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      摘要: 針對PCB 生產(chǎn)過程中因鉆床高速加工頻繁啟停，而對鉆床產(chǎn)生沖擊，以至影響穩(wěn)定性的問題，對鉆床各軸的運動模式重新進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計。在滿足工作要求的前提下，對梯形曲線及三角形曲線進(jìn)行了優(yōu)化得到最佳加加速度。在考慮加加速度、最大加速度、最大速度的情況下，根據(jù)實際加工距離，將運動模式歸納為4 種簡單參考模型。利用CPAC 所提供的PVT 運動模式，將4 種模型一一對應(yīng)到PVT 模式各參數(shù)。利用CPAC 提供的軟件開發(fā)平臺OtoStudio 軟件上進(jìn)行了程序開發(fā)。利用CPAC 提供的硬件平臺GUC-400 運動控制器配合所選電機(jī)進(jìn)行了試驗。試驗結(jié)果表明，不同加工距離可以對應(yīng)到不同的參考模型，并且加速度曲線呈一次連續(xù)曲線，速度曲線呈二次平滑曲線，從而證明所研究的規(guī)劃方案可以實際有效地減小鉆床加工時的沖擊，增加鉆床穩(wěn)定性。

      關(guān)鍵詞: 印制電路板鉆床; 計算機(jī)可編程自動化控制器; 三次曲線; 減小沖擊

      0 引言

     我國是印制電路板( PCB) 生產(chǎn)的第一大國，但國內(nèi)針對PCB 生產(chǎn)單獨開發(fā)的鉆床系統(tǒng)卻很少 ］。PCB 鉆床系統(tǒng)分為多個模塊，運動控制模塊是整個系統(tǒng)控制加工的核心模塊; PCB 鉆床加工的特點是短行程、高精度和高速度 ; 各軸運動的規(guī)劃情況直接影響到系統(tǒng)加工的效率及穩(wěn)定性。常見應(yīng)用在運動規(guī)劃的加速度控制算法有梯形曲線和三角形曲線 ; 經(jīng)過梯形曲線及三角形曲線規(guī)劃后鉆床各軸的加速度曲線會出現(xiàn)突變而速度曲線則有明顯拐點不夠平滑，這種情況在高速運動特別是急起急停時會產(chǎn)生較大沖擊，對機(jī)床產(chǎn)生較大的傷害。研究人員針對這種情況引入加加速度j，優(yōu)化三角形曲線及梯形曲線使得加速度曲線為連續(xù)的一次曲線，速度曲線為平滑的二次曲線，即可有效地避免突變，減小沖擊。朱曉春 在S 曲線加減速控制方法研究一文中詳細(xì)介紹了基本7 段三階S曲線。鑒于鉆床各軸的運動特點，本研究將基本的三階S 曲線簡化為4 種參考模型，在滿足鉆床加工要求
的情況下分析并得到最佳加加速度j，最大程度使得曲線變的平緩，減小沖擊。

      在試驗中本研究選用深圳固高公司的GUC-400嵌入式控制器對PCB 鉆床系統(tǒng)的運動模塊進(jìn)行開發(fā)，將得到的加加速度j 與其他限制條件一起考慮對各軸運動規(guī)劃進(jìn)行重新設(shè)計，并通過CPAC 所提供的PVT運動模式最終實現(xiàn)規(guī)劃運動。

     1、 加加速度優(yōu)化
 

     鉆床各軸的運動方式為點位運動并且有以下兩個運動特點: ①起點、終點加速度及速度為零; ②加速減速過程相對稱。根據(jù)鉆床各軸運動特點得到的梯形曲線和三角形曲線的速度曲線和加速度曲線如圖1 所示 。

     
  
                  圖1 三角形曲線及梯形曲線

     各三角形曲線優(yōu)化如圖2 所示。

                                 圖2 三角形曲線優(yōu)化

     各梯形曲線優(yōu)化如圖3 所示。

      
  
                                   圖3 梯形曲線優(yōu)化

     綜上所述，根據(jù)所選電機(jī)、負(fù)載及加工要求的不同，可以得到一個最優(yōu)的加加速度j，此時既能達(dá)到所需的加工要求又可以最大程度地減少沖擊。

     2、 算法及CPAC 應(yīng)用

     本研究在得到加加速度j、加速度amax、速度vmax后，將其實際運用到固高控制器上 。固高公司推出的CPAC( 計算機(jī)可編程自動化控制器) 包涵了軟件開發(fā)平臺OtoStudio 和硬件開發(fā)平臺自動化控制器。本研究將所歸納算法通過OtoStudio 軟件編寫，再通過自動化控制器GUC-400 進(jìn)行最終的調(diào)試。

      2． 1 算法邏輯
 

      2． 2 CPAC 應(yīng)用

     在CPAC 所提供的運動模式中有點位模式、插補模式、PVT 模式3 種模式可以實現(xiàn)S 型曲線。考慮到點位模式中平滑時間為一定值并不能根據(jù)上文中所描述根據(jù)實際運動距離自行改變而且在短距離高速運動中平滑時間并不能忽略不計，同時考慮到插補模式的優(yōu)勢是提供準(zhǔn)確的走刀路徑但鉆床實際工作時并不需要有確定的走刀路徑，而且插補運動運算時會占用更多資源，經(jīng)比較后，本研究選用了固高自動化控制器所提供運動模式中的PVT 模式［8］。PVT 模式使用一系列數(shù)據(jù)點的位置、速度、時間的參數(shù)來描述運動規(guī)律。

      二次曲線的規(guī)劃要求。在選用了PVT 模式后，本研究參考實際加工時易得到的位置、速度、加速度等信息選用PVT 模式中的Continuous 描述方式。之后筆者將上文中4 種簡單模型的參數(shù)對應(yīng)到PVT 模式Continuous描述方式中各參數(shù)位置X、速度V、最大速度VMAX、加速度ACC、減速度DEC、百分比P。位置X 為實際加工的孔距x，速度為每次起點終點速度為0，最大速度VMAX為每種模型中vm，加速度ACC 與減速度DEC 值相同為各模型中每次加減速過程中平均加減速度，百分比P 為各模型中每次加減速過程中變加速時間占總加減速時間的百分比。經(jīng)整理后得到流程圖如圖4所示( 通過給定的距離得到PVT 模式各參數(shù)) 。本研究將上述邏輯過程通過OtoStudio 軟件編寫為一個功能塊，嵌套在PVT 程序中。每次PVT 程序運行時調(diào)用只需改變工作距離x 即可。

     3 、實驗及結(jié)果分析

     ( 1) 當(dāng)x = 0． 8 m 時，在電機(jī)上試驗的速度曲線及加速度曲線如圖5( a) 所示;

                                  圖4 流程圖

                                       圖5 試驗結(jié)果圖

     ( 2) 當(dāng)x = 0． 2 m 時，在電機(jī)上試驗的速度曲線及加速度曲線如圖5( b) 所示;
 
     ( 3) 當(dāng)x = 0． 005 m 時，在電機(jī)上試驗的速度曲線及加速度曲線如圖5( c) 所示;
  
     ( 4) 當(dāng)x = 0． 002 54 m 時，在電機(jī)上試驗的速度曲線及加速度曲線如圖5( d) 所示;由圖5( a) 及所得數(shù)據(jù)經(jīng)電機(jī)分辨率換算可得出:x = 0． 8 m時，達(dá)到最大速度及最大加速度，對應(yīng)圖3( a) 所示模型，且試驗數(shù)據(jù)符合規(guī)劃。由圖5( b) 及所得數(shù)據(jù)經(jīng)電機(jī)分辨率換算可得出:x = 0． 2 m 時，未達(dá)到最大速度但達(dá)到最大加速度，對應(yīng)圖2( a) 所示模型，且試驗數(shù)據(jù)符合規(guī)劃。由圖5( c) 及所得數(shù)據(jù)經(jīng)電機(jī)分辨率換算可得出:x = 0． 005 m 時，未達(dá)到最大速度及最大加速度，對應(yīng)圖2( c) 所示模型，且試驗數(shù)據(jù)符合規(guī)劃。由圖5( d) 及所得數(shù)據(jù)經(jīng)電機(jī)分辨率換算可得出:x = 0． 002 54 m 時，未達(dá)到最大速度及最大加速度，對應(yīng)圖2( c) 所示模型，且試驗數(shù)據(jù)符合規(guī)劃。

    4 、結(jié)束語

    本研究通過優(yōu)化梯形曲線及三角形曲線，將鉆床的運動曲線歸納為4 種簡單模型，并由每種模型分別得到最佳加加速度; 在加加速度、最大加速度、最大速度的限制下設(shè)計了相對應(yīng)算法并通過CPAC 提供的軟硬件設(shè)備，進(jìn)行了試驗。

    試驗結(jié)果表明，按照鉆床實際運行時一般涉及到的4 種位移距離，系統(tǒng)運動模塊可以按預(yù)先規(guī)劃分別對應(yīng)到不同的參考模型，按照參考模型中的設(shè)定將加速度曲線優(yōu)化為一次連續(xù)曲線，速度曲線優(yōu)化為二次平滑曲線，在滿足加工要求的情況下最大程度的減小沖擊，增加鉆床穩(wěn)定性。