摆动单线切割机控制系统研究.docx

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. 。