多線切割機恒張力自適應控制

牛祥永,林君煥

(臺州職業技術學院 中德學院,浙江 臺州 318000)

多線切割是一種新型的加工方法,它通過金屬絲的高速往復運動把磨料帶入半導體加工區域進行研磨,最終把半導體切割成薄片,因而該方法具有高的加工精度和效率,目前已逐漸代替傳統的內圓切片加工方法[1-2]。日本學者在多線切割機加工工藝方面做了大量開創性研究[3-4]。目前國內研究主要集中在多線切割機切割金屬絲線的恒張力控制問題,也就是如何使放線羅拉、收線羅拉、主羅拉組成的輪系保持同步[5]。張力相對恒定是切割中的關鍵工藝,張力的波動一旦超過界限將導致切割線的抖動幅度和頻率增大,進而影響加工質量,甚至斷線從而產生廢品,增加生產成本。

針對多線切割機切割金屬絲線的恒張力控制問題,國內學者取得了一定的研究成果。文獻[6]中提出了自適應逆隨動控制系統結構,該結構具有較好的恒張力控制效果。文獻[7-8]中提出了機電一體化的張力控制系統方案,實驗結果驗證了該系統的可行性和可靠性。文獻[9]中提出了基于相鄰軸誤差的多電動機同步控制方法,該方法具有張力波動范圍小、控制精度高、調整方便的優點。文獻[10]中設計了加工羅拉搖擺裝置,采用模糊迭代同步控制策略實現了對LED(light emitting diode)多線切割機的同步控制,具有控制精度高等優點。本文針對多線切割機運行中收放線羅拉半徑時變特征,設計了自適應比例-積分-微分(PID)控制器。在深入研究伺服電機及其驅動器模型的基礎上,建立了多線切割機恒張力自適應PID控制仿真模型。Simulink仿真結果表明,所設計的系統對于輪系不同步產生的張力輪位移擾動和切割線張力擾動都具有顯著的抑制作用。

1 多線切割機的張緊結構設計

根據多線切割機的加工工藝要求,機床的切割模型通常采用如圖1所示的結構。圖1中,張緊機構由彈簧對張力輪施加作用力,并與作用于張力輪的金屬絲張力保持動態平衡,從而實現對金屬絲施加既定張力。

圖1 機床的切割模型Fig.1 Cutting model of the machine

2 恒張力控制系統建模

對于多線切割機來說,收放線兩側張力控制具

有相對獨立性和共性,故只需對收線側進行研究。反饋控制框圖如圖2所示。控制量是張力輪位移,執行機構是收線羅拉伺服電機,反饋量是通過張緊機構所測得的張力輪位移偏差。在切割過程中,由于收放線羅拉的收放線作用,半徑將會逐漸變大和變小。這一關鍵參數的時變特性決定了控制系統是一個典型的非線性時變系統,它對魯棒性要求較高。因此,采用參數在線可調的自適應PID控制則能增強控制系統的魯棒性,達到穩定控制的目標。

收放線羅拉電機采用的交流伺服電機傳遞函數為

圖2 控制系統框圖Fig.2 Control system block diagram

多線切割機輪系同步控制屬于系統參數時變控制系統,宜采用自適應PID控制,如圖3所示。由于多線切割機運行是以T為周期往復運行,因此控制器對張力輪位移的調整也呈現周期性,即每一個往復周期內,張力輪位移受控后的動態變化過程類似。在對控制器參數調整時,以T為周期調整。以相鄰周期之間的控制性能指標作為參考,采用梯度下降法來更新控制器參數,通過多個周期的調整,PID參數可望收斂到(局部)最優值。具體的更新計算式如下所示:

kp(k+1)=kp(k)+Δkp(k)ηpe-k/Nτ

(1)

(2)

ki(k+1)=ki(k)+Δki(k)ηie-k/Nτ

(3)

(4)

kd(k+1)=kd(k)+Δkd(k)ηde-k/Nτ

(5)

(6)

(7)

式(1)～(7)中:kp、ki、kd分別為PID調節器的比例、積分和微分系數;Nτ為kp、ki、kd調節的時間常數;lr為羅拉初始位移,此處設置為0;l(i)為第i次采樣的位移量;k為往復運行的次數;N為一個往復周期T內采樣總次數;E(k)為一個往復周期內累積誤差,它是衡量控制性能的重要指標之一;ηp、ηi、ηd為更新系數。e-k/Nτ確保調整中的PID參數收斂,防止震蕩現象發生。

圖3 自適應PID控制框圖Fig.3 Adaptive PID control block diagram

3 仿真實驗

3.1 恒張力系統的自適應PID控制仿真

圖4 多線切割機恒張力自適應PID控制Simulink仿真模型Fig.4 Simulink simulation model of constant tension control system using adaptive PID for muti-wire saw

仿真結果如圖5所示。圖5(a)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,控制后對位移擾動的抑制率達到90%以上。圖5(b)為相應的切割金屬絲張力控制效果,控制系統對張力擾動抑制率在80%左右。控制后的張力波動范圍在±0.5 N內,能夠滿足切割工藝的恒張力要求。隨著切割時間的增加,收線羅拉的半徑逐漸增大,在往復運動中,由收線羅拉和主羅拉不同步造成的張力輪位移向正向偏移,出現如圖5(a)所示的漂移現象,相應地,張力輪所受的張力擾動也會越來越大,如圖5(b)所示。在這個過程中,自適應PID控制器參數需要根據參數的動態變化情況,適時地在線調整,如圖5(c)所示。自適應PID控制器經歷了3個調整階段:第1個調整階段是0～200 s,第2個調整階段是1 500～2 000 s,第3個調整階段是2 000～3 500 s。當原有的控制器參數無法使張力擾動抑制在±1.5 N范圍內時,即會觸發自適應PID參數在線調整,從而達到參數局部優化。控制器參數的平均調整時間為500 s,相當于約9個往復運行周期。由于調整時間較短,且在此期間張力擾動都控制在±1.5 N內,因此基本不會影響工件的切割精度。

3.2 實驗驗證

多線切割機恒張力自適應PID控制系統在SJQ-380型多線切割機平臺上進行實驗。SJQ-380型多線切割機的額定走線速度為500 m·min-1。恒張力控制系統的主控單元采用研華IPC-610L工控機,信號驅動卡采用自行設計制作的外設部件互聯標準(PCI)總線輸入輸出(I/O)電路板卡來實現對主羅拉和收放線羅拉伺服驅動器的控制,使用VB和VC設計和實現了交互操作界面和基于自適應PID控制的輪系同步控制算法;主羅拉、收放線羅拉電機伺服驅動器的變比參數都為每轉8 000脈沖;收放側排線電機驅動器的變比參數都為每毫米1 600脈沖;工作臺電機驅動器變比參數為每毫米1 000脈沖。切割線正反向過渡加速度為2 m·s-2。實驗中的走線速度為600 m·min-1,線張力設定為30 N,工件為磁性材料。

采用自適應PID控制系統和常規PID控制系統加工工件的實驗結果如圖6所示,它是電子顯微鏡下的工件加工效果圖,其中常規PID控制系統硬件采用PLC作為主控單元。從圖6可以看出,采用自適應PID控制系統和常規PID控制系統分別加工磁料工件,前者的表面平整度要優于后者。

圖5 多線切割機恒張力自適應PID控制仿真結果Fig.5 Simulation results of constant tension control system using adaptive PID for muti-wire saw

圖6 不同控制系統加工后工件表面平整度Fig.6 Surface roughness of the processed workpiece with different control systems

4 結語

本文根據多線切割機的運行規律和工藝要求,有針對性地設計參數自整定的PID控制器來實現對多線切割機輪系的高魯棒性同步控制,進而確保了在收放線羅拉半徑不斷變化的條件下,張力擾動抑制在足夠小的范圍,滿足了切割工藝的要求。