基于電子凸輪技術(shù)的金剛石單線切割機(jī)排線設(shè)計(jì)

蔣云龍，江國中

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100076)

凸輪是由具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通過高副接觸帶動(dòng)從動(dòng)件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種高副機(jī)構(gòu)。它廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)控制裝置和裝配生產(chǎn)線中[1]。電子凸輪技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)來模擬機(jī)械凸輪的一種方式，解決了機(jī)械凸輪的很多缺點(diǎn)。其規(guī)劃修改簡單，無需耗費(fèi)額外成本，控制效率及精度極高。電子凸輪最初被當(dāng)做一個(gè)獨(dú)立的智能控制器來進(jìn)行構(gòu)建，一般包括控制單元，位置傳感器（包括旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器），輸出裝置等部分[2]。市場上有許多自動(dòng)化廠商開發(fā)出的獨(dú)立電子凸輪模塊，利用這些模塊，開發(fā)人員可利用位置傳感器將位置信號(hào)反饋給控制器，并由控制器根據(jù)位置信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后發(fā)送執(zhí)行信號(hào)，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來執(zhí)行規(guī)劃的動(dòng)作，完成自動(dòng)化應(yīng)用。

將電子凸輪技術(shù)作為內(nèi)嵌功能模塊引入伺服控制系統(tǒng)是一次創(chuàng)舉，它極大地發(fā)揮了伺服控制系統(tǒng)在多軸同步應(yīng)用中的優(yōu)勢，提高了伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。目前幾乎所有主流自動(dòng)化控制廠商的高端伺服控制系統(tǒng)都具備電子凸輪功能，國產(chǎn)伺服控制廠商也陸續(xù)發(fā)布了具有電子凸輪功能的伺服控制系統(tǒng)。電子凸輪技術(shù)已經(jīng)成為伺服控制系統(tǒng)中一個(gè)主流功能模塊。

金剛石單線切割機(jī)是一種新型的材料加工設(shè)備，其切口材料損耗小，表面加工質(zhì)量高，切割行程大，適合大尺寸人造藍(lán)寶石、碳化硅、單晶硅、多晶硅等脆硬材料的切斷、開方或切片等工作。在金剛石單線切割機(jī)工作過程中，排線質(zhì)量好壞對機(jī)器是否能正常工作有重要意義。如果線輪上金剛線排列整齊有序、線輪卷徑變化規(guī)律，將有利于提高張力控制精度，減小金剛線在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的張力波動(dòng)；反之，則會(huì)使金剛線張力波動(dòng)過大，甚至造成斷線，設(shè)備切割意外中斷。因此，進(jìn)行精確可靠的排線設(shè)計(jì)是金剛石單線切割機(jī)設(shè)計(jì)整體成功的保障。

本文應(yīng)用臺(tái)達(dá)最新的DVP10MC11T總線型運(yùn)動(dòng)控制器和ASDA-A2系列伺服電機(jī)構(gòu)建了金剛石單線切割機(jī)的電控系統(tǒng)。在臺(tái)達(dá)的CANOpenBuilder開發(fā)平臺(tái)上，利用其軟硬件系統(tǒng)中內(nèi)嵌電子凸輪功能模塊，對單線切割機(jī)的左右卷繞軸和左右排線軸等4顆軸進(jìn)行了排線功能的開發(fā)，取得了理想的設(shè)計(jì)效果。

1 排線過程分析

1.1 排線系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

金剛石單線切割機(jī)的左右排線系統(tǒng)是完全對稱的，當(dāng)一邊作為放線端時(shí)，另一邊就作為收線端，反之亦然。左右卷繞軸電機(jī)安裝在滑臺(tái)上，滑臺(tái)由左右排線軸電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其左側(cè)單端結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，要求金剛線出線位置要始終在出線口中心位置。無論是作為收線卷還是放線卷，卷繞軸每旋轉(zhuǎn)一周，排線軸也要旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)沿著排線方向步進(jìn)一個(gè)固定距離，此距離即為兩相鄰排線的中心距即為排線間距d。當(dāng)出線位置到達(dá)線輪前后邊沿時(shí)，排線軸要換向，線輪前后邊沿間的距離即為布線寬度W。

圖1 左側(cè)排線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 金剛線的排布

金剛線需要一層一層整齊地排布在線輪上，它的排布規(guī)律可人為設(shè)定。筆者采用將排線間距d取為1.5倍的線徑D，上層金剛線疊放在下層兩鄰線之間，往返逐層排布這種排布方式。其排線截面圖如圖2所示。

圖2 排線層截面示意圖

1.3 運(yùn)行階段的排線工作過程

目前，常用的排線系統(tǒng)主要有自由排線和強(qiáng)制排線兩大類。自由排線靠線的張力及擺動(dòng)輪或擺錘擺動(dòng)來排線。導(dǎo)輪與線圈骨架之間的距離較遠(yuǎn)，只要調(diào)節(jié)得當(dāng)，每匝線都能夠緊密排繞，排出“鏡面”效果，但調(diào)節(jié)比較困難，主要是機(jī)械方面調(diào)試量太多；而強(qiáng)制排線利用繞線主軸與排線軸的同步運(yùn)動(dòng)技術(shù)，使每繞一圈，排線機(jī)構(gòu)步進(jìn)一定距離，應(yīng)用現(xiàn)代步進(jìn)或伺服控制系統(tǒng)及上位控制器等，只要事先設(shè)置好繞線參數(shù)，不需要太多的調(diào)試即可繞線[3]。

顯然，利用伺服系統(tǒng)中的電子凸輪技術(shù)進(jìn)行的自動(dòng)排線屬于強(qiáng)制排線的一種。利用高速的電機(jī)響應(yīng)和高精度的編碼器回饋，上位控制器可以越來越輕松地實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的電機(jī)同步動(dòng)作。在布線寬度W和布線間距d不變的條件下，對設(shè)備運(yùn)行中，排線過程分兩種情況進(jìn)行分析：當(dāng)卷繞軸單向運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷繞軸電機(jī)的位置Pm是單向增加或減小的。根據(jù)卷繞電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)，控制器可以很精確地得到卷繞軸實(shí)時(shí)的位置信息。此時(shí)要求排線軸電機(jī)的位置Ps是在布線寬度W這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行周期性往復(fù)變化。同樣根據(jù)排線電機(jī)編碼器的反饋，控制器也可以精確地得到排線軸的實(shí)時(shí)位置信息。當(dāng)卷繞軸雙向運(yùn)動(dòng)時(shí)，卷繞軸電機(jī)的位置Pm會(huì)“回頭”，出現(xiàn)同一位置的反復(fù)。這種情況下，要求排線電機(jī)的位置Ps也要對應(yīng)著反復(fù)變化。

綜上所述：在運(yùn)行過程中，對于確定的卷繞軸位置有唯一的排線軸位置相對應(yīng)；而對于確定的排線軸位置，卷繞軸的位置并不是唯一的。所以我們以卷繞軸位置為主軸x軸，排線軸位置為從軸y軸建立坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 排線軸與卷繞軸位置關(guān)系

可以看出排線軸在0到W這段位置之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，卷繞軸以T為量單位做周期運(yùn)動(dòng)。其中卷繞軸走T/2個(gè)位置，金剛線排布一層。金剛線往返排布兩層為一個(gè)排線周期。

1.4 調(diào)試階段手動(dòng)微調(diào)分析

當(dāng)更換了外購的新線卷時(shí)，排線間距有時(shí)是未知的；或者發(fā)生了斷線等意外情況后，表層金剛線的排布是無序的。這時(shí)候，需要手動(dòng)微調(diào)功能來進(jìn)行人工的糾正，這樣才構(gòu)成一個(gè)完善的排線系統(tǒng)。

手動(dòng)微調(diào)是為了消除實(shí)際出線位置與出線口中心位置的偏差量，一般有兩種思路來實(shí)現(xiàn)這一目的。一種是通過在運(yùn)行過程中獨(dú)立地改變排線軸的速度，使之獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)去追上實(shí)際的出線位置。但是這種方式，要獨(dú)立地操作作為從軸的排線軸。排線軸要經(jīng)過凸輪關(guān)系脫離、點(diǎn)動(dòng)加速、再次凸輪耦合這一過程。因?yàn)槭謩?dòng)操作的隨機(jī)性，凸輪關(guān)系可能會(huì)不斷地脫離和耦合。又由于手動(dòng)糾正的不精確性，當(dāng)再次耦合這一步驟發(fā)生時(shí)，排線軸要跳變到主軸對應(yīng)的精確位置，這樣會(huì)給系統(tǒng)造成相當(dāng)大的機(jī)械沖擊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，在調(diào)節(jié)過程中，卷繞軸的速度不受影響，運(yùn)行線速度沒有受到干擾。另一種思路是，在不脫離凸輪關(guān)系下，卷繞軸和排線軸整體去追金剛線的實(shí)際出線位置。即卷繞軸和排線軸依然按照凸輪關(guān)系運(yùn)行，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)實(shí)際出線位置與出線口中心位置有偏差量后，通過手動(dòng)微調(diào)改變卷繞軸的速度，使卷繞軸帶動(dòng)排線軸整體地追上實(shí)際的出線位置。這種方式的好處是：在調(diào)節(jié)過程中，凸輪關(guān)系依然保持，調(diào)節(jié)比較柔和，沒有太大的機(jī)械沖擊。缺點(diǎn)是，在調(diào)節(jié)過程中，由于改變了卷繞軸的速度，則運(yùn)行線速度受到干擾，但是一般手動(dòng)微調(diào)的時(shí)候，切割并沒有進(jìn)行，且線速度受到的影響也不大，所以這種方式是一種比較好的手動(dòng)微調(diào)方式。本文選用第二種手動(dòng)微調(diào)方式。

2 排線設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

臺(tái)達(dá)的CANOpenBuilder集成開發(fā)環(huán)境提供了獨(dú)立的可編輯的凸輪曲線關(guān)系表，最多可編輯16組凸輪曲線。其開發(fā)語言采用功能塊式指令，提供了豐富的運(yùn)動(dòng)控制功能塊。這些指令的結(jié)構(gòu)可分為指令名和操作數(shù)兩個(gè)部分。其中指令名表示指令執(zhí)行的功能，操作數(shù)表示該指令處理的參數(shù)。在組態(tài)好卷繞軸電機(jī)和排線軸電機(jī)后，利用了一組凸輪表和3個(gè)功能塊指令就能實(shí)現(xiàn)最基本的電子凸輪的設(shè)計(jì)。

2.1 凸輪關(guān)系表

首先通過排線過程分析得知，排線過程是個(gè)周期性的位置對應(yīng)過程，只需要以卷繞軸位置為主軸（x軸），排線軸位置為從軸（y軸），在凸輪關(guān)系表中構(gòu)造凸輪關(guān)系曲線。因?yàn)榭梢赃x擇周期性執(zhí)行，所以只需要構(gòu)造一個(gè)周期內(nèi)的凸輪曲線即可。如圖4所示為0.33mm金剛線的排線凸輪曲線。

圖4 0.33mm金剛線的排線凸輪曲線

2.2 MC_Cam TableSelect凸輪表選擇指令

該指令主要參數(shù)說明：Axis為從軸站號(hào)，Master為主軸站號(hào)，Cam TableSelect為所選擇電子凸輪表序號(hào)，Periodic為選擇凸輪表是單次執(zhí)行還是周期執(zhí)行，MasterAbsolute和SlaveAbsolute配合使用可設(shè)置4種不同的主從軸耦合方式，Done為完成位。

2.3 MC_Cam In凸輪耦合指令

執(zhí)行該指令時(shí)，凸輪的主從軸進(jìn)入同步狀態(tài)。指令的主要參數(shù)說明：MasterOffset和SlaveOffset分別是凸輪主從軸的偏置量，MasterScaling和SlaveScaling分別是主從軸的縮放比例，StartMode用來選擇從軸啟動(dòng)模式，InSync是耦合完成位，EndOfProfile是非周期凸輪循環(huán)結(jié)束位。

2.4 MC_CamOut凸輪脫離指令

Axis是從軸的軸號(hào)，執(zhí)行這一指令時(shí)，從軸脫離電子凸輪關(guān)系并以脫離點(diǎn)的速度繼續(xù)運(yùn)行。

2.5 電子凸輪控制排線流程

當(dāng)設(shè)備上電時(shí)，進(jìn)行初始化設(shè)置，控制器將各軸的位置從掉電保持寄存器中讀出來，然后根據(jù)預(yù)先編輯好的凸輪關(guān)系進(jìn)行耦合。除非設(shè)備進(jìn)入點(diǎn)動(dòng)模式，否則各軸之間的凸輪關(guān)系將一直保持。設(shè)備調(diào)試階段，如操作人員發(fā)現(xiàn)排線紊亂，可以使用手動(dòng)微調(diào)功能。排線的手動(dòng)微調(diào)功能由給卷繞軸一個(gè)附加的速度來完成。整個(gè)排線的控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 排線控制程序流程圖

2.6 切割線規(guī)格變化后電子凸輪關(guān)系的更改

在實(shí)際使用當(dāng)中，一臺(tái)設(shè)備上可能會(huì)使用不同規(guī)格的切割線。當(dāng)使用切割線的直徑發(fā)生變化后，排線間距必須相應(yīng)變化。這樣就要求，用戶能通過人機(jī)界面進(jìn)行切割線規(guī)格的更改設(shè)置，而底層程序可以按照不同的金剛線尺寸更改電子凸輪關(guān)系表。

在MC_Cam In凸輪耦合指令中，提供了MasterScaling和SlaveScaling兩個(gè)輸入?yún)?shù)，它們分別用來改變凸輪曲線主軸和從軸的縮放比例，其默認(rèn)值都為1。凸輪曲線圖（圖4）的x軸代表一個(gè)排線周期卷繞軸位置改變的脈沖數(shù)，當(dāng)排線間距變小時(shí)，則意味著排線軸走完相同的排線寬度需要卷繞軸旋轉(zhuǎn)更多的圈數(shù)，所以x軸這個(gè)坐標(biāo)值會(huì)變大，當(dāng)排線間距變大時(shí)，這個(gè)值會(huì)相應(yīng)變小。x軸縮放改變的比例為兩種不同切割線的排線間距比，同時(shí)也是切割線直徑比。

本文以最常用的0.33mm金剛線為基準(zhǔn)建立了凸輪關(guān)系曲線。當(dāng)需要使用另外規(guī)格的金剛線時(shí)，用戶可通過HM I來設(shè)置線徑，線徑值被下載到DVP10MC11T中，進(jìn)行運(yùn)算改變MC_Cam In指令的MasterScaling參數(shù)的寄存器值。再次進(jìn)行凸輪耦合的時(shí)候，就可以生成新的凸輪曲線。

3 結(jié) 論

在所控項(xiàng)目，新型金剛石單線切割機(jī)樣機(jī)上采用了上述排線設(shè)計(jì)方法。分別利用了0.24mm和0.33mm直徑的金剛線進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，采用了1.5倍的線直徑作為排線間距進(jìn)行排線。切割前調(diào)試時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)微修正。切割運(yùn)行時(shí)排線精確有序，基本不需要進(jìn)行微調(diào)。實(shí)踐證明此種開發(fā)方法高效可靠。

因?yàn)榕啪€系統(tǒng)是各種線切割設(shè)備中很重要的組成部分，（如在搖擺式金剛石單線切割機(jī)，太陽能硅片多線切割機(jī)，金剛石多線切割機(jī)等設(shè)備中），而這些設(shè)備的排線方式又大同小異。所以這種利用電子凸輪技術(shù)進(jìn)行排線設(shè)計(jì)的方法可以方便地移植到這類機(jī)型的設(shè)計(jì)或改型工作當(dāng)中，是一種先進(jìn)的共性技術(shù)。

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[1]申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]朱云峰，魏鏡弢，王庭有，等.電子凸輪在搖頭床中的應(yīng)用與研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011(7):21

[3]吳旭，張為強(qiáng)，孟凡輝.多線切割機(jī)排線方法研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(12):44-46.