多线切割机恒张力控制系统研究

林君焕, 陈月芬, 金建华, 章锦雷, 林海波

(1.台州职业技术学院机电学院,浙江,台州　318000; 2.台州学院物理与电子工程学院,浙江,台州　318000;

3.宁波大学机械工程与力学学院,浙江,宁波　315211; 4.宁波海天注塑机集团有限公司,浙江,宁波　315801)



多线切割机恒张力控制系统研究

林君焕1,3, 陈月芬2, 金建华1, 章锦雷4, 林海波1

(1.台州职业技术学院机电学院,浙江,台州318000; 2.台州学院物理与电子工程学院,浙江,台州318000;

3.宁波大学机械工程与力学学院,浙江,宁波315211; 4.宁波海天注塑机集团有限公司,浙江,宁波315801)

摘要：简述了多线切割机的轮系结构,提出了一种可行的弹簧张紧机构,设计了工控机加PCI总线I/O板卡的硬件体系,建立了罗拉电机和张紧机构的控制系统传递函数模型。针对系统的时变特性,设计了综合免疫算法和微分项的控制器。最后,分别在Matlab环境中和机器上进行了仿真实验和试验,仿真和试验结果表明所设计控制系统具有一定的可行性和有效性。

关键词：多线切割机; 恒张力控制; 免疫控制器; 同步控制

1引言

多线切割是一种新型加工方法,它通过金属丝的高速往复运动把磨料带入半导体加工区域进行研磨,最终把半导体切割成薄片,因而具有高的加工精度和效率,目前已逐渐代替了传统的内圆切片加工方法。日本学者对工艺的研究成果使得多线切割机批量加工各类晶片、太阳能光伏电池等超薄基片成为可能[1-6]。国内主要集中在多线切割机控制系统方面的研究[7-9]。文献[8]提出了一种自适应逆随动控制系统结构,证明具有较好的恒张力控制效果。文献[9]提出一种机电一体化的张力控制系统方案,试验结果证明了该系统的可行性、可靠性。文献[10]设计了一种加工罗拉摇摆装置,采用模糊迭代同步控制策略实现了对LED多线切割机的同步控制,具有控制精度高等优点。本文从降低成本和控制器设计复杂度考虑,设计了一种基于免疫算法加微分项的控制器和弹簧张紧机构的切割线恒张力控制系统,通过仿真与试验,证明了控制系统的有效性。

2多线切割机的张紧结构设计

多线切割机模型如图1所示。在切割机模型的机械结构中,张紧机构是一个关键结构。文献[8]对重力锤张紧机构和力矩电机张紧机构做了相关的介绍。前者存在控制精度低缺点,后者增加了成本。本文设计的张紧机构如图1中所示,它由弹簧对张力轮施加张力,并在弹簧另一端安装力传感器来测量弹簧所受的拉力。

3恒张力控制系统硬件体系设计

张力控制系统采用以工控机作为主控单元,以自行开发的基于PCI总线的接口电路作为I/O板卡的设计方案,实现控制系统力传感器信号的采集、罗拉电机驱动器控制信号的输出以及切割线恒张力的控制。其结构如图2所示。

图1　多线切割机模型Fig.1　The model of multi-wire saw

4恒张力控制系统建模

多线切割机切割工件时,作为驱动主罗拉运转的伺服电机其速度按照既定的运动模式循环往复,具体为:正向加速——正向恒速——正向减速——停止——反向加速——反向恒速——反向减速——停止,且正向运动比反向运动的时间长,使放线罗拉的线慢慢耗尽。根据多线切割机的控制要求,其控制框图如图3所示。

图2　硬件系统总体结构框图Fig.2　The structure of the hardware system

图3　控制系统框图Fig.3　The block diagram of the control system

4.1罗拉电机数学模型

收放线罗拉电机采用交流伺服电机,它的机械和电气模型可以参考直流电机模型,其传递函数模型为

(1)

4.2张紧机构数学模型

根据图1中所示的张紧机构动力学模型,有

(2)

fl=kll

(3)

式中,ft是切割线张力,fl是弹簧拉力,l是弹簧伸长量,以上各量都是相对于弹簧平衡态的变化量,kl是弹簧弹性系数。弹簧平衡状态是指发生在收线罗拉(放线罗拉)与主罗拉同步时刻,使得2ft=fl+mg。

由式(2)和(3)可得

(4)

张紧机构的结构决定了力传感器所得的测量值实际上是张力轮的位移信号,而张力的变化情况则可以通过式(4)观察到。

根据图3所示的控制要求,张紧机构传递环节的输入为收线罗拉(放线罗拉)与主罗拉的速度差v,则l与v的关系有

(5)

其中,v=vT-vW,vT是收线罗拉速度,vW是主罗拉速度。

(6)

由于多线切割机切割工艺的要求,在切割过程中,切割线要按设定的耗线速度逐渐从放线罗拉中释放,由收线罗拉回收,在这一过程中,收线罗拉(放线罗拉)的半径会随着线的回收,慢慢增加(减少)。但是由于RT是缓慢变化的,在较短时间内RT可以近似看成常数,因而式(6)可变为

(7)

式(7)经拉普拉斯变换后可得相应的传递函数

(8)

4.3免疫控制器设计

控制器是控制系统的关键和核心单元,直接决定着控制系统的性能。通过对多线切割机中张力控制系统各模型的分析与计算,可以看出它是一个非线性时变系统,对于控制器的鲁棒性要求很高,难以通过直接数字控制器设计方法实现。本文采用基于生物免疫机理加微分算式的控制器,它具有很强的鲁邦控制性能,适合于多线切割机的恒张力控制。

在生物的免疫系统中,存在T细胞和B细胞。B细胞能分泌出抗体来跟外部入侵的抗原结合,实现消除抗原。T细胞可分为抑制TH细胞、辅助TS细胞,在免疫应答过程中能促进和抑制B细胞的增殖和分化,对免疫调节起着重要的作用。人工免疫反馈控制就是通过基于免疫系统T细胞调节机理的免疫应答来实现的。T细胞的整个调节过程如表1所示:免疫应答初期,抗原浓度大,抗体浓度小时,TH起主要作用,应答过程将受到促进;免疫应答后期,抗原浓度小而抗体浓度大时,TS起主要作用,应答过程将受到抑制,以保证免疫系统的稳定性。抗原浓度和抗体浓度都小时,达到免疫稳定阶段,免疫应答结束[11-15],免疫应答过程如表1所示。

表1　免疫应答过程中T细胞的作用

根据上述免疫应答的机理可得到如下免疫系统抗体与抗原关系:

(9)

式中,Ab(k)表示免疫系统第k代的抗体;Ag(k)表示免疫系统第k代的抗原;KH表示T细胞的免疫应答促进效果;KS表示T细胞的免疫应答抑制效果;ΔAb(k-d)=Ab(k-d)-Ab(k-d1)表示第d代前抗体与第d1代前抗体浓度差,且d1>d。

通过如表2所示的转化过程,可将免疫系统的免疫应答模型转化为控制系统领域的控制器模型。

在免疫系统中由于抗原浓度不会出现负值,因此免疫反馈算法只是抗原浓度大于零时的模型。而实际控制系统中偏差存在负值,需要对反馈算法作一定的变形即将偏差e(k)正负因素考虑在内,另外也考虑到微分算式具有在过渡阶段提前响应的功能,提出一种综合了微分算式的新型免疫反馈控制器,表示如下:

表2　免疫系统与恒张力控制系统各参量对应表

(10)

5实验

5.1仿真实验

主罗拉伺服电机及其伺服驱动采用安川的SGMVH2BA2B2N型电机和SGDH2BAEB型伺服驱动器。它的传递函数为

收线(放线)罗拉伺服电机及其伺服驱动采用安川的SGMSV70ADA21型电机和SGDV-550A01型伺服驱动器。它的传递函数为

收线侧(放线侧)张紧机构的弹簧弹性系数为50N/m,张力轮质量为0.2kg,则张力观察通道的传递函数为

(11)

在仿真模型中,使用如下模型来模拟收线罗拉(放线罗拉)半径变化情况。

(12)

式中,vT为相邻仿真时刻间收线罗拉(放线罗拉)速度,t为相邻仿真时刻时间长度,RT为更新前的收线罗拉(放线罗拉)半径,D为切割线线径,L为收线罗拉(放线罗拉)长度。由式(12)的计算值来更新张紧环节的传递函数。

在MATLAB环境中,使用Simulink模块及其S函数建立以上各环节的仿真模型,实现对多线切割机恒张力控制的仿真,其仿真图如图4所示。仿真中,免疫控制器参数设置为KH=50,θ=0.1,KS=5,d=32,d1=48,a=0.6364,kd=180;切割工艺参数有:走线速度vT为10 m/s,往复时间60 s,正向切割时间40 s,反向切割20 s,正反向过渡加速度5 m/s,切割线线径D为0.000 1 m,收线罗拉(放线罗拉)长度L为0.2 m,收线罗拉(放线罗拉)半径初始值RT为0.06 m,切割线恒定张力设定值为30 N;Simulink仿真参数有:固定仿真步长为0.01 s,仿真长度为2 000 s。

图4　多线切割机恒张力控制系统simulink仿真模型图Fig.4　Simulating model for constant tension control system of Multi-wire saw with simulink

仿真结果如图5所示。图5(a)分别是收线罗拉(放线罗拉)与主罗拉不同步导致的张力轮位移扰动和控制后的张力轮位移曲线,从图中可以看出控制后,对位移扰动的抑制率达到88%以上;图5(b)为相应的切割线张力控制效果图,控制系统对张力扰动抑制率也在86%左右。控制后的张力波动范围在±1N内,能够满足切割工艺的恒张力要求。图6为采用重力锤张紧机构和PID控制器的恒张力控制仿真结果图。从图中可以看出,张力轮位移扰动抑制率为81%左右,切割线张力扰动抑制率为76%左右,整体控制性能劣于采用免疫控制器和弹簧张紧机构的恒张力控制系统。

5.2试验

基于免疫控制器和弹簧张紧机构的恒张力控制系统在SJQ-380型多线切割机平台上进行实验。切割线正反向过渡加速度为2米/秒/秒。试验中的走线速度为600米/分,线张力设定为30牛,工件为磁性材料。免疫控制器参考了仿真实验中的参数设置。

免疫控制器系统和PID控制器系统的试验结果如图7所示。从图中可以看出,当走线速度为600米/分时,PID控制器系统的张力波动保持在±2N左右;免疫控制器系统的张力波动大部分都保持在±1N以内,有几个短时段在±2N左右。综合来看,后者的恒张力控制性能要优于前者。

图5　 基于免疫控制器和弹簧张紧机构的 恒张力控制仿真结果Fig.5　 The result of simulation of constant tension control based on immune controller and tensioning structure with spring

6结论

切割线的恒张力控制是多线切割机设计中的关键技术和难点。切割线的恒张力控制是通过控制主罗拉、放线罗拉和收线罗拉速度同步来实现的。在运行过程中,系统参数会随时间变化。这种系统对于控制的鲁棒性要求较高,难以采用直接的数字控制器设计方法。本文所设计的多线切割机恒张力控制系统在硬件上采用工控机加PCI总线I/O板卡的硬件体系,在机械结构上采用弹簧张紧机构,在控制系统建模上设计了具有高鲁棒性的免疫反馈控制器,通过Matlab仿真实验和真机试验,结果表明所设计的系统能够满足切割工艺的要求。但本文所做的研究还存在不足,试验时,走线速度限定在600米/分,过渡阶段加速度为2米/秒/秒。对于上走线速度高于1000米/分的切割机床恒张力控制问题,还需要更深入地研究。

图6　 基于PID控制器和重力锤张紧机构的 恒张力控制仿真结果Fig.6　 The result of simulation of constant tension control based on PID controller and tensioning structure with gravity hammer

图7　多线切割机床控制系统收放线侧张力Fig.7　 The result of tension of both taking-up side and pay-off side for controlling system of multi-saw

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林君焕男(1982-),浙江温岭人,硕士,讲师,研究方向为振动控制、智能信号处理。

陈月芬女(1981-),浙江黄岩人,硕士,讲师,研究方向为智能算法,信号处理。

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

基金项目：浙江省公益技术应用研究计划项目(2015C31158)、台州市科技计划重点项目资助(121ZD12)、浙江省自然科学基金资助项目(LY14E050001)、浙江省重点实验室开放基金项目(ZKL-PR-200307)

中图分类号：TP 273

文献标识码：A