CN108044822A - 金刚线切割机的恒张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚线切割机的恒张力控制方法，它以摆角误差е^θ为控制依据，控制的目标为使摆角误差е^θ为0；由前馈控制获得前馈基准角速度ω_t；由反馈控制通过PID控制算法获得角速度初始微调节量d_ω；由软限幅处理获得角速度软限幅处理微调节量d_ωL；最后将前馈控制计算出的前馈基准角速度ω_t与角速度软限幅处理微调节量d_ωL相叠加，以此获得线辊的目标角速度ω_y。该控制方法能保证金刚线走线平稳、走线张力恒定，避免出现张力波动。

Description

金刚线切割机的恒张力控制方法

技术领域

本发明涉及切割机械设备领域，具体讲是一种金刚线切割机的恒张力控制方法。

背景技术

近年来，随着科技的快速发展，对于单晶硅、多晶硅和压电陶瓷等硬脆材料的需求急速上升。而金刚线切割机作为太阳能硅片等硬脆材料的主要切削设备，由于其具备切削效率高、加工稳定性好等优点而得到越来越广泛的应用。

金刚线切割机的机架上设有一个恒张力电动机，恒张力电动机的输出轴上固定有一个摆臂，摆臂自由端经张力传感器安装有一个摆动导轮，金刚线绕过该摆动导轮且金刚线的一端与一个线辊缠绕而另一端与主动轴和从动轴缠绕成线网，上述的线辊、主动轴和从动轴均安装在机架上且线辊和主动轴均由各自的电动机驱动。

走线时，金刚线由线辊引出后绕过摆动导轮后与主动轴及从动轴缠绕，初始状态下，线辊的线速度与主动轴的线速度吻合，而恒张力电动机为摆臂提供恒定的张力，金刚线对摆动导轮产生的张力与恒张力电动机提供的反向张力正好相等，故摆臂悬停在竖直向位置，摆角θ为零，走线平稳。然而，随着走线过程的持续，线辊的半径会发生变化，如放线时线辊直径越来越小，这样，线辊的线速度与主轴的线速度势必越来越不匹配，导致走线过紧或过松、摆臂开始向左或向右摆动，走线张力也出现波动，这样容易发生金刚线断线或跳线的状况，所以需要对其进行调控。

现有技术是以张力传感器的测得的张力值作为依据，通过改变线辊的走线速度来进行调节和控制的。上述调控方式存在以下弊端：首先，金刚线具备弹性的，而摆动导轮又是被金刚线带动被动旋转的，这样，张力忽大忽小会干扰到张力传感器的检测精度，使检测结果出现波动和漂移，导致最后的测量结果不准确；而且，由于摆动导轮并不是直接与张力传感器连接，而是经过轮架间接连接，隔了一层，势必进一步降低测量结果的准确性；况且，由于走线张力不均衡，摆臂的摆角已经发生了变化，而张力传感器是以摆臂竖直状态下测量为准的，摆臂左右偏移势必导致张力受力方向发生变化，测量的张力值自然更不准确。综上，现有技术的方案以并不准确的张力值测量结果为依据进行的调控，其调控效果自然不理想，张力波动大，稳定性差，甚至影响到切割机的切割效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能保证金刚线走线平稳、走线张力恒定，避免出现张力波动的金刚线切割机的恒张力控制方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种金刚线切割机的恒张力控制方法，其步骤包括：

a、当摆动导轮受到金刚线的走线张力与恒张力电动机提供的设定张力相等时，摆臂位于基准线上，此刻摆臂的摆角为设定摆角θ_s；而走线时摆臂的实际摆角θ_f减去设定摆角θ_s的值为摆角误差е^θ；当摆臂摆动的方向与金刚线张拉的方向相同时е^θ为正值，当摆臂摆动的方向与金刚线张拉的方向相反时е^θ为负值；以摆角误差е^θ为控制依据，控制的目标为使摆角误差е^θ为0；

b、前馈控制；

刚开始走线时，线辊的线速度与主动轴的线速度是相等的，以线辊的初始线速度为设定线速度V_r，

由公式R_t＝R₀-2R_wN_p算出当前的线辊半径R_t，其中R₀是线辊的初始半径，R_w是金刚线半径，N_p是线辊上的出线点从一端移动到另一端的次数；

将设定线速度V_r和当前的线辊半径R_t带入公式ω_t＝V_r/R_t

以获得前馈基准角速度ω_t；

c、反馈控制；

以当前的摆角误差е^θ ₀、前一个时刻的摆角误差е^θ _0-t、前两个时刻的摆角误差е^θ _0-2t三个反馈值为依据，通过PID控制算法，带入公式

d_ω＝k_p(е^θ ₀-е^θ _0-t)+k_iе^θ ₀+k_d[(е^θ ₀-е^θ _0-t)-(е^θ _0-t-е^θ _0-2t)]

计算出角速度初始微调节量d_ω，其中，k_p、k_i和k_d为PID控制器的控制参数；

d、对角速度初始微调节量d_ω做如下软限幅处理，

当d_ω≥d_max时，d_ωL＝d_max；

当d_min≤d_ω≤d_max时，d_ωL＝d_ω；

当d_ω≤d_min时，d_ωL＝d_min；

以获得角速度软限幅处理微调节量d_ωL；其中，d_min是角速度微调节量的下限值，d_max是角速度微调节量的上限值；

e、将前馈控制计算出的前馈基准角速度ω_t与角速度软限幅处理微调节量d_ωL相叠加，以此获得线辊的目标角速度ω_y。

采用以上的金刚线切割机的恒张力控制方法与现有技术相比，具有以下优点。

上述控制方法的原理如下。

首先，该控制方式选择了以摆角误差е^θ ₀为依据对走线张力进行间接控制，且提出了使摆角误差е^θ ₀为0为控制目标。具体的说，一般是以摆臂竖直状态作为基准线，此时摆臂的摆角即为设定摆角θ_s，此时摆动导轮受到金刚线的走线张力与恒张力电动机提供的设定张力相等，摆角误差为0，金刚线走线平稳、走线张力恒定，该状况就是后续调节的控制目标；当摆臂朝着金刚线张拉的方向摆动时，说明走线过紧，线辊放线速度相对较慢而主动轴的线速度相对较快，故此时的摆角误差值为正，便于对线辊加速调节；而摆臂与金刚线张拉的方向反向摆动时，则说明走线过松，线辊放线速度过快而主动轴的线速度较慢，故此时的摆角误差值为负，便于对线辊减速调节。而之所以对线辊调节而不对主动轴调节是因为，主动轴上绕线过多、缠成线网且直接与硅料接触，无法调节。

故相比现有技术以张力值做依据的控制方式，本申请的控制方式避免了张力值的波动引发的误差，清晰准确的反应出当前摆动导轮受到的实际张力与设定张力之间的偏差，更加直观准确。

而且，本申请为前馈控制与反馈控制相结合的方式，其中，前馈控制时，充分考虑到随着走线的进行，线辊半径的变化，具体的说，线辊的出线点每从线辊的一端移动到另一端一次，就说明线辊外缠绕的一层金刚线被抽走，从截面看，就是线辊直径减少了两根金刚线直径的厚度，所以线辊的半径就减少了两个金刚线半径的厚度。而出线点从线辊的一端移动到另一端的次数N_p，是由安装移动导轮的移动模组上的伺服电动机来统计的，具体说，就是线辊下方还有一个移动导轮，导轮经移动模组带动且该移动导轮与线辊的出线点同步平移，这样，出线点从线辊一端向另一端移动一次，移动导轮及移动模组的滑块同样移动一次，故移动模组的伺服电动机可以精确统计滑块及出线点的移动次数N_p。所以，该前馈控制对线辊半径的变化提供针对性的调整，有效排除了由线辊半径变化造成的误差，使得前馈基准角速度ω_t更加精准，提高了前馈控制的调节精确度。

再针对性的分析反馈控制过程，反馈控制时给出的微调节量d_ω，是根据修正系数乘以摆角误差k_iе^θ ₀、修正系数乘以不同时刻的摆角误差的差值k_p(е^θ ₀-е^θ _0-t)、修正系数乘以不同时刻的摆角误差的差值的差值k_d[(е^θ ₀-е^θ _0-t)-(е^θ _0-t-е^θ _0-2t)]三个量叠加而获得的。

其中k_iе^θ ₀的意义是，正值说明走线过紧，线辊放线速度不足，故增加线辊角速度，而负值说明走线过松，线辊放线速度过快，故降低线辊角速度。

而k_p(е^θ ₀-е^θ _0-t)的意义是，相比前一时刻，摆角误差值是变大还是变小了，如果为正值，则说明走线偏移的状况更加恶化了，故需要增大调节的幅度，即增大微调节量d_ω；而如果为负值，则说明走线偏移的状况在好转，故为避免波动，不需要那么大的调节幅度，即减小微调节量d_ω。

而k_d[(е^θ ₀-е^θ _0-t)-(е^θ _0-t-е^θ _0-2t)]的意义在于，首先，通过上一步的(е^θ ₀-е^θ _0-t)的值的正负，已经判断出走线偏移的状况是恶化了还是正在好转，而该步骤的结果为正值则说明，恶化的速度加快了，或者好转的速度变慢，则需要增大调节幅度，即增大微调节量d_ω；如该步骤的结果为负，则说明恶化速度变慢了或好转的速度加快了，为避免波动，可减小调节幅度，即减小微调节量d_ω。

最后，软限幅处理的意义在于：防止PID控制器计算出的角速度初始微调节量d_ω过大，而导致张力出现较大波动和震荡，所以设定了上限值和下限值，使得调节过程更加平和稳定，实现调节目标摆角误差е^θ为0的速度更快，提高系统稳定性。

由以上分析可知，该控制方法能实现金刚线切割机张力的平稳控制，使走线平稳、走线张力保持恒定，避免由于张力波动导致的断线、跳线状况，保证切割效果和金刚线切割机的整体稳定性。

附图说明

图1是本发明金刚线切割机的恒张力控制方法涉及到的摆臂和摆动导轮的正视结构示意图。

图2是本发明金刚线切割机的恒张力控制方法的双闭环控制原理图。

图中所示 1、摆动导轮，2、金刚线，3、恒张力电动机，4、摆臂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明金刚线切割机的恒张力控制方法，其步骤如下。

a、当摆动导轮1受到金刚线2的走线张力与恒张力电动机3提供的设定张力相等时，摆臂4位于基准线上，此刻摆臂4的摆角为设定摆角θ_s；一般是以摆臂4竖直向下垂作为基准线的。

而走线时摆臂4的实际摆角θ_f减去设定摆角θ_s的值为摆角误差е^θ；而上述的实际摆角θ_f是由恒张力电动机3的编码器测得并反馈给PID控制器的。

当摆臂4摆动的方向与金刚线2张拉的方向相同时е^θ为正值，当摆臂4摆动的方向与金刚线2张拉的方向相反时е^θ为负值；以摆角误差е^θ为控制依据，控制的目标为使摆角误差е^θ为0。

b、前馈控制如下。

刚开始走线时，线辊的线速度与主动轴的线速度是相等的，以线辊的初始线速度也就是主动轴的线速度为设定线速度V_r。

由公式R_t＝R₀-2R_wN_p算出当前的线辊半径R_t，其中R₀是线辊的初始半径，R_w是金刚线2半径，N_p是线辊上的出线点从一端移动到另一端的次数；本实施例中，R₀为200mm，而R_w为0.03mm。

将设定线速度V_r和当前的线辊半径R_t带入公式ω_t＝V_r/R_t

以获得前馈基准角速度ω_t。

c、反馈控制如下。

以当前的摆角误差е^θ ₀、前一个时刻的摆角误差е^θ _0-t、前两个时刻的摆角误差е^θ _0-2t三个反馈值为依据，通过PID控制算法，带入公式

d_ω＝k_p(е^θ ₀-е^θ _0-t)+k_iе^θ ₀+k_d[(е^θ ₀-е^θ _0-t)-(е^θ _0-t-е^θ _0-2t)]

计算出角速度初始微调节量d_ω，k_p、k_i和k_d为PID控制器的控制参数；其中，k_p为0.4，k_i为0.1，k_d为0.05。

d、对角速度初始微调节量d_ω做如下软限幅处理，

当d_ω≥d_max时，d_ωL＝d_max；

当d_min≤d_ω≤d_max时，d_ωL＝d_ω；

当d_ω≤d_min时，d_ωL＝d_min；

以获得角速度软限幅处理微调节量d_ωL；其中，d_min是角速度微调节量的下限值，d_max是角速度微调节量的上限值；本实施例中，d_min为-100rad/s，而d_max为100rad/s。

e、将前馈控制计算出的前馈基准角速度ω_t与反馈控制和软限幅处理获得的角速度软限幅处理微调节量d_ωL相叠加，以此获得线辊的目标角速度ω_y。即套入公式ω_y＝ω_t+d_ωL。

本发明的金刚线切割机的恒张力控制方法，本质上是一种双闭环控制方法。如图2所示，具体的说，由恒张力电动机3的编码器测得实际摆角θ_f，与设定摆角θ_s进行比对，将获得的摆角误差е^θ ₀反馈给PID，并由PID控制算法获得角速度初始微调节量d_ω，再进行软限幅处理获得d_ωL；而由定线速度V_r除以当前的线辊半径R_t获得前馈基准角速度ω_t，将ω_t与d_ωL叠加获得目标角速度ω_y，并与线辊电动机的编码器获得的线辊当前实际角速度s进行比对，再由PI控制器发出弥补调整信号，并由驱动器驱动线辊的伺服电动机，改变线辊的实际角速度，并反映在摇臂4的摆角上，并由恒张力电动机3的编码器测得并再次反馈给PID控制器，以此循环。

Claims (1)

1.一种金刚线切割机的恒张力控制方法，其特征在于：其步骤包括：

a、当摆动导轮(1)受到金刚线(2)的走线张力与恒张力电动机(3)提供的设定张力相等时，摆臂(4)位于基准线上，此刻摆臂(4)的摆角为设定摆角θ_s；而走线时摆臂(4)的实际摆角θ_f减去设定摆角θ_s的值为摆角误差е^θ；当摆臂(4)摆动的方向与金刚线(2)张拉的方向相同时е^θ为正值，当摆臂(4)摆动的方向与金刚线(2)张拉的方向相反时е^θ为负值；以摆角误差е^θ为控制依据，控制的目标为使摆角误差е^θ为0；

b、前馈控制；

刚开始走线时，线辊的线速度与主动轴的线速度是相等的，以线辊的初始线速度为设定线速度V_r，

由公式R_t＝R₀-2R_wN_p算出当前的线辊半径R_t，其中R₀是线辊的初始半径，R_w是金刚线(2)半径，N_p是线辊上的出线点从一端移动到另一端的次数；

将设定线速度V_r和当前的线辊半径R_t带入公式ω_t＝V_r/R_t

以获得前馈基准角速度ω_t；

c、反馈控制；

以当前的摆角误差е^θ ₀、前一个时刻的摆角误差е^θ _0-t、前两个时刻的摆角误差е^θ _0-2t三个反馈值为依据，通过PID控制算法，带入公式

d_ω＝k_p(е^θ ₀-е^θ _0-t)+k_iе^θ ₀+k_d[(е^θ ₀-е^θ _0-t)-(е^θ _0-t-е^θ _0-2t)]

计算出角速度初始微调节量d_ω，其中，k_p、k_i和k_d为PID控制器的控制参数；

d、对角速度初始微调节量d_ω做如下软限幅处理，

当d_ω≥d_max时，d_ωL＝d_max；

当d_min≤d_ω≤d_max时，d_ωL＝d_ω；

当d_ω≤d_min时，d_ωL＝d_min；

以获得角速度软限幅处理微调节量d_ωL；其中，d_min是角速度微调节量的下限值，d_max是角速度微调节量的上限值；

e、将前馈控制计算出的前馈基准角速度ω_t与角速度软限幅处理微调节量d_ωL相叠加，以此获得线辊的目标角速度ω_y。