摘要：本文主要介紹數(shù)控產(chǎn)品在7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用。該控制系統(tǒng)采用專為7軸研磨機(jī)開發(fā)的高端CNC系統(tǒng)、伺服電機(jī)及知名品牌的電器產(chǎn)品，人機(jī)界面友好直觀，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，自動化程度高，精度和磨削效率高，操作安全方便，造型美觀大方。

　　關(guān)鍵詞：太陽能 光伏產(chǎn)業(yè) 數(shù)控系統(tǒng) 人機(jī)界面 伺服激光測量 CANopen總線

　　引言：

　　近幾年來，世界各國由于對能源的巨大需求，特別是清潔能源的開發(fā)利用，如太陽能、風(fēng)能、潮夕能、生物發(fā)電等，而太陽能發(fā)電（光伏產(chǎn)業(yè)）正是清潔能源的主要代表，并能大規(guī)模的開發(fā)利用，于是各國政府紛紛出臺政策，扶持和發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。許多與太陽能相關(guān)的企業(yè)根據(jù)時代的需要，抓住機(jī)遇，快速發(fā)展，創(chuàng)造出了可喜的經(jīng)營業(yè)績。據(jù)估計(jì)到2020年我國太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到2200MW，這意味著我國對光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)設(shè)備需求也十分旺盛。

　　太陽能電池板是對光線有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件，以晶體硅為例描述光發(fā)電過程：P型晶體硅經(jīng)過摻雜質(zhì)磷可得N型硅，形成P－N結(jié)，當(dāng)太陽光線照射太陽能電池板表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使硅原子表面的電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，將硅片兩邊用導(dǎo)線連接，并接到外面形成正負(fù)兩極。當(dāng)正負(fù)兩極接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。其實(shí)這個過程的實(shí)質(zhì)是將光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。

　　能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料主要有單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。太陽能電池板對單（多）晶硅的旺盛需求就帶動相關(guān)設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展，此行業(yè)常用的設(shè)備有多晶爐，切斷鋸床，線開方機(jī)床，滾圓磨床，端面磨床，倒角磨床，多線切片機(jī)等設(shè)備。

　　由于單晶硅棒和多晶硅錠原材料成本比較昂貴，加上現(xiàn)在物價的上漲和人工成本的日益增加，因此生產(chǎn)企業(yè)對設(shè)備的自動程度和生產(chǎn)效率要求越來越高，本文基于本我司新研發(fā)的一款7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)，型號WSK015，數(shù)控系統(tǒng)在這款機(jī)型上的設(shè)計(jì)應(yīng)用作一些介紹，機(jī)器外形如圖1所示。

　　圖1：WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)外形圖

　　技術(shù)特點(diǎn)和工藝流程：

　　一、相對傳統(tǒng)的雙軸端面磨床，三軸端面磨床，5軸端面磨床，WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

　　1、機(jī)床配備自對中系統(tǒng)，以使加工的硅塊處于工作臺的中心位置，保證兩平面的磨削均勻一致，硅材料損耗量最少，同時減少操作人員的安放硅塊時的對位置的要求，降低操作人員的工作量。

　　2、機(jī)床配備自動壓緊裝置，在硅塊完成自動對中功能后，自動壓緊硅塊，從而提高了工作效率，壓緊質(zhì)量也得到充分保證。

　　3、機(jī)床配備自動激光測量系統(tǒng)，在硅塊壓緊后，Z向送料伺服開始工作，此時激光測量儀自動準(zhǔn)確測量出硅塊尺寸大小，傳給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，以便均勻的分配每道磨頭的磨削余量。

　　4、本機(jī)床除了上、下料為手動外，其余均為自動循環(huán)。研磨前進(jìn)時尺寸自動測量分配各面的研磨余量。研磨后尺寸測量。三對毛刷研磨頭分別為粗研研磨頭、精研研磨頭、光研研磨頭。

　　5、采用伺服電機(jī)和滾珠絲桿控制三對研磨頭X1、X2、X3，U1、U2、U3和送料軸Z軸，每一軸都能單獨(dú)控制并工作。并配備手持電子手輪控制單元對各軸進(jìn)行對刀操作。

　　6、機(jī)床對硅塊相對兩表面進(jìn)行精加工，通過三道不同的粗細(xì)度的毛刷研磨后，提高硅塊表面光潔度，并且去除了經(jīng)線切割工序在硅塊表面形成的細(xì)小裂紋及棱邊的損傷，提高了下段工序中硅塊切片成品率。

　　二、WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)工藝流程如圖2所示：

　　圖2：WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)工藝流程

　　控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理：

　　一、WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)的控制架構(gòu)如圖3所示：

　　圖3：WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)的控制架構(gòu)

　　二、CNC數(shù)控系統(tǒng)功能：

　　本機(jī)床控制系統(tǒng)由我司與國內(nèi)知名企業(yè)共同研發(fā)的CNC數(shù)控系統(tǒng)來完成整臺機(jī)床的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯連鎖，由于CNC數(shù)控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是由用戶通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)功能的修改、擴(kuò)充變得較為靈活。另外數(shù)控的功能比較豐富，如插補(bǔ)功能，補(bǔ)償功能，高級人機(jī)對話功能，編程功能。

　　基于CNC高速運(yùn)算處理能力和函數(shù)編程便捷性，本機(jī)床的CNC系統(tǒng)需處理以下數(shù)據(jù)：

　　1、采集電子手輪對7軸伺服的高速脈沖，并在線實(shí)時控制對應(yīng)的伺服電機(jī)的運(yùn)動，控制精度1微米，伺服電機(jī)響應(yīng)遲滯在50毫秒以下，保證手在搖動電子手輪時，伺服電機(jī)在相應(yīng)運(yùn)動，停止手輪時，電機(jī)立即停止，所有位置數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

　　2、采集日本基恩士激光位置傳感器對加工硅塊尺寸的測量數(shù)據(jù)并根據(jù)實(shí)際尺寸分配每對研磨頭的進(jìn)給量和送料電機(jī)的進(jìn)給速度，此儀器測量精度可達(dá)到0.01mm。

　　3、采集每臺伺服驅(qū)動器的電壓、電流、編碼反饋數(shù)據(jù)并在屏上實(shí)時顯示出來。根據(jù)電流的大小與設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比對，超出設(shè)定值報警以提醒相應(yīng)機(jī)械出現(xiàn)問題。根據(jù)編碼反饋脈沖以判斷各研磨頭及送料硅塊位置，設(shè)定報警及極限值，出現(xiàn)位置超程停機(jī)并報相應(yīng)故障信息，方便維修人員對故障的處理。

　　4、實(shí)時通訊，采集各從站的其他信息。

　　基于CNC的PLC和擴(kuò)展PLC功能，對機(jī)床的所有數(shù)字信號進(jìn)行邏輯連鎖控制，包括6只研磨頭電機(jī)啟停控制、所有氣缸的控制及上下位置磁性開關(guān)檢測、所有線性導(dǎo)軌和滾珠絲桿的自動油霧潤滑、所有7臺伺服電機(jī)極限位置的電感接近開關(guān)的位置檢測、各研磨頭研磨冷卻液的自動控制、所有故障點(diǎn)在線診斷。數(shù)字信號有數(shù)字輸入點(diǎn)有72路，數(shù)字輸出點(diǎn)有48路，通過PLC功能對這些信號進(jìn)行檢測并控制輸出，達(dá)到整臺機(jī)床除了上下硅塊時用到人工搬動外，所有動作全用自動控制并能實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)操作。

　　三、伺服電機(jī)

　　伺服電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)必不可少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其高速響應(yīng)性，高精度定位性以及高穩(wěn)定性在數(shù)控機(jī)床控制發(fā)揮重要的功能。

　　WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)磨頭伺服電機(jī)和送料電機(jī)使用的是ESTUN公司的PRONET高端交流伺服驅(qū)動器，其增加了電流前饋控制、加速度前饋控制、速度觀測器和慣量觀測器等功能，借助于這些新功能，使其響應(yīng)性能比一般產(chǎn)品提高了三倍以上，并且在線實(shí)時檢測負(fù)載慣量，隨時調(diào)整增益以達(dá)到最好的控制效果。

　　PRONET系列伺服驅(qū)動器配了高分辨17位串行編碼器，支持增量型和絕對值兩種類型，通信速率為2.5M，編碼器分辨率為17bits/rev，即第轉(zhuǎn)生成131072個脈沖，從而明顯地提高了定位精度，并增強(qiáng)了低速的平穩(wěn)性和響應(yīng)性。

　　利用伺服電機(jī)的絕對值17位串行編碼器，CNC可以實(shí)現(xiàn)6只磨頭精度達(dá)到1微米控制，并且利用編碼器電池在停電時記憶伺服電機(jī)的位置，重新上電時以當(dāng)前位置繼續(xù)加工，減省去了工廠停電或故障停電時對加工件的損壞和操作人員需重新定位工序，充分節(jié)省時間和提高生產(chǎn)效率。

　　四、CANopen總線協(xié)議

　　CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，CANopen總線協(xié)議在本機(jī)床控制中起著重要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，由于CAN總線的高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，高達(dá)1Mbps，從而很簡單的實(shí)現(xiàn)各研磨頭的位置的實(shí)時顯示，各伺服電機(jī)的電流實(shí)時監(jiān)控，所以通過設(shè)計(jì)CANopen網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口，并對通訊特性進(jìn)行分析，確認(rèn)CAN接口的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對各控制效果的監(jiān)控。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中。通過總線控制方式：

　　第一可以節(jié)省其他控制方式下的大量電纜線的聯(lián)接，通過通訊線將各電器元件聯(lián)接起來，簡化接線方式。

　　第二減少了故障隱患的存在，大大降低機(jī)器的故障率和保證了機(jī)器的生產(chǎn)時間。

　　第三方便工程師對機(jī)器的維護(hù)及故障的排除。

　　總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線如圖4所示（局部）。

　　圖4：總線控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線

　　結(jié)束語：

　　本文主要介紹數(shù)控產(chǎn)品在7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用，側(cè)重介紹CNC系統(tǒng)和伺服電機(jī)的功能特性，以及在本研磨機(jī)床上所起的作用，體現(xiàn)了我司在開發(fā)此種機(jī)床的定位標(biāo)準(zhǔn)是滿足客戶對高精度、低成本、運(yùn)行可靠、操作簡單和全自動化智能性控制的要求，為市場提供了一款先進(jìn)的太陽能硅塊加工設(shè)備，同時也為客戶節(jié)省了很多原料成本和維護(hù)成本。