CN110039671B - 一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统 - Google Patents

一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统 Download PDF

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Abstract

一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统，包括镜头、激光器、光电二极管、数据采集卡、滤波模块、频率计算模块、走线速度计算模块、控制模块和交流伺服电机；所述激光器发出的激光经过镜头照射到切割线上，经过切割线反射后，部分光线返回激光器进入光电二极管；所述光电二极管与数据采集卡相连，所述数据采集卡与滤波模块相连，所述滤波模块与频率计算模块相连，所述频率计算模块与走线速度计算模块相连，所述走线速度计算模块与控制模块相连，所述控制模块与交流伺服电机相连。本发明通过实时测量多线切割机走线速度，实现走线速度的闭环控制，提高抗干扰能力，提高走线速度控制的准确性和稳定性，提高产品质量。

Description

一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统
技术领域
本发明涉及一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统。
背景技术
多线切割机具有批量、多片切割太阳能硅片、蓝宝石、碳化硅等硬脆性材料的功能，主要原理是将切割线在主辊之间形成网状，让切割线网高速运转，同时工作台带动工件垂直于线网运动方向进给，完成切割任务。在切割过程中，切割线网需要按照设定的速度运行，走线速度过快或过慢都会影响产品质量。在目前的多线切割机中，走线速度采用开环控制，控制程序根据主辊直径将走线速度设定值换算为主辊电机转速设定值，再对主辊电机转速进行控制。这种控制方式实现简单，但是主辊直径会随着运行磨损等因素逐渐变化使得控制精度降低。开环控制也无法应对振动等外部干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有多线切割机走线速度控制系统的不足，提供一种采用激光器非接触实时测量线网走线速度，形成闭环控制，提高走线速度控制的准确性和稳定性的鲁棒多线切割机走线速度控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统，包括镜头、激光器、光电二极管、数据采集卡、滤波模块、频率计算模块、走线速度计算模块、控制模块和交流伺服电机；所述镜头、激光器、光电二极管同轴安装，并垂直对准切割线，所述激光器发出的激光经过镜头照射到切割线上，经过切割线反射后，部分光线返回激光器进入光电二极管；所述光电二极管与数据采集卡相连，所述数据采集卡与滤波模块相连，所述滤波模块与频率计算模块相连，所述频率计算模块与走线速度计算模块相连，所述走线速度计算模块与控制模块相连，所述控制模块与交流伺服电机相连。
所述光电二极管将光照强度转化为电信号；所述数据采集卡从光电二极管采集电信号并转换为数字信号；所述滤波模块对采集到的数字信号进行滤波；所述频率计算模块计算出滤波后信号的频率；所述走线速度计算模块计算出切割线的走线速度；所述控制模块根据走线速度计算值和设定值对交流伺服电机的转速进行调节，控制走线速度保持在设定值。
进一步，所述滤波模块的功能，可通过如下步骤来实现：
1）将数据采集卡采集到的信号记为
Figure 916314DEST_PATH_IMAGE001
，代入下式进行分解：
Figure 219119DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 589664DEST_PATH_IMAGE003
是分解系数，
Figure 675432DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 949287DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 829518DEST_PATH_IMAGE006
的共轭函数，
Figure 955869DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 314169DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 708110DEST_PATH_IMAGE009
按下式计算：
Figure 759242DEST_PATH_IMAGE010
；
2）按下式计算滤波后的分解系数
Figure 110239DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 131285DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，
Figure 130465DEST_PATH_IMAGE013
是分解系数，
Figure 70608DEST_PATH_IMAGE014
是阈值，
Figure 155238DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 979975DEST_PATH_IMAGE008
；
3）按下式计算滤波后的信号
Figure 318815DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 446171DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，
Figure 877152DEST_PATH_IMAGE018
是重构系数，
Figure 99055DEST_PATH_IMAGE011
是滤波后的分解系数，
Figure 72827DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 230139DEST_PATH_IMAGE006
的共轭函数，
Figure 771585DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 672545DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步，所述频率计算模块的功能，可通过如下步骤来实现：
1）将滤波模块得到的滤波后信号，代入下式进行计算：
Figure 235245DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 563458DEST_PATH_IMAGE020
表示滤波后的信号，
Figure 93665DEST_PATH_IMAGE021
表示虚数单位，
Figure 673682DEST_PATH_IMAGE022
表示频率
Figure 215522DEST_PATH_IMAGE023
的复频幅值，
Figure 340735DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 108971DEST_PATH_IMAGE025
是频率间隔，
Figure 351733DEST_PATH_IMAGE026
是最高频率；
2）计算
Figure 872714DEST_PATH_IMAGE027
的模
Figure 808308DEST_PATH_IMAGE028
，并进行比较，找出
Figure 63840DEST_PATH_IMAGE028
的最大值及对应的频率，记为
Figure 16620DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 267473DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure 983756DEST_PATH_IMAGE031
表示最大值，
Figure 585639DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 825996DEST_PATH_IMAGE025
是频率间隔，
Figure 337880DEST_PATH_IMAGE026
是最高频率。
进一步，所述走线速度计算模块的功能，可通过如下步骤来实现：
按下式计算切割线的走线速度
Figure 975797DEST_PATH_IMAGE032
：
Figure 330555DEST_PATH_IMAGE033
；
其中，
Figure 594177DEST_PATH_IMAGE034
为激光器所发射激光的波长，
Figure 944256DEST_PATH_IMAGE035
由频率计算模块得到。
进一步，所述控制模块的功能，可通过如下步骤来实现：
1）计算第
Figure 658134DEST_PATH_IMAGE036
时刻的走线速度误差
Figure 844396DEST_PATH_IMAGE037
，其中
Figure 770764DEST_PATH_IMAGE038
为走线速度设定值，
Figure 5042DEST_PATH_IMAGE039
表示在第
Figure 234030DEST_PATH_IMAGE040
个采样时刻走线速度计算模块得到的走线速度；
2）按下式计算交流伺服电机转速补偿量
Figure 297801DEST_PATH_IMAGE041
：
Figure 152493DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 352530DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 17998DEST_PATH_IMAGE044
分别为第
Figure 929584DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 197755DEST_PATH_IMAGE046
时刻的走线速度误差，
Figure 393244DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 354246DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 517243DEST_PATH_IMAGE049
分别为电机转速补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
本发明的有益效果：
本发明采用激光器对切割线走线速度进行检测，与线网没有直接接触，可避免机械磨损，降低维护成本。用测量到的走线速度对电机转速进行调节，形成闭环控制，可以提高走线速度控制的稳定性和可靠性，提高抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明之鲁棒多线切割机走线速度控制系统实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，本实施例包括镜头2、激光器3、光电二极管4、数据采集卡5、滤波模块6、频率计算模块7、走线速度计算模块8、控制模块9和交流伺服电机10；所述镜头2、激光器3、光电二极管4同轴安装，并垂直对准切割线1，所述激光器3发出的激光经过镜头2照射到切割线1上，经过切割线1反射后，部分光线返回激光器3进入光电二极管4；所述光电二极管4与数据采集卡5相连，所述数据采集卡5与滤波模块6相连，所述滤波模块6与频率计算模块7相连，所述频率计算模块7与走线速度计算模块8相连，所述走线速度计算模块8与控制模块9相连，所述控制模块9与交流伺服电机10相连。
本实施例中，所述光电二极管4将光照强度转化为电信号；所述数据采集卡5从光电二极管4采集电信号并转换为数字信号；所述滤波模块6对采集到的数字信号进行滤波；所述频率计算模块7计算出滤波后信号的频率；所述走线速度计算模块8计算出切割线的走线速度；所述控制模块9根据走线速度计算值和设定值对交流伺服电机10的转速进行调节，控制走线速度保持在设定值。
所述滤波模块6的功能，通过如下步骤来实现：
1）将数据采集卡采集到的信号记为
Figure 198892DEST_PATH_IMAGE050
，代入下式进行分解：
Figure 373521DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 868874DEST_PATH_IMAGE051
是分解系数，
Figure 394533DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 879873DEST_PATH_IMAGE053
表示
Figure 299221DEST_PATH_IMAGE054
的共轭函数，
Figure 602027DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 224769DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 638433DEST_PATH_IMAGE057
按下式计算：
Figure 148174DEST_PATH_IMAGE058
；
2）按下式计算滤波后的分解系数
Figure 762826DEST_PATH_IMAGE059
：
Figure 731919DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，
Figure 605066DEST_PATH_IMAGE013
是分解系数，
Figure 749740DEST_PATH_IMAGE014
是阈值，
Figure 17516DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 739485DEST_PATH_IMAGE008
；
3）按下式计算滤波后的信号
Figure 370317DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 353186DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，
Figure 434274DEST_PATH_IMAGE060
是重构系数，
Figure 518905DEST_PATH_IMAGE011
是滤波后的分解系数，
Figure 969740DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 682481DEST_PATH_IMAGE006
的共轭函数，
Figure 809837DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 365452DEST_PATH_IMAGE008
。
所述频率计算模块7的功能，通过如下步骤来实现：
1）将滤波模块得到的滤波后信号，代入下式进行计算：
Figure 603667DEST_PATH_IMAGE019
；
其中，
Figure 702073DEST_PATH_IMAGE020
表示滤波后的信号，
Figure 476694DEST_PATH_IMAGE061
表示虚数单位，
Figure 270338DEST_PATH_IMAGE062
表示频率
Figure 436877DEST_PATH_IMAGE063
的复频幅值，
Figure 248844DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 718003DEST_PATH_IMAGE065
是频率间隔，
Figure 749675DEST_PATH_IMAGE066
是最高频率；
2）计算
Figure 719905DEST_PATH_IMAGE067
的模
Figure 402690DEST_PATH_IMAGE068
，并进行比较，找出
Figure 26438DEST_PATH_IMAGE028
的最大值及对应的频率，记为
Figure 919308DEST_PATH_IMAGE069
：
Figure 37437DEST_PATH_IMAGE070
；
其中，
Figure 322531DEST_PATH_IMAGE071
表示最大值，
Figure 258126DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 248079DEST_PATH_IMAGE065
是频率间隔，
Figure 419166DEST_PATH_IMAGE066
是最高频率。
所述走线速度计算模块8的功能，通过如下步骤来实现：
按下式计算切割线的走线速度
Figure 201177DEST_PATH_IMAGE072
：
Figure 183040DEST_PATH_IMAGE033
；
其中，
Figure 676600DEST_PATH_IMAGE034
为激光器所发射激光的波长，
Figure 261165DEST_PATH_IMAGE073
由频率计算模块得到。
所述控制模块9的功能，可通过如下步骤来实现：
1）计算第
Figure 773049DEST_PATH_IMAGE074
时刻的走线速度误差
Figure 175081DEST_PATH_IMAGE075
，其中
Figure 139626DEST_PATH_IMAGE076
为走线速度设定值，
Figure 793461DEST_PATH_IMAGE077
表示在第
Figure 647934DEST_PATH_IMAGE078
个采样时刻走线速度计算模块得到的走线速度；
2）按下式计算交流伺服电机转速补偿量
Figure 830654DEST_PATH_IMAGE079
：
Figure 548074DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 599076DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure 679027DEST_PATH_IMAGE081
分别为第
Figure 439173DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 237364DEST_PATH_IMAGE083
时刻的走线速度误差，
Figure 859101DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure 668925DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure 724606DEST_PATH_IMAGE086
分别为电机转速补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种鲁棒多线切割机走线速度控制系统，其特征在于：包括镜头、激光器、光电二极管、数据采集卡、滤波模块、频率计算模块、走线速度计算模块、控制模块和交流伺服电机；所述镜头、激光器、光电二极管同轴安装，并垂直对准切割线，所述激光器发出的激光经过镜头照射到切割线上，经过切割线反射后，部分光线返回激光器进入光电二极管；所述光电二极管与数据采集卡相连，所述数据采集卡与滤波模块相连，所述滤波模块与频率计算模块相连，所述频率计算模块与走线速度计算模块相连，所述走线速度计算模块与控制模块相连，所述控制模块与交流伺服电机相连；
所述滤波模块的功能，通过如下步骤来实现：
1）将数据采集卡采集到的信号记为f(t) ，代入下式进行分解：
Figure 191249DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是分解系数，
Figure 84118DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 858039DEST_PATH_IMAGE006
的共轭函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 582282DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
按下式计算：
Figure 284921DEST_PATH_IMAGE010
；
2）按下式计算滤波后的分解系数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 665086DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是分解系数，
Figure 977119DEST_PATH_IMAGE014
是阈值，
Figure 290289DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 626811DEST_PATH_IMAGE008
；
3）按下式计算滤波后的信号
Figure DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 759852DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
是重构系数，
Figure 875576DEST_PATH_IMAGE011
是滤波后的分解系数，
Figure 246514DEST_PATH_IMAGE005
表示
Figure 258333DEST_PATH_IMAGE018
的共轭函数，
Figure 81932DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
。
2.根据权利要求1所述的鲁棒多线切割机走线速度控制系统，其特征在于：所述频率计算模块的功能，通过如下步骤来实现：
1）将滤波模块得到的滤波后信号，代入下式进行计算：
Figure 502811DEST_PATH_IMAGE020
；
其中，
Figure 728256DEST_PATH_IMAGE015
表示滤波后的信号，j表示虚数单位，
Figure 176555DEST_PATH_IMAGE022
表示频率
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的复频幅值，
Figure 284189DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
是频率间隔，
Figure 243180DEST_PATH_IMAGE026
是最高频率；
2）计算
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的模
Figure 854289DEST_PATH_IMAGE028
，并进行比较，找出
Figure 473490DEST_PATH_IMAGE028
的最大值及对应的频率，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 599577DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
表示最大值，
Figure 362259DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
是频率间隔，
Figure 827876DEST_PATH_IMAGE026
是最高频率。
3.根据权利要求2所述的鲁棒多线切割机走线速度控制系统，其特征在于：所述走线速度计算模块的功能，通过如下步骤来实现：
按下式计算切割线的走线速度
Figure 352398DEST_PATH_IMAGE034
：
Figure 637886DEST_PATH_IMAGE035
；
其中，
Figure 906056DEST_PATH_IMAGE036
为激光器所发射激光的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
由频率计算模块得到。
4.根据权利要求3所述的鲁棒多线切割机走线速度控制系统，其特征在于：所述控制模块的功能，通过如下步骤来实现：
1）计算第
Figure 491758DEST_PATH_IMAGE038
时刻的走线速度误差
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，其中
Figure 276263DEST_PATH_IMAGE040
为走线速度设定值，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
表示在第
Figure 314626DEST_PATH_IMAGE042
个采样时刻走线速度计算模块得到的走线速度；
2）按下式计算交流伺服电机转速补偿量
Figure DEST_PATH_IMAGE043
：
Figure 917645DEST_PATH_IMAGE044
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 124898DEST_PATH_IMAGE046
分别为第
Figure DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 522381DEST_PATH_IMAGE048
时刻的走线速度误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 375937DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE051
分别为电机转速补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
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