摆动单线切割机控制系统研究

摆动单线切割机控制系统研究摆动单线切割机控制系统研究 2016/10/24 电子工业专用设备杂志2016年第Z1期摘要：针对超硬材料的切割特点，提出了摆动式单线切割机控制系统的设计方案，结合不同材料的工艺研究，不断完善和增强了线切割机的应用范围和切割效率。关键词：摆动单线切割机；同步控制；PID控制传统上晶锭切片的方式是采用内圆切片机，这种切片机加工效率较低，材料损耗大，出片率低，加工晶片表面质量较低，且难以加工硬度大，脆性高以及耐磨性好的材料。而伴随着蓝宝石、碳化硅、石英晶体、磁性材料、光学玻璃等超硬脆性材料行业的发展，传统内圆切片机已经不能满足要求。目前，单线切割机是目前最先进的切片加工技术，其原理是通过电机带动金刚石线的高速往复运动，用金刚石线超强的切割能力，来达到快速切片的目的。切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等关键技术指标上均明显优于传统的加工设备。在此基础上，本文研究开发的摆动式单线切割机，采用点切割方式，由于接触面积很小，压强变大，极大地增加了切割效率，逐渐成为硬脆性材料切片加工的关键设备。1单线切割机系统构成图1所示的是摆动单线切割机的走线系统示意图，放线轮上的切割线（金刚石线）通过导向轮过渡到摆动轮，然后再通过另一侧摆动轮和导向轮，收卷到收线轮。单线切割机进行切片加工时，进给系统带动高速往返运动的金刚石线向下运动进行切割。2单线切割机控制部分单线切割机电气控制系统综合了分布式控制、模糊控制、PID控制等多种技术。2.1电气控制系统构成摆动单线切割机电气控制系统的构成如图2所示，控制系统主要由主控制器、电机模块、I/O模块、电源模块、流量控制模块、断线监测模块、触摸屏等组成。本系统选用运算单元与轴控制单元相结合的PLC控制器作为整个控制部分的核心，它通过高速总线（CANopen）控制各个电机，并最高可连接16个电机，在内部构建虚轴及外部编码器主轴，配备高速浮点运算处理器，可胜任本系统需要的复杂运动控制程序。轴控制卡和驱动器通信采用的是CANopen总线，CANopen总线是现在国际上比较流行的分布式总线，通信模式采用的是等时通讯模式，它的特点是传输时间可调、传输速率快，分布式控制，抗干扰能力比较强。触摸屏与控制器之间通讯采用的是RS-485总线，它采用平衡发送和差分接收，因此具有控制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，所以数据传输的路径可达千米。2.2收放线轮的同步控制收放运转由两个大功率电机带动，并在控制过程中采用主从控制结构，将放线轮电机作为主动电机，收线轮作为从动电机。在运行过程中，放线轮电机以用户给出的速度给定值作为参考值，在运行过程中紧密跟踪系统给定值，而收线轮电机以放线轮的输出速度作为自己的参考值，并实时检测摆动轮编码器的实际位置作为速度补偿，并采用了先进PID算法，使收放线轮做到速度基本一直，保持了切割线上的张力，使张力的波动在较小范围内。这种控制方式不仅降低了断线率，又降低了晶片的表面粗糙度。为了比较精确匹放线轮速度和收线轮速度，使之线速度趋于一致，使张紧路轮摆动的幅度尽量最小，最终使张力臂上钢线张力趋于稳定，负载变化较小，因此引入了PID控制。如图3所示为本系统的PID控制框图。其中张力臂平衡位置P0为输入值，张力臂的转角通过编码器获得，为系统反馈值，两者之差经过PID控制器转化为速度，同时把放线轮补偿速度作为一个前馈，共同作用值传递给收线轮。在控制器中设定采样周期，Pi表示第i次采样周期张力臂摆动位置，本系统PID控制规律用如下方程表示：V(Ki)=KP(Pi-P0)+Ki+Kd(Pi-Pi-1)(1)V收线轮(t)=V(Ki)+KV(t)(2)V(Ki)为放线轮第i次采样周期计算速度；KP为张力臂位置和平衡位置差值的比例系数；Ki为累计张力臂位置和平衡位置差值的积分系数；Kd是采样周期之间位置差值的微分系数；V线轮(t)为放线轮的计算速度。在控制器的每次等时模式数据传输中，把计算速度传递给收线轮。2.3摆动轮的同步控制图4是传统导轮切割示意图，先前单线机切割的左右切割导轮位置是固定的，在切割超硬材料时，非常容易产生很大的线弓，切割线与料接触面积很大，不仅使切割能力大大下降，而且容易夹线、断线。在本系统中，采用如图5所示的摆动导轮切割方式，切割线由左右摆动轮带动做往复运动，摆相对位置和速度都可调。在切割超硬材料时，金刚石线与材料的接触面积非常小，压强很大，切割能力大大加强。3上位机控制人机交互界面选用目前流行的WINCC组太软件。在切割材料时，首先需要设定切割零位，如图6所示。在图7中设定工件的切割高度，切割工艺曲线，需要设定的切割段数，切割的走线速度，每分钟新线进给量，工作台进刀速度，工作台的摆动频率，摆动角度，切割液的档位等工艺参数。在切割主界面（见图6）中，要实时显示各个参数的状态，以供操作人员监控设备状态。根据不同的工艺，切割的开始时间，采用复杂的算法，能够比较精确的计算出剩余时间和结束时间。使操作人员不用一直守在机器旁边，当材料切割完成时，直接取料即可。根据不同的切割料，采用复杂的PID控制算法，实时去调节冷水的供给流量大小，自动控制水温，使水温的实际值与设定值误差在正负1以内。切割线的张力不仅通过读数的方式显示出来，还可以形成温度曲线，使操作人员能够观察整个切割过程中张力的变化。4结束语除去以上列举的电控部分的研究，同时进行了切割过程中断线监测方法等研究。在摆动单线切割机切割工艺中，控制系统的每一部分都根据权重的不同，在系统中起着重要作用。在切割工艺实验中，根据硅片的切割质量，确定控制系统的各个部分是否满足使用要求，并根据实验结果，相应地进行控制系统各个部分的改进，最终使切割的产品满足用户要求。参考文献：1张义兵，戴瑜兴，汤睿，等.多线切割机速度同步系统的自适应逆控制及实现J.控制理论与应用，2008，25(6)：1007-1010.2管力明，林剑.无轴单张纸输纸机的同步控制J.控制理论与应用，2009，26(5)：573-577.3赵希梅，郭庆鼎.数控机床多轴联动伺服电机的零相位自适应鲁棒交叉耦合控制J.中国电机工程学报，2008，28(12)：129-133.4何金保，郭帅，何永义，等.基于遗传优化的张力模糊控制J.控制理论与应用，2009，26(3)：243-248.