The Application of 10MC and A2 Servo in Cutting Machine
【摘要】本文主要介紹臺達10MC與A2伺服在多線切割機上的應用。
【Abstract】This paper is mainly introduce the application of 10MC and A2 servo in cutting machine.
【關鍵詞】A2伺服；10MC運動控制器；多線切割機；CAN總線；
【Keywords】A2 servo;10 MC;cutting machine;
     多線切割機是一種全新概念的新型切割設備，簡稱“線鋸”，通過金屬絲的高速往復運動，把磨料帶入半導體加工區域進行研磨，將半導體等硬脆材料一次同時切割為數百片薄片。其以極高的生產效率和出片率，在大直徑硅片加工領域，逐漸開始取代內圓切割機的趨勢。
    長久以來，臺達機電產品都以高性價比、完善的售后服務體系以及優秀的技術贏得了廣大客戶的青瞇。為此，在多線切割機上，臺達更是以最快的速度將整套系統開發成功。本篇文章將主要介紹臺達10MC與A2伺服在多線切割機上的應用。
1  控制系統結構圖
  圖1為設備外形圖。

圖1 設備外形

圖2為電控箱配置圖。

圖2 電控配置

圖3為電機安裝位置圖。

 

圖3 電機安裝位置示意圖

圖4為加工產品圖。

 

圖4 加工產品

2 控制系統實施課題的解決方案
2.1 應用課題解決辦法
（1）初次啟動的時候，先設定主軸的尺寸，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，然后根據張力輪的角度，通過算法控制和主軸進行同步，并把同步后得到的速度作為實際的同步速度基準比例；
（2）啟動后根據設定主軸當前設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速度；
（3）在線變更速度后根據變更前后速比關系立即調整速度頻率的給定，再根據張力輪的位置關系微調；
（4）通過基準算法計算速度，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，通過控制進給電機與橫向進給電機的加工原點是否確定，在把加工原點確定標志位作為自動運行啟動先決條件，方可啟動主軸和沙泵電機進行正常切割；
（7）通過判斷主軸速度是否達到設定速度，確定進給電機是否進行進給切割；
（8）當進給電機進給量結束，在啟動退刀延時程序，在通過退刀延時結束標志位。此時停止主軸和沙泵電機，從而整個切割流程結束。
2.2  重點課題解決辦法
（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合的方式對主軸進行速度控制；
（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生變化的情況下始終能以最優的速度跟隨主軸；
（3）保證收放線的恒張力，通過使用A2伺服扭矩模式與MC扭矩功能塊實現恒張力；
（4）PLC程序編寫算法公式和MC程序分為運動程序與邏輯；
組成（運動程序相當于定時中斷），PLC與MC的數據通過特D進行交換；
（5）屏與控制沙泵電機變頻器進行485通訊；
（6）進給電機與橫向進給電機進給量通過速度功能塊和定位功能塊進行定位控制，已達到走定長目的。
2.3  系統性能
（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）主軸伺服轉速：1480轉左右。

3  控制工藝流程圖

圖5為系統構造圖。
 

 

 

 

圖5 系統構造示意圖

圖6為系統構成圖。

圖6 系統構成

圖7為系統流程圖。

圖7 系統流程

4  客戶應用課題解決辦法
4.1 PID的應用
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字量，所以需要使用離散化的PID算法來實現控制。另外考慮到系統對快速性的要求，所以要盡量減小內存的開銷以達到精減程序的目的，因此采用離散化增量式的PID算法。該算法在運算過程中只需要保留最近3次的誤差數據,就能夠推導出下一次的輸出量,節省了大量的數據空間,提高了運算速度。T、Ti、Td和Kp是PID公式的常量,不同的數值代表著PID系統的微分、積分、比例調節作用的強度和效果，在此系統中，Td=0，只用了P、I控制。PID數學模型如圖8.

圖8 PID數字模型

4.12 離散化增量式PID算法的數據監控
    根據PID算法模型，高速運行時，收線放線伺服輸出偏差正負5轉以及張力擺動扭矩正負1牛。同時監視主軸、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

通過監視波形，在張力輪的角度發生偏差后，收放線速度能夠快速地進行改變，保持張力輪穩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的控制系統中是可行的。
4.22 排線中的應用
（1）背景：若收線輪的線排列不均勻，在邊角處出現疊加，那么當收線輪作為放線使用時很有可能導致放線不順利，從而會導致斷線。

圖12 排線布置

(2)說明：根據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程可以計算出L和P的值，排線就能夠根據收線的旋轉方向和行進量在正確的放線進行均勻排線。
(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

使用此算法實現了排線的均勻分布、無層疊現象，很好的滿足了系統的要求。
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，定位功能塊進行定位控制進給的應用。PLC數據運算程序如圖16。
 

圖16 PLC數據運算程序

圖17 MC邏輯程序

圖18 MC運動程序

使用通過速度功能塊，扭矩功能塊和使能功能塊進行定位控制進給很好的滿足了系統的要求。
5   結束語
    作為進軍高端控制領域的力作，臺達DVP-10MC是一款基于CANopen現場總線的多軸運動控制器，其通訊速度高達1M。為快速實現精準控制，DVP-10MC內部設計了兩大功能模塊：PLC模塊及運動控制模塊，兩部分分別獨立處理邏輯任務和運動控制任務。兩大功能模塊的并行運行大大提高了高端設備的運行效率。
　　　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、工藝參數可運行中修改、同步切割區速度比例可調。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編輯器中規劃凸輪曲線，并能隨時動態更改電子凸輪曲線。G碼功能能夠滿足運動軌跡和進給速度的嚴格要求。借由這些出色的功能，DVP-10MC在加工、包裝、食品、機床等各個行業中的應用正不斷深入。臺達DVP-10MC能夠在眾多新品種脫穎而出，不僅是產品本身的魅力，也來自于用戶對于臺達產品的認可和激勵。用戶的需求，就是臺達發展的方向和動力。

作者簡介：
應院祥，男，出生于1985年12月，畢業于江西現代學院電子與信息技術專業，現任中達電通股份有限公司應用工程師。近幾年來一直從事運動控制產品的程序開發及營銷推廣等工作，具有5年的多線切割機開發經驗以及各種機型工藝。