多線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)研究

林君煥, 陳月芬, 金建華, 章錦雷, 林海波

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院,浙江,臺(tái)州　318000; 2.臺(tái)州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,浙江,臺(tái)州　318000;

3.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江,寧波　315211; 4.寧波海天注塑機(jī)集團(tuán)有限公司,浙江,寧波　315801)

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多線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)研究

林君煥1,3, 陳月芬2, 金建華1, 章錦雷4, 林海波1

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院,浙江,臺(tái)州318000; 2.臺(tái)州學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,浙江,臺(tái)州318000;

3.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江,寧波315211; 4.寧波海天注塑機(jī)集團(tuán)有限公司,浙江,寧波315801)

摘要：簡(jiǎn)述了多線切割機(jī)的輪系結(jié)構(gòu),提出了一種可行的彈簧張緊機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了工控機(jī)加PCI總線I/O板卡的硬件體系,建立了羅拉電機(jī)和張緊機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。針對(duì)系統(tǒng)的時(shí)變特性,設(shè)計(jì)了綜合免疫算法和微分項(xiàng)的控制器。最后,分別在Matlab環(huán)境中和機(jī)器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn),仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)具有一定的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：多線切割機(jī); 恒張力控制; 免疫控制器; 同步控制

1引言

多線切割是一種新型加工方法,它通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨,最終把半導(dǎo)體切割成薄片,因而具有高的加工精度和效率,目前已逐漸代替了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切片加工方法。日本學(xué)者對(duì)工藝的研究成果使得多線切割機(jī)批量加工各類晶片、太陽(yáng)能光伏電池等超薄基片成為可能[1-6]。國(guó)內(nèi)主要集中在多線切割機(jī)控制系統(tǒng)方面的研究[7-9]。文獻(xiàn)[8]提出了一種自適應(yīng)逆隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),證明具有較好的恒張力控制效果。文獻(xiàn)[9]提出一種機(jī)電一體化的張力控制系統(tǒng)方案,試驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)的可行性、可靠性。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種加工羅拉搖擺裝置,采用模糊迭代同步控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED多線切割機(jī)的同步控制,具有控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文從降低成本和控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜度考慮,設(shè)計(jì)了一種基于免疫算法加微分項(xiàng)的控制器和彈簧張緊機(jī)構(gòu)的切割線恒張力控制系統(tǒng),通過(guò)仿真與試驗(yàn),證明了控制系統(tǒng)的有效性。

2多線切割機(jī)的張緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多線切割機(jī)模型如圖1所示。在切割機(jī)模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)中,張緊機(jī)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]對(duì)重力錘張緊機(jī)構(gòu)和力矩電機(jī)張緊機(jī)構(gòu)做了相關(guān)的介紹。前者存在控制精度低缺點(diǎn),后者增加了成本。本文設(shè)計(jì)的張緊機(jī)構(gòu)如圖1中所示,它由彈簧對(duì)張力輪施加張力,并在彈簧另一端安裝力傳感器來(lái)測(cè)量彈簧所受的拉力。

3恒張力控制系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)

張力控制系統(tǒng)采用以工控機(jī)作為主控單元,以自行開(kāi)發(fā)的基于PCI總線的接口電路作為I/O板卡的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)力傳感器信號(hào)的采集、羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)的輸出以及切割線恒張力的控制。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　多線切割機(jī)模型Fig.1　The model of multi-wire saw

4恒張力控制系統(tǒng)建模

多線切割機(jī)切割工件時(shí),作為驅(qū)動(dòng)主羅拉運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)其速度按照既定的運(yùn)動(dòng)模式循環(huán)往復(fù),具體為:正向加速——正向恒速——正向減速——停止——反向加速——反向恒速——反向減速——停止,且正向運(yùn)動(dòng)比反向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng),使放線羅拉的線慢慢耗盡。根據(jù)多線切割機(jī)的控制要求,其控制框圖如圖3所示。

圖2　硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　The structure of the hardware system

圖3　控制系統(tǒng)框圖Fig.3　The block diagram of the control system

4.1羅拉電機(jī)數(shù)學(xué)模型

收放線羅拉電機(jī)采用交流伺服電機(jī),它的機(jī)械和電氣模型可以參考直流電機(jī)模型,其傳遞函數(shù)模型為

(1)

4.2張緊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1中所示的張緊機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型,有

(2)

fl=kll

(3)

式中,ft是切割線張力,fl是彈簧拉力,l是彈簧伸長(zhǎng)量,以上各量都是相對(duì)于彈簧平衡態(tài)的變化量,kl是彈簧彈性系數(shù)。彈簧平衡狀態(tài)是指發(fā)生在收線羅拉(放線羅拉)與主羅拉同步時(shí)刻,使得2ft=fl+mg。

由式(2)和(3)可得

(4)

張緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)決定了力傳感器所得的測(cè)量值實(shí)際上是張力輪的位移信號(hào),而張力的變化情況則可以通過(guò)式(4)觀察到。

根據(jù)圖3所示的控制要求,張緊機(jī)構(gòu)傳遞環(huán)節(jié)的輸入為收線羅拉(放線羅拉)與主羅拉的速度差v,則l與v的關(guān)系有

(5)

其中,v=vT-vW,vT是收線羅拉速度,vW是主羅拉速度。

(6)

由于多線切割機(jī)切割工藝的要求,在切割過(guò)程中,切割線要按設(shè)定的耗線速度逐漸從放線羅拉中釋放,由收線羅拉回收,在這一過(guò)程中,收線羅拉(放線羅拉)的半徑會(huì)隨著線的回收,慢慢增加(減少)。但是由于RT是緩慢變化的,在較短時(shí)間內(nèi)RT可以近似看成常數(shù),因而式(6)可變?yōu)?/p>

(7)

式(7)經(jīng)拉普拉斯變換后可得相應(yīng)的傳遞函數(shù)

(8)

4.3免疫控制器設(shè)計(jì)

控制器是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心單元,直接決定著控制系統(tǒng)的性能。通過(guò)對(duì)多線切割機(jī)中張力控制系統(tǒng)各模型的分析與計(jì)算,可以看出它是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng),對(duì)于控制器的魯棒性要求很高,難以通過(guò)直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。本文采用基于生物免疫機(jī)理加微分算式的控制器,它具有很強(qiáng)的魯邦控制性能,適合于多線切割機(jī)的恒張力控制。

在生物的免疫系統(tǒng)中,存在T細(xì)胞和B細(xì)胞。B細(xì)胞能分泌出抗體來(lái)跟外部入侵的抗原結(jié)合,實(shí)現(xiàn)消除抗原。T細(xì)胞可分為抑制TH細(xì)胞、輔助TS細(xì)胞,在免疫應(yīng)答過(guò)程中能促進(jìn)和抑制B細(xì)胞的增殖和分化,對(duì)免疫調(diào)節(jié)起著重要的作用。人工免疫反饋控制就是通過(guò)基于免疫系統(tǒng)T細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)理的免疫應(yīng)答來(lái)實(shí)現(xiàn)的。T細(xì)胞的整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程如表1所示:免疫應(yīng)答初期,抗原濃度大,抗體濃度小時(shí),TH起主要作用,應(yīng)答過(guò)程將受到促進(jìn);免疫應(yīng)答后期,抗原濃度小而抗體濃度大時(shí),TS起主要作用,應(yīng)答過(guò)程將受到抑制,以保證免疫系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？乖瓭舛群涂贵w濃度都小時(shí),達(dá)到免疫穩(wěn)定階段,免疫應(yīng)答結(jié)束[11-15],免疫應(yīng)答過(guò)程如表1所示。

表1　免疫應(yīng)答過(guò)程中T細(xì)胞的作用

根據(jù)上述免疫應(yīng)答的機(jī)理可得到如下免疫系統(tǒng)抗體與抗原關(guān)系:

(9)

式中,Ab(k)表示免疫系統(tǒng)第k代的抗體;Ag(k)表示免疫系統(tǒng)第k代的抗原;KH表示T細(xì)胞的免疫應(yīng)答促進(jìn)效果;KS表示T細(xì)胞的免疫應(yīng)答抑制效果;ΔAb(k-d)=Ab(k-d)-Ab(k-d1)表示第d代前抗體與第d1代前抗體濃度差,且d1>d。

通過(guò)如表2所示的轉(zhuǎn)化過(guò)程,可將免疫系統(tǒng)的免疫應(yīng)答模型轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)領(lǐng)域的控制器模型。

在免疫系統(tǒng)中由于抗原濃度不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,因此免疫反饋算法只是抗原濃度大于零時(shí)的模型。而實(shí)際控制系統(tǒng)中偏差存在負(fù)值,需要對(duì)反饋算法作一定的變形即將偏差e(k)正負(fù)因素考慮在內(nèi),另外也考慮到微分算式具有在過(guò)渡階段提前響應(yīng)的功能,提出一種綜合了微分算式的新型免疫反饋控制器,表示如下:

表2　免疫系統(tǒng)與恒張力控制系統(tǒng)各參量對(duì)應(yīng)表

(10)

5實(shí)驗(yàn)

5.1仿真實(shí)驗(yàn)

主羅拉伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)采用安川的SGMVH2BA2B2N型電機(jī)和SGDH2BAEB型伺服驅(qū)動(dòng)器。它的傳遞函數(shù)為

收線(放線)羅拉伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)采用安川的SGMSV70ADA21型電機(jī)和SGDV-550A01型伺服驅(qū)動(dòng)器。它的傳遞函數(shù)為

收線側(cè)(放線側(cè))張緊機(jī)構(gòu)的彈簧彈性系數(shù)為50N/m,張力輪質(zhì)量為0.2kg,則張力觀察通道的傳遞函數(shù)為

(11)

在仿真模型中,使用如下模型來(lái)模擬收線羅拉(放線羅拉)半徑變化情況。

(12)

式中,vT為相鄰仿真時(shí)刻間收線羅拉(放線羅拉)速度,t為相鄰仿真時(shí)刻時(shí)間長(zhǎng)度,RT為更新前的收線羅拉(放線羅拉)半徑,D為切割線線徑,L為收線羅拉(放線羅拉)長(zhǎng)度。由式(12)的計(jì)算值來(lái)更新張緊環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

在MATLAB環(huán)境中,使用Simulink模塊及其S函數(shù)建立以上各環(huán)節(jié)的仿真模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)多線切割機(jī)恒張力控制的仿真,其仿真圖如圖4所示。仿真中,免疫控制器參數(shù)設(shè)置為KH=50,θ=0.1,KS=5,d=32,d1=48,a=0.6364,kd=180;切割工藝參數(shù)有:走線速度vT為10 m/s,往復(fù)時(shí)間60 s,正向切割時(shí)間40 s,反向切割20 s,正反向過(guò)渡加速度5 m/s,切割線線徑D為0.000 1 m,收線羅拉(放線羅拉)長(zhǎng)度L為0.2 m,收線羅拉(放線羅拉)半徑初始值RT為0.06 m,切割線恒定張力設(shè)定值為30 N;Simulink仿真參數(shù)有:固定仿真步長(zhǎng)為0.01 s,仿真長(zhǎng)度為2 000 s。

圖4　多線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)simulink仿真模型圖Fig.4　Simulating model for constant tension control system of Multi-wire saw with simulink

仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a)分別是收線羅拉(放線羅拉)與主羅拉不同步導(dǎo)致的張力輪位移擾動(dòng)和控制后的張力輪位移曲線,從圖中可以看出控制后,對(duì)位移擾動(dòng)的抑制率達(dá)到88%以上;圖5(b)為相應(yīng)的切割線張力控制效果圖,控制系統(tǒng)對(duì)張力擾動(dòng)抑制率也在86%左右?？刂坪蟮膹埩Σ▌?dòng)范圍在±1N內(nèi),能夠滿足切割工藝的恒張力要求。圖6為采用重力錘張緊機(jī)構(gòu)和PID控制器的恒張力控制仿真結(jié)果圖。從圖中可以看出,張力輪位移擾動(dòng)抑制率為81%左右,切割線張力擾動(dòng)抑制率為76%左右,整體控制性能劣于采用免疫控制器和彈簧張緊機(jī)構(gòu)的恒張力控制系統(tǒng)。

5.2試驗(yàn)

基于免疫控制器和彈簧張緊機(jī)構(gòu)的恒張力控制系統(tǒng)在SJQ-380型多線切割機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。切割線正反向過(guò)渡加速度為2米/秒/秒。試驗(yàn)中的走線速度為600米/分,線張力設(shè)定為30牛,工件為磁性材料。免疫控制器參考了仿真實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)設(shè)置。

免疫控制器系統(tǒng)和PID控制器系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出,當(dāng)走線速度為600米/分時(shí),PID控制器系統(tǒng)的張力波動(dòng)保持在±2N左右;免疫控制器系統(tǒng)的張力波動(dòng)大部分都保持在±1N以內(nèi),有幾個(gè)短時(shí)段在±2N左右。綜合來(lái)看,后者的恒張力控制性能要優(yōu)于前者。

圖5　 基于免疫控制器和彈簧張緊機(jī)構(gòu)的 恒張力控制仿真結(jié)果Fig.5　 The result of simulation of constant tension control based on immune controller and tensioning structure with spring

6結(jié)論

切割線的恒張力控制是多線切割機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。切割線的恒張力控制是通過(guò)控制主羅拉、放線羅拉和收線羅拉速度同步來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化。這種系統(tǒng)對(duì)于控制的魯棒性要求較高,難以采用直接的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法。本文所設(shè)計(jì)的多線切割機(jī)恒張力控制系統(tǒng)在硬件上采用工控機(jī)加PCI總線I/O板卡的硬件體系,在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用彈簧張緊機(jī)構(gòu),在控制系統(tǒng)建模上設(shè)計(jì)了具有高魯棒性的免疫反饋控制器,通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)和真機(jī)試驗(yàn),結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足切割工藝的要求。但本文所做的研究還存在不足,試驗(yàn)時(shí),走線速度限定在600米/分,過(guò)渡階段加速度為2米/秒/秒。對(duì)于上走線速度高于1000米/分的切割機(jī)床恒張力控制問(wèn)題,還需要更深入地研究。

圖6　 基于PID控制器和重力錘張緊機(jī)構(gòu)的 恒張力控制仿真結(jié)果Fig.6　 The result of simulation of constant tension control based on PID controller and tensioning structure with gravity hammer

圖7　多線切割機(jī)床控制系統(tǒng)收放線側(cè)張力Fig.7　 The result of tension of both taking-up side and pay-off side for controlling system of multi-saw

參考文獻(xiàn):

[1]N de Jong,A den Ouden.A multiwire saw for the production of ultrasound transducers[J].J.Phvs.E:Sci.Instrum,1987,12(20):1457-1461.

[2]Jun SUGAWARA,Hiroshi HARA.Development of Fixed-Abrasive-Grain Wire Saw with Less Cutting Loss[J].New Materials.Sei Technical Review,2004,7(58):7-11.

[3]OISHI HIROSHI,ASAKAWA KEIICHIRO.Effects of Wire Running Speed and Work Feed Rate on Multiwire Saw Slicing[J].Journal of the Japan Society for Precision Engineering,2001,67(5):791-796.

[4]Suwabe H,Ishikawa K.A Basic Study on Slicing Slurry Actions and Characteristics of Multi-wire Saw[J].Proceedings of ASPE.2001:477-480.

[5]Takaya Watanabe.Masayasu Kojima.Study of quartz crystal slicing technology by using unidirectional multi-wire-saw[A].2001 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition.

[6]Thomas Palathra,Raymond Adomaitis.Process Modeling of awire Saw Operation[R].ISRTECHNICAL REPORT.2008-9.

[7]靳永吉.DXQ-601型多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008,14(159):14-17.

JIN Yongji.The Study of Key Technology DXQ-601 Multi-wire Sawing Machine[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,2008,14(159):14-17.

[8]張義兵,戴瑜興.多線切割機(jī)速度同步系統(tǒng)的自適應(yīng)逆控制[J].控制理論與應(yīng)用,2008,25(6):1007-1010.

ZHANG Yibing,DAI Yuxing,TANG Rui.Adaptive inverse control of speed synchronization system for a multi-wire saw[J].Control Theory & Applications,2008,25(6):1007-1010.

[9]張義兵,戴瑜興,袁巨龍,等.多線切割機(jī)線張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(5):295-300.

ZHANG Yibing,DAI Yuxing,YUAN Julong,et al.Design of implement of wire tension control system for multi-wire saw[J].JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2009,45(5):295-300.

[10]彭思齊,戴瑜興,蔣近.LED多線切割機(jī)同步控制系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(2):131-135.

Peng Siqi,Dai Yuxing,Jiang Jin.Development of Synchronous Control System in LED Multi-wire Saw[J].China Mechanical Engineering,2012,23(2):131-135.

[11]過(guò)潤(rùn)秋,王小紅.基于免疫反饋機(jī)理的溫度自動(dòng)控制研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,30(6):717-721.

GUO Runqiu,WANG Xiaohong.The research on temperature autocontrol based on the immune feedback mechanism[J].JOURNAL OF XIDIAN UNIVERSITY,2003,30(6):717-721.

[12]AkahashiK,YamadaT.Application of an immune feedback mechanism to control systems[J].JSME International Journal Series C,1998,41(2):184-191.

[13]彭道剛,楊平,王志萍,楊艷華,劉玉玲.模糊免疫PID控制在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2005,13(3):250-251.

Peng Daogang,Yang Ping,Wang Zhiping,Yang Yanhua,Liu Yuling.Fuzzy Immune PID Control and Its Application to Main Steam Temperature Control System[J].Computer Measurement & Control,2005,13(3):250-251.

[14]朱冰蓮,田學(xué)隆,宋維杰．基于人工免疫系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)[J]．儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(7):1416-1419.

Zhu Binglian,Tian Xuelong,Song Weijie.Medical image registration algorithm based on artificial immune system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2009,30(7):1416-1419.

[15]張毅,楊秀霞.基于遺傳算法的模糊免疫控制器設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(7):1548-1551.

ZHANG Yi,YANG Xiuxia.Design for Fuzzy Immune Controller Bases on Genetic Algorithm[J].JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION,2004,16(7):1548-1551.

林君煥男(1982-),浙江溫嶺人,碩士,講師,研究方向?yàn)檎駝?dòng)控制、智能信號(hào)處理。

陳月芬女(1981-),浙江黃巖人,碩士,講師,研究方向?yàn)橹悄芩惴?信號(hào)處理。

Research on Constant Tension Control System for Multi-Wire SawLINJunhuan1,3,CHENYuefen2,JINJianhua1,ZHANGJinlei4,LINHaibo1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Taizhou Vocational Technical College,Taizhou,318000,China;

2.School of Physics and Electronic Engineering,Taizhou University,Taizhou,318000,China;

3.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics,Ningbo University,Ningbo,315211,China;

4.Ningbo Haitian plastics machinery Group Co.,Ltd,Ningbo,315801,China)

Abstract：The structure of wheel train is introduced in brief,then a practicable tensioning device using spring is proposed.The hardware architecture is designed based on industrial PC and I/O card with PCI bus,and then the transfer function models of roller motors and tensioning device are built.Additionally,the controller combining the immune algorithm with derivative argument is designed to solve the problem of time-varying system.Finally,the simulation and testing is implemented with Matlab and multi-wire saw respectively,and the results demonstrate that the supposed control system is effective.

Key words：muti-wire saw; constant tension control; immune controller; synchronous control

基金項(xiàng)目：浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C31158)、臺(tái)州市科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助(121ZD12)、浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY14E050001)、浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(ZKL-PR-200307)

中圖分類號(hào)：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A