支持封装、继承和多态的概念，所有的变量和方法都封装在类定义里。 c 毋不但结合了c + + 语言的强大灵活性和j a v a 语言的简洁性，还吸取了d e l p h i 语言 和v i s u a lb a s i c 语言所具有的易学易用性。因此c 撑是一种使用简单、功能强大、 表达力丰富的全新语言【3 5 1 。 2 3 系统软件模块设计 2 3 1 数据处理模块 数据处理模块是本控制系统的核心之一。主要负责g e r b e r 文件读取，读取之 后的图形显示和加工路径的计算。 ( 1 ) 读取g e r b e r 文件模块负责读取电路板设计领域所使用的c a d 软件生成的 g e r b e r 文件，这些p c b 绘图软件一般有p r o t e l9 9 s e 、p r o t e ld x p 、a l t i u md e s i g n e r 、 第2 章数控平台介绍及软件系统总体设计 p o w e r p c b 和a d v a n c e dp c b 等。并将g e r b e r 文件中包含的线