晶體磨床操控器設計

趙德權，李　翠，蘇　琳

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

晶體磨床操控器設計

趙德權，李翠，蘇琳

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

隨著材料科學研究的深入，對晶體的精細加工已成為一種趨勢和要求。因此，在新一代磨床設計上，使用了雙電機調速及聯動的方式，改進了工藝，提高了生產效率。通過進一步優化操控器，對模擬通道進行了非線性校正，即通過分檔處理，采取整檔位校準和檔內線性插入的方法，有效地改善了控制曲線，提高了控制精度。采用12位D／A轉換器，既保證調節的細膩平滑，也為校準預留了足夠的映射空間，最終使系統在數字層面上實現了糾偏。同時還引入一些輔助手段，增加存儲器，以保存機器參數和建立輸入數據索引表，設立定時器、報警器和密碼鎖，以方便生產過程管理。

晶體；研磨；操控器；映射；傳遞；調速；非線性校正；加密

1　引　言

晶體材料因其特殊結構而具有許多獨特的性質，相對這些性質都存在著一系列的功能材料，并由此可制備成各種器件而獲得廣泛應用。在工業、國防、醫學等各個領域，成為一個關鍵性因數，決定著發展的程度和水平。近年來，各種針對晶體的研究開始熱絡起來，一些相關產業逐漸興起，進一步支撐和促進了材料科學的進步。

因為晶體材料比一般材料要硬許多，加工起來比較困難，所以，一些先進的設備也開始研究制造，像切割，研磨等工藝方面的程控裝備，國內已有公司開始涉足，或與國外進行合作生產，并轉銷世界各地。處理手段的發展，進一步推動了研究的深入，許多大學和機構開始投入一些資金和人力進來，前景令人期待。

2　磨床概述

晶體磨床由機械框架、承載盤和磨盤等構成。承載盤固定工件，盛放研磨液；磨盤卡掛磨石或砂輪。工作時，承載盤和磨盤在兩臺調速電機驅動下同向旋轉［1］，工件和盤間壓力由壓空傳動機構提供并調節。側后裝有除熱風扇和排氣道以及壓空進氣口，上部有防護面罩，并設連鎖開關。氣泵作為輔件，可以選配。

承載盤電機為交流電機，由變頻器進行調速，速度為0～250r／min；磨盤電機為直流電機，由直流調速器控制，速度介于0～300r／min之間。

變頻器和直流調速器接收操控器送來的模擬控制量，幅度為0～10V的電壓。

控制臺面含有操控面板，壓空調節閥以及聲光報警設施，右手側設置啟動、停止按鈕和緊急制動按鈕。各型研磨設備大小迥異，功能配置也不盡相同，最大的區別在效率和精度上。

3　操控器結構

操控器主要提供人機界面，輸出雙路模擬調速電壓，以及對變頻器的運行／停止、正／反轉等狀態控制。其中變頻器和直流調速器的選型，決定和約束了操控器的指標和功能設置，而操控器的優劣又直接代表和體現了設備的性能和檔次。

操控器一般包含下列功能模塊：①控制變頻器的DAC通道［2－3］；②控制直流調速器的DAC通道；③運行／停止控制開關，正／反轉控制開關等；④鍵盤輸入；⑤顯示輸出；⑥存放機器參數的外存（24C01）；⑦定時器（DS12887）；⑧報警。

4　模擬通道設計

（1）DAC轉換接口

圖1為第一路“DAC通道”，DQ11－DQ0為DAC的12位數據輸入端，SEC0為口地址選擇端，／WR為寫入控制端，信號來自于微處理器的輸出端口［4］。由于U0工作電壓接＋5V，參考電壓Vref也接＋5V，限定OUT1滿檔輸出就為5V，經U3A的負反饋調理，使得輸出更加穩定。當DQ11－DQ0滿檔輸入為FFFH時，OUT1為5V，當輸入為0時，OUT1為0V；再經U3B運放的零點修正、放大和極性調整［5］，滿檔輸出調在接近＋12V，U4A是跟隨器，起緩沖作用并維持信號幅度不變，G1為射隨器，增加驅動能力，再經R4調節輸出為10V電壓。

通道校準步驟：①數據輸入為0，調R0電位器使U3B輸出為0V；②輸入數據為滿檔（FFFH）調可變電阻R3，使U3B輸出為12V；③輸入數據為半檔（7FFH），微調可變電阻R3，使U3B輸出接近6V；④微調R3和R4，使得OUT－1半檔輸出約為5V，調節可變電阻R4，使OUT－1點的電壓滿檔輸出為10V；⑤微調R0，使輸入為0時，OUT－1輸出接近0V。重復上述過程，最終使得10V、5V和0V這三個點位的誤差保持均衡，DAC的輸入和輸出關系可以認為是“線性”了。

第二路DAC除SEC0改為SEC1外電路完全一致，調節方式相同。

圖1　DAC通道

（2）線性傳遞函數

變頻器的映射關系為：

若輸入Z（0≤Z≤10V），輸出Y（0≤Y≤250r／min）

直流調速器的映射關系為：

若輸入Z（0≤Z≤10V），輸出Y（0≤Y≤300r／min）

12位DAC通道映射關系為：

輸入為X（0≤X≤FFFH），輸出為Z（0≤Z≤10V）

（1）與（3）合并，就有變頻通道傳遞函數：

（2）與（3）合并，則有直流調速通道傳遞函數：

（3）非線性校正

采用12位D／A轉換芯片，可以使無級調速做得很精細，但是，由于DAC通道及調速環節的畸變，會產生線性失真，使得某些點位的轉速嚴重偏離實際。就一臺機器而然，速度的大小僅僅是個概念數，只要具有可調性和重復性即可，若多臺機器混用，會造成工藝參數的不確定，需要進行再摸索，以免造成不必要的麻煩。

另一方面，在一些特殊的應用領域，對某個或某幾個速度點的精度要求會很高，不允許出現超差。而非線性往往會導致調校時兩頭難顧，靠調節電位器來對表的方式，極端情況下，或可只能滿足一個點的糾偏。因此，要形成多點對應，需要進行一次非線性調整。

事實上，無論畸變發生在調速環節還是D／A轉換環節，只要總的傳遞函數Y＝F（X）是單調遞增的［7］，即對于任意的X（0≤X≤FFFH）都有唯一的Y（0≤Y≤250，或0≤Y≤300）與之對應，反之亦然，即有X＝F－1（Y）成立，且當X0≤X1時，F（X0）≤F（X1），反函數也有相同的特性。由于線性失真，若Y域中離散點是均勻分布的，在X域中對應點則呈現非均勻分布，當這種對應結果確定之后，X數據可由Y進行索引。

因為函數是未知的，當以輸出量Y來確定輸入量X時，需要進行實際測量，形成這種數值的對應關系的過程，即為非線性校正。當Y值很大時，全部精細校正會很費時，可以采取分檔處理的方法，即只在每個檔位上進行校正，檔與檔之間采用線性插入，這種方式既保證了精度，也使調校過程變得更加簡單方便。

若設檔距為d［1≤d≤50（r／min）］，檔位Q與輸入量P的索引關系為：P＝f（Q），且為遞增函數，（P，Q為自然數），對于轉速Y，令m＝Y／d（取整），n＝Y%d（取余），則m即為檔位數，n即為偏移量。輸入量的線性插入算式就為：

關系式（6）即為檔位校正檔間線性插入的計算公式，而（4）和（5）兩式則用來計算各自檔位點的初值，并形成兩個未經校正的索引表［5］。此時，用（6）式計算輸入量與用（4）式（或（5）式）計算輸入量是等價的，因當前仍屬于線性映射。因此，發生校正后，用（6）式算得的結果，則更為接近實際。

以電機轉速為目標的控制方式，即通過速度反求控制輸入量，可以做到平滑調速。如用（4）和（5）式計算，當Y取1時，算得的值分別為X1和X2，則X1／10*K，X2／10*K（K為正整數）可作為調校變量，K越大，調節量越大，當K＝10時，調節量約影響1轉的變化。定義K（1≤K≤99）為調校系數，在操控界面部分將詳細介紹。

5　控制信號生成

圖2為繼電器輸出控制邏輯圖，對變頻器的控制輸出信號，一般都為開關量，包括：“運行”、“停止”、“正轉”、“反轉”、“復位”等。對于具體設備上的使用，一些信號可以“接死”，如旋轉方向就可以固定為正轉，復位等功能不選用，實際需要控制的就是運行和停止，一些變頻器這兩個功能合并為一個端子，接地為運行狀態，懸空或接高為停止狀態，所以使用一組繼電器（含常開、常閉觸點）實施控制即可。

對于直流調速器而言，除了調速模擬量以外，沒有開關量控制，理論上，當模擬輸出量為0時，就可以關機。但直流調速器若出現“零飄”，直流電機則不能徹底停下來，還存在著輕緩轉動。一般需要對直流調速器調校時留有一定的輸入門檻電壓，使操控器送來的電壓低于這個門檻時不能啟動，這也使直流調速器的傳遞關系發生微小改變，這是問題的一個方面。另一面，當操控器輸出發生“零飄”時，也可能引起上述現象。在操控器層面，送出的模擬量可以做些預處理，即通過繼電器傳遞后，再接給直流調速器，當停止發生時，繼電器切向模擬地，而無需置“0”模擬量，并確保停機。當然，調速器要以三級儀表標準（輸入1～10V，而非0～10V）來設計，使0～1V為死區，或本身增加關斷設置，就不會發生這種問題。因此，對直流調速器的控制也要使用一組繼電器。

采用機械觸點的繼電器切換，使操控器輸出控制端與變頻器（或調速器）的輸入端形成電隔離，模擬通道的數字輸入端與微控制器邏輯連接端，由光隔電路分開，兩邊不共地，輸入側的數字地與輸出側的模擬地之間跨接10MΩ電阻，以減少共模壓差。至此，操控器除了模擬通道，均與變頻器（包括調速器）實現了電隔離，這樣做有利于系統的抗干擾。

第一組繼電器控制變頻器的啟停，當繼電器斷開時，變頻器的24V電壓通過常閉（NC）觸點接到變頻器的啟／停控制端，使變頻器停止運行；當繼電器合上時，變頻器的模擬地Agnd通過常開（NO）觸點連到啟／停控制端，使變頻器開始運行。

第二組繼電器的控制方式有些類似，模擬地Agnd和直流通道的模擬輸出量Aout2通過繼電器實現切換，繼電器合上時，輸出端接通模擬量，控制直流調速器工作；繼電器斷開時，輸出端連接模擬地，使調速器制動。系統提供兩組集電極開路信號（OC1和OC2）來驅動三極管（G1和G2），用于控制12V的通斷使繼電器動作。

圖2　繼電器輸出控制

6　操控界面

顯示由12位（米字型）數碼管構成：前4位狀態欄，后8位信息欄。承載盤轉數和磨盤轉數同欄顯示，形如“moto△300▽250”；檔距和調校系數同欄顯示，形如“adj d＝10K＝99”；實時時間設置形如“timeX－23－59”，日期形如“date15－12－31”（高兩位20隱含）；運行時間設定形如“timeR 23－59”。

鍵盤由速度調節鍵（↑↓）、選項鍵（←→）、運行鍵（RUN）、停止鍵（STOP）、校準鍵（COR－）、密碼鍵（KEY）組成。設置參數時，每按一次“↑”當前調節項加1，若鍵不抬起，間隔500ms連續加1，連續超過10次，變為加10，…，直到抬起鍵，結束加速狀態。“↓”鍵為反方向調整。“←”和“→”為選項鍵，方向互反。選中的項目閃爍，項目包括承載盤轉速，磨盤轉速，檔距，調校系數，運行時間等。10s內無鍵鍵入則停止閃爍，輸入的內容存入到DS12887ram中暫存［8］。

改變檔距要十分謹慎，如若新舊檔距成倍數關系，將使重合點重置到新的索引表中，非重合點，將以線性方式映射，否則，將全部進行線性化映射，機器運行后，以前的校正結果將丟失。

按RUN鍵將啟動機器運行，并將DS12887中更改的系統參數轉存到AT24C01中。按STOP鍵將停止運行，使電機停止轉動。COR－鍵為調校鍵，電機轉數設為檔距的整數倍時，此鍵才起作用，否則告警提示。按下該鍵，狀態顯示“COR－“，選擇項對應的電機將運轉，以調校系數所決定的調校量作為每步的基值，按“↑”和“↓”鍵增減，按“←”鍵將減少調校量（K值變小），按“→”鍵將反向改變。同時用測速表測試電機轉速，以當前示數對表，直到調到滿意為止，再按一下COR－鍵，狀態顯示消失，調校的值便存入索引表。調校不必一次完成，隨時都可以進行。產生報警時按任意鍵即消除。

7　密碼設置

密碼設置方法：首次設置密碼，按下KEY鍵，數碼管前四位顯示“KEY＋”。除了KEY鍵外，其它鍵皆可作為密碼位輸入，并按↑↓←→RUN STOP VER－順序取值1234567，密碼設置位最多8位，設置完成按KEY鍵，密碼生效，如不輸入內容，按KEY鍵則取消設置。有密碼設定時，重新開機以“KEY＋”方式詢問密碼，回答正確進入開機界面，機器參數由AT24C01轉入DS12887ram中，否則告警提示5s。已有密碼情況下按KEY鍵，進入詢問密碼狀態“KEY＋”，如果輸入不正確或者不輸入，再按下KEY鍵則取消詢問。在詢問狀態下密碼回答正確，則顯示修改狀態“KEY－”，輸入的數值將作為新的密碼，按下KEY鍵生效，如果不輸入信息，直接按KEY鍵，則取消密碼設置。

這一種加密使用，是為操作者設置的，某臺機器只有持有密匙的人可用，方便單位出于安全方面的管理。生產廠家會給使用單位一組密碼，用以禁止加密或解除加密，以防止或糾正人為的誤操作。

按KEY鍵出現“KEYX”為禁止狀態，意味著只能由高層管理者輸入唯一的密碼進行操作。輸入正確，顯示“KEY－0”，按“→”切換到“KEY－1”，按“←”回切，前者為禁止，后者為允許，按KEY鍵生效。在禁止狀態，不接受其它非正確的信息，高級管理者在“KEY＋”詢問狀態時，也可用同一密鑰進入操作。另一種與定時有關的加密為廠家保護密碼，只有廠家可以解鎖。

采用DS12887時鐘芯片進行定時，該芯片內置鋰電池，保存數據10年，具有128個字節單元可尋址，并有定鬧功能。引入時鐘除了定時、臨時存儲機器參數以外，還有廠家加密的需要。一般采用兩種方式操作：一是“累計機時到”要密碼，另一個是“累積日期到”要密碼，可以多點布設逐次消除，也可以一次性消除，由廠家給的密匙決定。加密的目的是廠家為自身利益的保護，使用者不能隨意解鎖。

8　結束語

通過對模擬通道的非線性校正，電機轉速誤差由原來的±3r／min減少到±0．5r／min，獲得了比較理想的操控精度，調節升速或降速更為平滑細膩。經過雙輪旋轉操作，使得加工平整度、均勻性以及工作效率大為提高。轉速的精確控制，又使機器具有很好的重復性，即在同型號磨床上使用同批型材，同一工藝條件下，具有基本一致的研磨效果。由于加入了抗干擾設計，系統在各種復雜的工況下，保持了較高的穩定度。

［1］譚建成．電機控制專用集成電路［M］．北京：機械工業出版社，2003．Tan Jiancheng．Special integrated circuit for motor control［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2003．

［2］任致程．實用電動機控制電路350例［M］．北京：人民郵電出版社，2002．Ren Zhicheng．Practical motor control circuit 350 cases［M］．Beijing：People post press，2002．

［3］馬小亮．大功率交－交變頻調速及矢量控制技術［M］．北京：機械工業出版社，2003．Ma Xiaoliang．High power AC／AC variable frequency speed regulation and vector control technology［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2003．

［4］陳章龍，婁興棠，曹名揚，等．實用單片機大全［M］．哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1988．Chen Zhanglong，Lou Xingtang，Cao Mingyang，et al．Practical single－chip daqo［M］．Haerbin：Heilongjiang science and technology press，1988．

［5］陳國棟，何玉表，徐中佑，等．集成電路應用設計手冊［M］．沈陽：遼寧科學教育出版社，1986．Chen Guodong，He Yubiao，Xu Zhongyou，et al．Application of integrated circuit design manual［M］．Shenyang：Liaoning science and education press，1986．

［6］同濟大學數學教研室．高等數學［M］北京：高等教育出版社，1978．Tongji University Department of Mathematics．Higher Mathematics［M］．Beijing：Higher Education Press，1978．

［7］嚴蔚敏，吳偉民．數據結構［M］．北京：清華大學出版社，1987．Yan Weimin，Wu Weimin．Data structure［M］．Beijing：Tsinghua University Press，1987．

［8］楊吉祥，成松林．微處理機實用30例［M］．南京：江蘇科學技術出版社，1985．Yang Jixiang，Cheng Songlin．Microprocessor practical 30 cases［M］．Nanjing：Jiangsu science and technology press，1985．

Design of Controller for Crystal Grinding Machine

Zhao Dequan，Li Cui，Su Lin
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the development of material science，fine processing of crystals has become a trend and requirements，therefore，in the design of a new generation of grinder，the mode of dual motor speed control and linkage is used to improve the process and production efficiency．The controller is further optimized，correcting nonlinear analog channels，i．e．dividing gear processing，whole gear calibration and linear insertion，to effectively improve the control curve and the control precision．As the 12－bit D／A converter is used for smoother adjustment and enough calibration mapping space，the system realizes digital correction．At the same time，some auxiliary means such as the memory used for saving the machine parameters and establishing data input index table，and the timers，the alarms and the locks used for production process management，are provided as well．

Crystal；Grinding；Controller；Mapping；Transfer；Speed regulation；Nonlinear correction；Encryption

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．018

TP3

B

1002－2279（2016）05－0073－05

趙德權（1962－），男，遼寧省鐵嶺市昌圖縣人，工程師，主研方向：計算機應用及可靠性技術。

2016－05－17