林君煥, 陳月芬, 金建華, 章錦雷, 林海波

(1.臺州職業(yè)技術學院機電學院,浙江,臺州　318000; 2.臺州學院物理與電子工程學院,浙江,臺州　318000;

3.寧波大學機械工程與力學學院,浙江,寧波　315211; 4.寧波海天注塑機集團有限公司,浙江,寧波　315801)

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多線切割機恒張力控制系統(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.臺州職業(yè)技術學院機電學院,浙江,臺州318000; 2.臺州學院物理與電子工程學院,浙江,臺州318000;

3.寧波大學機械工程與力學學院,浙江,寧波315211; 4.寧波海天注塑機集團有限公司,浙江,寧波315801)

摘要：簡述了多線切割機的輪系結構,提出了一種可行的彈簧張緊機構,設計了工控機加PCI總線I/O板卡的硬件體系,建立了羅拉電機和張緊機構的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。針對系統(tǒng)的時變特性,設計了綜合免疫算法和微分項的控制器。最后,分別在Matlab環(huán)境中和機器上進行了仿真實驗和試驗,仿真和試驗結果表明所設計控制系統(tǒng)具有一定的可行性和有效性。

關鍵詞：多線切割機; 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,它通過金屬絲的高速往復運動把磨料帶入半導體加工區(qū)域進行研磨,最終把半導體切割成薄片,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。日本學者對工藝的研究成果使得多線切割機批量加工各類晶片、太陽能光伏電池等超薄基片成為可能[1-6]。國內(nèi)主要集中在多線切割機控制系統(tǒng)方面的研究[7-9]。文獻[8]提出了一種自適應逆隨動控制系統(tǒng)結構,證明具有較好的恒張力控制效果。文獻[9]提出一種機電一體化的張力控制系統(tǒng)方案,試驗結果證明了該系統(tǒng)的可行性、可靠性。文獻[10]設計了一種加工羅拉搖擺裝置,采用模糊迭代同步控制策略實現(xiàn)了對LED多線切割機的同步控制,具有控制精度高等優(yōu)點。本文從降低成本和控制器設計復雜度考慮,設計了一種基于免疫算法加微分項的控制器和彈簧張緊機構的切割線恒張力控制系統(tǒng),通過仿真與試驗,證明了控制系統(tǒng)的有效性。

2多線切割機的張緊結構設計

多線切割機模型如圖1所示。在切割機模型的機械結構中,張緊機構是一個關鍵結構。文獻[8]對重力錘張緊機構和力矩電機張緊機構做了相關的介紹。前者存在控制精度低缺點,后者增加了成本。本文設計的張緊機構如圖1中所示,它由彈簧對張力輪施加張力,并在彈簧另一端安裝力傳感器來測量彈簧所受的拉力。

3恒張力控制系統(tǒng)硬件體系設計

張力控制系統(tǒng)采用以工控機作為主控單元,以自行開發(fā)的基于PCI總線的接口電路作為I/O板卡的設計方案,實現(xiàn)控制系統(tǒng)力傳感器信號的采集、羅拉電機驅動器控制信號的輸出以及切割線恒張力的控制。其結構如圖2所示。

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

4恒張力控制系統(tǒng)建模

多線切割機切割工件時,作為驅動主羅拉運轉的伺服電機其速度按照既定的運動模式循環(huán)往復,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,且正向運動比反向運動的時間長,使放線羅拉的線慢慢耗盡。根據(jù)多線切割機的控制要求,其控制框圖如圖3所示。

圖2　硬件系統(tǒng)總體結構框圖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羅拉電機數(shù)學模型

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

(1)

4.2張緊機構數(shù)學模型

根據(jù)圖1中所示的張緊機構動力學模型,有

(2)

fl=kll

(3)

式中,ft是切割線張力,fl是彈簧拉力,l是彈簧伸長量,以上各量都是相對于彈簧平衡態(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)與主羅拉同步時刻,使得2ft=fl+mg。

由式(2)和(3)可得

(4)

張緊機構的結構決定了力傳感器所得的測量值實際上是張力輪的位移信號,而張力的變化情況則可以通過式(4)觀察到。

根據(jù)圖3所示的控制要求,張緊機構傳遞環(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)

由于多線切割機切割工藝的要求,在切割過程中,切割線要按設定的耗線速度逐漸從放線羅拉中釋放,由收線羅拉回收,在這一過程中,收線羅拉(放線羅拉)的半徑會隨著線的回收,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的傳遞函數(shù)

(8)

4.3免疫控制器設計

控制器是控制系統(tǒng)的關鍵和核心單元,直接決定著控制系統(tǒng)的性能。通過對多線切割機中張力控制系統(tǒng)各模型的分析與計算,可以看出它是一個非線性時變系統(tǒng),對于控制器的魯棒性要求很高,難以通過直接數(shù)字控制器設計方法實現(xiàn)。本文采用基于生物免疫機理加微分算式的控制器,它具有很強的魯邦控制性能,適合于多線切割機的恒張力控制。

在生物的免疫系統(tǒng)中,存在T細胞和B細胞。B細胞能分泌出抗體來跟外部入侵的抗原結合,實現(xiàn)消除抗原。T細胞可分為抑制TH細胞、輔助TS細胞,在免疫應答過程中能促進和抑制B細胞的增殖和分化,對免疫調節(jié)起著重要的作用。人工免疫反饋控制就是通過基于免疫系統(tǒng)T細胞調節(jié)機理的免疫應答來實現(xiàn)的。T細胞的整個調節(jié)過程如表1所示:免疫應答初期,抗原濃度大,抗體濃度小時,TH起主要作用,應答過程將受到促進;免疫應答后期,抗原濃度小而抗體濃度大時,TS起主要作用,應答過程將受到抑制,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,達到免疫穩(wěn)定階段,免疫應答結束[11-15],免疫應答過程如表1所示。

表1　免疫應答過程中T細胞的作用

根據(jù)上述免疫應答的機理可得到如下免疫系統(tǒng)抗體與抗原關系:

(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細胞的免疫應答促進效果;KS表示T細胞的免疫應答抑制效果;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。

通過如表2所示的轉化過程,可將免疫系統(tǒng)的免疫應答模型轉化為控制系統(tǒng)領域的控制器模型。

在免疫系統(tǒng)中由于抗原濃度不會出現(xiàn)負值,因此免疫反饋算法只是抗原濃度大于零時的模型。而實際控制系統(tǒng)中偏差存在負值,需要對反饋算法作一定的變形即將偏差e(k)正負因素考慮在內(nèi),另外也考慮到微分算式具有在過渡階段提前響應的功能,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)各參量對應表

(10)

5實驗

5.1仿真實驗

主羅拉伺服電機及其伺服驅動采用安川的SGMVH2BA2B2N型電機和SGDH2BAEB型伺服驅動器。它的傳遞函數(shù)為

收線(放線)羅拉伺服電機及其伺服驅動采用安川的SGMSV70ADA21型電機和SGDV-550A01型伺服驅動器。它的傳遞函數(shù)為

收線側(放線側)張緊機構的彈簧彈性系數(shù)為50N/m,張力輪質量為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為相鄰仿真時刻間收線羅拉(放線羅拉)速度,t為相鄰仿真時刻時間長度,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)長度。由式(12)的計算值來更新張緊環(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,實現(xiàn)對多線切割機恒張力控制的仿真,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,往復時間60 s,正向切割時間40 s,反向切割20 s,正反向過渡加速度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,切割線恒定張力設定值為30 N;Simulink仿真參數(shù)有:固定仿真步長為0.01 s,仿真長度為2 000 s。

圖4　多線切割機恒張力控制系統(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)與主羅拉不同步導致的張力輪位移擾動和控制后的張力輪位移曲線,從圖中可以看出控制后,對位移擾動的抑制率達到88%以上;圖5(b)為相應的切割線張力控制效果圖,控制系統(tǒng)對張力擾動抑制率也在86%左右。控制后的張力波動范圍在±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構和PID控制器的恒張力控制仿真結果圖。從圖中可以看出,張力輪位移擾動抑制率為81%左右,切割線張力擾動抑制率為76%左右,整體控制性能劣于采用免疫控制器和彈簧張緊機構的恒張力控制系統(tǒng)。

5.2試驗

基于免疫控制器和彈簧張緊機構的恒張力控制系統(tǒng)在SJQ-380型多線切割機平臺上進行實驗。切割線正反向過渡加速度為2米/秒/秒。試驗中的走線速度為600米/分,線張力設定為30牛,工件為磁性材料。免疫控制器參考了仿真實驗中的參數(shù)設置。

免疫控制器系統(tǒng)和PID控制器系統(tǒng)的試驗結果如圖7所示。從圖中可以看出,當走線速度為600米/分時,PID控制器系統(tǒng)的張力波動保持在±2N左右;免疫控制器系統(tǒng)的張力波動大部分都保持在±1N以內(nèi),有幾個短時段在±2N左右。綜合來看,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構的 恒張力控制仿真結果Fig.5　 The result of simulation of constant tension control based on immune controller and tensioning structure with spring

6結論

切割線的恒張力控制是多線切割機設計中的關鍵技術和難點。切割線的恒張力控制是通過控制主羅拉、放線羅拉和收線羅拉速度同步來實現(xiàn)的。在運行過程中,系統(tǒng)參數(shù)會隨時間變化。這種系統(tǒng)對于控制的魯棒性要求較高,難以采用直接的數(shù)字控制器設計方法。本文所設計的多線切割機恒張力控制系統(tǒng)在硬件上采用工控機加PCI總線I/O板卡的硬件體系,在機械結構上采用彈簧張緊機構,在控制系統(tǒng)建模上設計了具有高魯棒性的免疫反饋控制器,通過Matlab仿真實驗和真機試驗,結果表明所設計的系統(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,試驗時,走線速度限定在600米/分,過渡階段加速度為2米/秒/秒。對于上走線速度高于1000米/分的切割機床恒張力控制問題,還需要更深入地研究。

圖6　 基于PID控制器和重力錘張緊機構的 恒張力控制仿真結果Fig.6　 The result of simulation of constant tension control based on PID controller and tensioning structure with gravity hammer

圖7　多線切割機床控制系統(tǒng)收放線側張力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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林君煥男(1982-),浙江溫嶺人,碩士,講師,研究方向為振動控制、智能信號處理。

陳月芬女(1981-),浙江黃巖人,碩士,講師,研究方向為智能算法,信號處理。

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

基金項目：浙江省公益技術應用研究計劃項目(2015C31158)、臺州市科技計劃重點項目資助(121ZD12)、浙江省自然科學基金資助項目(LY14E050001)、浙江省重點實驗室開放基金項目(ZKL-PR-200307)

中圖分類號：TP 273

文獻標識碼：A