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擺動單線切割機控制系統(tǒng)研究

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擺動單線切割機控制系統(tǒng)研究

擺動單線切割機控制系統(tǒng)研究 擺動單線切割機控制系統(tǒng)研究 2016/10/24 《電子工業(yè)專用設備雜志》2016年第Z1期 摘要: 針對超硬材料的切割特點,提出了擺動式單線切割機控制系統(tǒng)的設計方案,結(jié)合不同材料的工藝研究,不斷完善和增強了線切割機的應用范圍和切割效率。 關(guān)鍵詞: 擺動單線切割機;同步控制;PID控制 傳統(tǒng)上晶錠切片的方式是采用內(nèi)圓切片機,這種切片機加工效率較低,材料損耗大,出片率低,加工晶片表面質(zhì)量較低,且難以加工硬度大,脆性高以及耐磨性好的材料。而伴隨著藍寶石、碳化硅、石英晶體、磁性材料、光學玻璃等超硬脆性材料行業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)內(nèi)圓切片機已經(jīng)不能滿足要求。目前,單線切割機是目前最先進的切片加工技術(shù),其原理是通過電機帶動金剛石線的高速往復運動,用金剛石線超強的切割能力,來達到快速切片的目的。切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關(guān)鍵技術(shù)指標上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的加工設備。在此基礎(chǔ)上,本文研究開發(fā)的擺動式單線切割機,采用點切割方式,由于接觸面積很小,壓強變大,極大地增加了切割效率,逐漸成為硬脆性材料切片加工的關(guān)鍵設備。 1單線切割機系統(tǒng)構(gòu)成 圖1所示的是擺動單線切割機的走線系統(tǒng)示意圖,放線輪上的切割線(金剛石線)通過導向輪過渡到擺動輪,然后再通過另一側(cè)擺動輪和導向輪,收卷到收線輪。單線切割機進行切片加工時,進給系統(tǒng)帶動高速往返運動的金剛石線向下運動進行切割。 2單線切割機控制部分 單線切割機電氣控制系統(tǒng)綜合了分布式控制、模糊控制、PID控制等多種技術(shù)。 2.1電氣控制 系統(tǒng)構(gòu)成擺動單線切割機電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示,控制系統(tǒng)主要由主控制器、電機模塊、I/O模塊、電源模塊、流量控制模塊、斷線監(jiān)測模塊、觸摸屏等組成。本系統(tǒng)選用運算單元與軸控制單元相結(jié)合的PLC控制器作為整個控制部分的核心,它通過高速總線(CANopen)控制各個電機,并最高可連接16個電機,在內(nèi)部構(gòu)建虛軸及外部編碼器主軸,配備高速浮點運算處理器,可勝任本系統(tǒng)需要的復雜運動控制程序。軸控制卡和驅(qū)動器通信采用的是CANopen總線,CANopen總線是現(xiàn)在國際上比較流行的分布式總線,通信模式采用的是等時通訊模式,它的特點是傳輸時間可調(diào)、傳輸速率快,分布式控制,抗干擾能力比較強。觸摸屏與控制器之間通訊采用的是RS-485總線,它采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有控制共模干擾的能力,加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂娇蛇_千米。 2.2收放線輪的同步控制 收放運轉(zhuǎn)由兩個大功率電機帶動,并在控制過程中采用主從控制結(jié)構(gòu),將放線輪電機作為主動電機,收線輪作為從動電機。在運行過程中,放線輪電機以用戶給出的速度給定值作為參考值,在運行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值,而收線輪電機以放線輪的輸出速度作為自己的參考值,并實時檢測擺動輪編碼器的實際位置作為速度補償,并采用了先進PID算法,使收放線輪做到速度基本一直,保持了切割線上的張力,使張力的波動在較小范圍內(nèi)。這種控制方式不僅降低了斷線率,又降低了晶片的表面粗糙度。為了比較精確匹放線輪速度和收線輪速度,使之線速度趨于一致,使張緊路輪擺動的幅度盡量最小,最終使張力臂上鋼線張力趨于穩(wěn)定,負載變化較小,因此引入了PID控制。如圖3所示為本系統(tǒng)的PID控制框圖。其中張力臂平衡位置P0為輸入值,張力臂的轉(zhuǎn)角通過編碼器獲得,為系統(tǒng)反饋值,兩者之差經(jīng)過PID控制器轉(zhuǎn)化為速度,同時把放線輪補償速度作為一個前饋,共同作用值傳遞給收線輪。在控制器中設定采樣周期,Pi表示第i次采樣周期張力臂擺動位置,本系統(tǒng)PID控制規(guī)律用如下方程表示:V(Ki)=KP(Pi-P0)+Ki+Kd(Pi-Pi-1)(1)V收線輪(t)=V(Ki)+KV(t)(2)V(Ki)為放線輪第i次采樣周期計算速度;KP為張力臂位置和平衡位置差值的比例系數(shù);Ki為累計張力臂位置和平衡位置差值的積分系數(shù);Kd是采樣周期之間位置差值的微分系數(shù);V線輪(t)為放線輪的計算速度。在控制器的每次等時模式數(shù)據(jù)傳輸中,把計算速度傳遞給收線輪。 2.3擺動輪的同步控制 圖4是傳統(tǒng)導輪切割示意圖,先前單線機切割的左右切割導輪位置是固定的,在切割超硬材料時,非常容易產(chǎn)生很大的線弓,切割線與料接觸面積很大,不僅使切割能力大大下降,而且容易夾線、斷線。在本系統(tǒng)中,采用如圖5所示的擺動導輪切割方式,切割線由左右擺動輪帶動做往復運動,擺相對位置和速度都可調(diào)。在切割超硬材料時,金剛石線與材料的接觸面積非常小,壓強很大,切割能力大大加強。 3上位機控制 人機交互界面選用目前流行的WINCC組太軟件。在切割材料時,首先需要設定切割零位,如圖6所示。在圖7中設定工件的切割高度,切割工藝曲線,需要設定的切割段數(shù),切割的走線速度,每分鐘新線進給量,工作臺進刀速度,工作臺的擺動頻率,擺動角度,切割液的檔位等工藝參數(shù)。在切割主界面(見圖6)中,要實時顯示各個參數(shù)的狀態(tài),以供操作人員監(jiān)控設備狀態(tài)。根據(jù)不同的工藝,切割的開始時間,采用復雜的算法,能夠比較精確的計算出剩余時間和結(jié)束時間。使操作人員不用一直守在機器旁邊,當材料切割完成時,直接取料即可。根據(jù)不同的切割料,采用復雜的PID控制算法,實時去調(diào)節(jié)冷水的供給流量大小,自動控制水溫,使水溫的實際值與設定值誤差在正負1℃以內(nèi)。切割線的張力不僅通過讀數(shù)的方式顯示出來,還可以形成溫度曲線,使操作人員能夠觀察整個切割過程中張力的變化。 4結(jié)束語 除去以上列舉的電控部分的研究,同時進行了切割過程中斷線監(jiān)測方法等研究。在擺動單線切割機切割工藝中,控制系統(tǒng)的每一部分都根據(jù)權(quán)重的不同,在系統(tǒng)中起著重要作用。在切割工藝實驗中,根據(jù)硅片的切割質(zhì)量,確定控制系統(tǒng)的各個部分是否滿足使用要求,并根據(jù)實驗結(jié)果,相應地進行控制系統(tǒng)各個部分的改進,最終使切割的產(chǎn)品滿足用戶要求。 參考文獻: [1]張義兵,戴瑜興,湯睿,等.多線切割機速度同步系統(tǒng)的自適應逆控制及實現(xiàn)[J].控制理論與應用,2008,25(6):1007-1010. [2]管力明,林劍.無軸單張紙輸紙機的同步控制[J].控制理論與應用,2009,26(5):573-577. [3]趙希梅,郭慶鼎.數(shù)控機床多軸聯(lián)動伺服電機的零相位自適應魯棒交叉耦合控制[J].中國電機工程學報,2008,28(12):129-133. [4]何金保,郭帥,何永義,等.基于遺傳優(yōu)化的張力模糊控制[J].控制理論與應用,2009,26(3):243-248.

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