多線切割機(jī)是一種全新概念的新型切割設(shè)備，簡稱“線鋸”，通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將半導(dǎo)體等硬脆材料一次同時切割為數(shù)百片薄片。其以極高的生產(chǎn)效率和出片率，在大直徑硅片加工領(lǐng)域，逐漸開始取代內(nèi)圓切割機(jī)的趨勢。
長久以來，臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品都以高性價比、完善的售后服務(wù)體系以及優(yōu)秀的技術(shù)贏得了廣大客戶的青瞇。為此，在多線切割機(jī)上，臺達(dá)更是以更快的速度將整套系統(tǒng)開發(fā)成功。本篇文章將主要介紹臺達(dá)10MC與A2伺服在多線切割機(jī)上的應(yīng)用。
1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1為設(shè)備外形圖。
圖1 設(shè)備外形
圖2為電控箱配置圖。
圖2 電控配置
圖3為電機(jī)安裝位置圖。
圖3 電機(jī)安裝位置示意圖
圖4為加工產(chǎn)品圖。
圖4 加工產(chǎn)品
2 控制系統(tǒng)實施課題的解決方案
2.1 應(yīng)用課題解決辦法
（1）初次啟動的時候，先設(shè)定主軸的尺寸，計算出主軸脈沖頻率。慢速啟動主軸后收放線輪速度大小由零開始啟動，然后根據(jù)張力輪的角度，通過算法控制和主軸進(jìn)行同步，并把同步后得到的速度作為實際的同步速度基準(zhǔn)比例；
（2）啟動后根據(jù)設(shè)定主軸當(dāng)前設(shè)定速度和慢速時的速度比比例放大找同步后的收放線速度并作為二者的基準(zhǔn)速度；
（3）在線變更速度后根據(jù)變更前后速比關(guān)系立即調(diào)整速度頻率的給定，再根據(jù)張力輪的位置關(guān)系微調(diào)；
（4）通過基準(zhǔn)算法計算速度，通過定時器實時給定與修改收放線速度；
（5）通過脈沖個數(shù)計算出主軸的放線與收線長度，從而保持定長；
（6）在正常切割時，通過控制進(jìn)給電機(jī)與橫向進(jìn)給電機(jī)的加工原點(diǎn)是否確定，在把加工原點(diǎn)確定標(biāo)志位作為自動運(yùn)行啟動先決條件，方可啟動主軸和沙泵電機(jī)進(jìn)行正常切割；
（7）通過判斷主軸速度是否達(dá)到設(shè)定速度，確定進(jìn)給電機(jī)是否進(jìn)行進(jìn)給切割；
（8）當(dāng)進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給量結(jié)束，在啟動退刀延時程序，在通過退刀延時結(jié)束標(biāo)志位。此時停止主軸和沙泵電機(jī)，從而整個切割流程結(jié)束。
2.2 重點(diǎn)課題解決辦法
（1）要實時讀取主軸的脈沖頻率－由于10MC中定位功能塊無法實現(xiàn)實時速度修改與平滑加減速，使用了速度功能塊和速度公式結(jié)合的方式對主軸進(jìn)行速度控制；
（2）在收放線和主軸同步中使用自行編寫的增量型PID控制方法（PI控制）保證收放線在外徑發(fā)生變化的情況下始終能以合適的速度跟隨主軸；
（3）保證收放線的恒張力，通過使用A2伺服扭矩模式與MC扭矩功能塊實現(xiàn)恒張力；
（4）PLC程序編寫算法公式和MC程序分為運(yùn)動程序與邏輯；
組成（運(yùn)動程序相當(dāng)于定時中斷），PLC與MC的數(shù)據(jù)通過特D進(jìn)行交換；
（5）屏與控制沙泵電機(jī)變頻器進(jìn)行485通訊；
（6）進(jìn)給電機(jī)與橫向進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給量通過速度功能塊和定位功能塊進(jìn)行定位控制，已達(dá)到走定長目的。
2.3 系統(tǒng)性能
（1）收放線張力輪擺幅：-3線～＋3線。
（2）主軸線速度：400～500m/min。
（3）線輪存線量：137km。
（4）金屬線張力：20N～35N。
（5）進(jìn)給精度：0.0001mm/s。
（6）排線間距:0.218mm ～0.180mm。
（7）切割精度：1um。
（8）主軸伺服轉(zhuǎn)速：1480轉(zhuǎn)左右。
3 控制工藝流程圖
圖5為系統(tǒng)構(gòu)造圖。
圖5 系統(tǒng)構(gòu)造示意圖
圖6為系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖6 系統(tǒng)構(gòu)成
圖7為系統(tǒng)流程圖。
圖7 系統(tǒng)流程
4 客戶應(yīng)用課題解決辦法
4.1 PID的應(yīng)用
4.11 離散化增量式PID算法
在該案例中，收放線的頻率均為數(shù)字量，所以需要使用離散化的PID算法來實現(xiàn)控制。另外考慮到系統(tǒng)對快速性的要求，所以要盡量減小內(nèi)存的開銷以達(dá)到精減程序的目的，因此采用離散化增量式的PID算法。該算法在運(yùn)算過程中只需要保留近3次的誤差數(shù)據(jù),就能夠推導(dǎo)出下一次的輸出量,節(jié)省了大量的數(shù)據(jù)空間,提高了運(yùn)算速度。T、Ti、Td和Kp是PID公式的常量,不同的數(shù)值代表著PID系統(tǒng)的微分、積分、比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度和效果，在此系統(tǒng)中，Td=0，只用了P、I控制。PID數(shù)學(xué)模型如圖8.
圖8 PID數(shù)字模型
4.12 離散化增量式PID算法的數(shù)據(jù)監(jiān)控
根據(jù)PID算法模型，高速運(yùn)行時，收線放線伺服輸出偏差正負(fù)5轉(zhuǎn)以及張力擺動扭矩正負(fù)1牛。同時監(jiān)視主軸、張力、放線伺服的波形如下圖。其中，主軸波形圖如圖9所示。
圖9 主軸波形圖
圖10為張力伺服的波形圖。
圖10 張力波形圖
圖11為放線伺服的波形圖。
圖11 防線伺服波形圖
通過監(jiān)視波形，在張力輪的角度發(fā)生偏差后，收放線速度能夠快速地進(jìn)行改變，保持張力輪穩(wěn)定在一個相對固定的位置。由此可知，離散增量式PID算法在這種快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)中是可行的。
4.22 排線中的應(yīng)用
（1）背景：若收線輪的線排列不均勻，在邊角處出現(xiàn)疊加，那么當(dāng)收線輪作為放線使用時很有可能導(dǎo)致放線不順利，從而會導(dǎo)致斷線。
圖12 排線布置
(2)說明：根據(jù)收線輪的寬度和線寬以及排線伺服的分辨率以及絲桿的導(dǎo)程可以計算出L和P的值，排線就能夠根據(jù)收線的旋轉(zhuǎn)方向和行進(jìn)量在正確的放線進(jìn)行均勻排線。
(3)PLC程序如圖13所示。
圖13 PLC程序示意圖
(4)MC的邏輯程序如圖14所示。
圖14 MC邏輯程序
使用此算法實現(xiàn)了排線的均勻分布、無層疊現(xiàn)象，很好的滿足了系統(tǒng)的要求。
4.12 實時速度修改
由于算法需要實時給定收放線輪的速度，但是MC運(yùn)動指令均不支持該功能，因此需要編寫實時修改程序。如果不實時修改速度將會造成斷線，通過使用此算法實現(xiàn)了速度實時修改。MC程序如圖15。
圖15 MC程序
4.13 快速功能模塊
通過速度功能塊，定位功能塊進(jìn)行定位控制進(jìn)給的應(yīng)用。PLC數(shù)據(jù)運(yùn)算程序如圖16。
圖16 PLC數(shù)據(jù)運(yùn)算程序
圖17 MC邏輯程序
圖18 MC運(yùn)動程序
使用通過速度功能塊，扭矩功能塊和使能功能塊進(jìn)行定位控制進(jìn)給很好的滿足了系統(tǒng)的要求。
5 結(jié)束語
作為進(jìn)軍高端控制領(lǐng)域的力作，臺達(dá)DVP-10MC是一款基于CANopen現(xiàn)場總線的多軸運(yùn)動控制器，其通訊速度高達(dá)1M。為快速實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，DVP-10MC內(nèi)部設(shè)計了兩大功能模塊：PLC模塊及運(yùn)動控制模塊，兩部分分別獨(dú)立處理邏輯任務(wù)和運(yùn)動控制任務(wù)。兩大功能模塊的并行運(yùn)行大大提高了高端設(shè)備的運(yùn)行效率。
此外，DVP-10MC的飛剪/追剪功能采用5階多項式凸輪曲線自動計算、工藝參數(shù)可運(yùn)行中修改、同步切割區(qū)速度比例可調(diào)。而在使用電子凸輪功能時，ANopenBuilder軟件提供AM編輯器，用戶可以在CAM編輯器中規(guī)劃凸輪曲線，并能隨時動態(tài)更改電子凸輪曲線。G碼功能能夠滿足運(yùn)動軌跡和進(jìn)給速度的嚴(yán)格要求。借由這些出色的功能，DVP-10MC在加工、包裝、食品、機(jī)床等各個行業(yè)中的應(yīng)用正不斷深入。臺達(dá)DVP-10MC能夠在眾多新品種脫穎而出，不僅是產(chǎn)品本身的魅力，也來自于用戶對于臺達(dá)產(chǎn)品的認(rèn)可和激勵。用戶的需求，就是臺達(dá)發(fā)展的方向和動力。
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