The Application of 10MC and A2 Servo in Cutting Machine
【摘要】本文主要介紹臺(tái)達(dá)10MC與A2伺服在多線切割機(jī)上的應(yīng)用。
【Abstract】This paper is mainly introduce the application of 10MC and A2 servo in cutting machine.
【關(guān)鍵詞】A2伺服；10MC運(yùn)動(dòng)控制器；多線切割機(jī)；CAN總線；
【Keywords】A2 servo;10 MC;cutting machine;
     多線切割機(jī)是一種全新概念的新型切割設(shè)備，簡(jiǎn)稱“線鋸”，通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(kāi)始取代內(nèi)圓切割機(jī)的趨勢(shì)。
    長(zhǎng)久以來(lái)，臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品都以高性價(jià)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(tái)達(dá)更是以最快的速度將整套系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功。本篇文章將主要介紹臺(tái)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(shí)施課題的解決方案
2.1 應(yīng)用課題解決辦法
（1）初次啟動(dòng)的時(shí)候，先設(shè)定主軸的尺寸，計(jì)算出主軸脈沖頻率。慢速啟動(dòng)主軸后收放線輪速度大小由零開(kāi)始啟動(dòng)，然后根據(jù)張力輪的角度，通過(guò)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(shí)際的同步速度基準(zhǔn)比例；
（2）啟動(dòng)后根據(jù)設(shè)定主軸當(dāng)前設(shè)定速度和慢速時(shí)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(guò)基準(zhǔn)算法計(jì)算速度，通過(guò)定時(shí)器實(shí)時(shí)給定與修改收放線速度；
（5）通過(guò)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算出主軸的放線與收線長(zhǎng)度，從而保持定長(zhǎng)；
（6）在正常切割時(shí)，通過(guò)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(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)先決條件，方可啟動(dòng)主軸和沙泵電機(jī)進(jìn)行正常切割；
（7）通過(guò)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(dòng)退刀延時(shí)程序，在通過(guò)退刀延時(shí)結(jié)束標(biāo)志位。此時(shí)停止主軸和沙泵電機(jī)，從而整個(gè)切割流程結(jié)束。
2.2  重點(diǎn)課題解決辦法
（1）要實(shí)時(shí)讀取主軸的脈沖頻率－由于10MC中定位功能塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(duì)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(xiě)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最優(yōu)的速度跟隨主軸；
（3）保證收放線的恒張力，通過(guò)使用A2伺服扭矩模式與MC扭矩功能塊實(shí)現(xiàn)恒張力；
（4）PLC程序編寫(xiě)算法公式和MC程序分為運(yùn)動(dòng)程序與邏輯；
組成（運(yùn)動(dòng)程序相當(dāng)于定時(shí)中斷），PLC與MC的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)控制。另外考慮到系統(tǒng)對(duì)快速性的要求，所以要盡量減小內(nèi)存的開(kāi)銷(xiāo)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(guò)程中只需要保留最近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(shí)，收線放線伺服輸出偏差正負(fù)5轉(zhuǎn)以及張力擺動(dòng)扭矩正負(fù)1牛。同時(shí)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(guò)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(gè)相對(duì)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(shí)很有可能導(dǎo)致放線不順利，從而會(huì)導(dǎo)致斷線。

圖12 排線布置

(2)說(shuō)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(jì)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(shí)現(xiàn)了排線的均勻分布、無(wú)層疊現(xiàn)象，很好的滿足了系統(tǒng)的要求。
4.12 實(shí)時(shí)速度修改
    由于算法需要實(shí)時(shí)給定收放線輪的速度，但是MC運(yùn)動(dòng)指令均不支持該功能，因此需要編寫(xiě)實(shí)時(shí)修改程序。如果不實(shí)時(shí)修改速度將會(huì)造成斷線，通過(guò)使用此算法實(shí)現(xiàn)了速度實(shí)時(shí)修改。MC程序如圖15。

圖15 MC程序

4.13 快速功能模塊
通過(guò)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(dòng)程序

使用通過(guò)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(yǔ)
    作為進(jìn)軍高端控制領(lǐng)域的力作，臺(tái)達(dá)DVP-10MC是一款基于CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，其通訊速度高達(dá)1M。為快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，DVP-10MC內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩大功能模塊：PLC模塊及運(yùn)動(dòng)控制模塊，兩部分分別獨(dú)立處理邏輯任務(wù)和運(yùn)動(dòng)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(xiàng)式凸輪曲線自動(dòng)計(jì)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(shí)，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(shí)動(dòng)態(tài)更改電子凸輪曲線。G碼功能能夠滿足運(yùn)動(dòng)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(gè)行業(yè)中的應(yīng)用正不斷深入。臺(tái)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(lái)自于用戶對(duì)于臺(tái)達(dá)產(chǎn)品的認(rèn)可和激勵(lì)。用戶的需求，就是臺(tái)達(dá)發(fā)展的方向和動(dòng)力。

作者簡(jiǎn)介：
應(yīng)院祥，男，出生于1985年12月，畢業(yè)于江西現(xiàn)代學(xué)院電子與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司應(yīng)用工程師。近幾年來(lái)一直從事運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的程序開(kāi)發(fā)及營(yíng)銷(xiāo)推廣等工作，具有5年的多線切割機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及各種機(jī)型工藝。