0 引言

　　多線切割是日本學(xué)者提出的一種新型加工方法，它通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨,，最終把半導(dǎo)體切割成薄片,，具有高的加工精度和效率。日本,、瑞士等國都有悠遠(yuǎn)的多線切割機(jī)床制造歷史,，掌握著其中的核心技術(shù)。國內(nèi)的研究主要是跟蹤和模仿國外的成熟機(jī)型,，旨在解決控制系統(tǒng)中切割線張力恒定問題[1-3],。

　　目前多線切割機(jī)床控制系統(tǒng)硬件或由PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器組合而成，或由專用運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器組合而成[4-5],。本文提出了采用以工控機(jī)作為主控單元,，以自行開發(fā)的基于PCI總線的接口電路作為I/O卡的電氣控制系統(tǒng)方案，較上述兩種方案具有更高的控制性能和成本優(yōu)勢。

1 電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)多線切割機(jī)恒張力控制要求,，本文采用基于工控機(jī)加PCI總線的I/O卡方案來實(shí)現(xiàn)傳感器信號的輸入和羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號的輸出及輪系的同步,。工控機(jī)通過PCI總線轉(zhuǎn)換接口芯片CH365對I/O卡上設(shè)備進(jìn)行讀寫操作[6]。I/O卡上的外部設(shè)備將通過設(shè)計(jì)基于CPLD緩沖電路實(shí)現(xiàn)與CH365的本地端口連接,。I/O卡總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 面向多線切割機(jī)床控制的I/O卡電路設(shè)計(jì)

　　2.1 基于PCI總線接口的I/O卡電路設(shè)計(jì)要求

　　根據(jù)多線切割機(jī)機(jī)床切割工藝要求，I/O卡電路需要提供6路伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制信號,，其中驅(qū)動(dòng)器的控制都采用輸入符號+脈沖信號方式實(shí)現(xiàn),。I/O卡電路中設(shè)計(jì)有6路基于直接數(shù)字式頻率合成器AD9850的脈沖信號產(chǎn)生電路。

　　多線切割機(jī)收放線側(cè)的張力通過彈簧張緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生,，并通過力傳感器來測量,。力傳感器所測得信號為模擬信號，為解決其傳輸時(shí)的干擾問題,，采用基于LM331芯片的V/F變換電路將張力模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號,。

　　另外還采用由DS18B20與STC89C58組成的測溫電路來監(jiān)測對切割機(jī)切割工藝有影響的主軸溫度、砂漿溫度和環(huán)境溫度等,。

　　系統(tǒng)主控單元是由工控機(jī)來實(shí)現(xiàn),，它通過PCI總線接口實(shí)現(xiàn)對如DDS等外圍設(shè)備的讀寫操作。

　　2.2 伺服電機(jī)脈沖信號電路

　　伺服電機(jī)脈沖信號電路如圖2所示,，其核心芯片是AD9850,，操作AD9850過程為：計(jì)算機(jī)總線通過8位數(shù)據(jù)總線D0~D7完成40位控制數(shù)據(jù)的輸入，復(fù)位信號RESET有效使數(shù)據(jù)地址指針指向第一個(gè)輸入寄存器,，W_CLK信號上升沿寫入第一個(gè)8位數(shù)據(jù),，并指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿后,，完成40位控制數(shù)據(jù)輸入,。FQ_UD上升沿到來，使用40位輸入數(shù)據(jù)更新頻率和相位控制寄存器,，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器,，等待寫一個(gè)新數(shù)據(jù)輸入，QOUT信號就是所需的脈沖輸出信號,。

　　2.3 張力信號處理電路

　　張力信號處理電路如圖3所示,，其核心芯片是LM331。其工作過程為：當(dāng)7腳輸入端輸入一正電壓Vi時(shí),，輸入比較器輸出高電平,，使R－S觸發(fā)器置位，輸出高電平,，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通,，3腳輸出端fo為邏輯低電平，同時(shí)電源Vcc也通過電阻R10對電容C1充電。當(dāng)電容C1兩端充電電壓大于Vcc的2/3時(shí),，定時(shí)比較器輸出一高電平,，使R－S觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平,，輸出驅(qū)動(dòng)管截止,，3腳輸出端為邏輯高電平，同時(shí),，復(fù)零晶體管導(dǎo)通,，電容C1通過內(nèi)部的復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容C3對電阻R3放電,。當(dāng)電容C3放電電壓等于7腳的輸入電壓Vi時(shí),，輸入比較器再次輸出高電平，使R－S觸發(fā)器置位,，如此反復(fù)循環(huán),，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率fo與輸入電壓Vi成正比,，從而實(shí)現(xiàn)了電壓－頻率變換,。

　　2.4 溫度測量電路

　　溫度測量電路原理圖如圖4所示，通過對P1口掃描,，完成最多8路的DS18B20溫度測量,。由單片機(jī)STC89C58讀取的溫度值暫存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中。在CPLD中實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)緩沖器用來暫存由STC89C58輸出的溫度數(shù)據(jù),，然后被工控機(jī)通過PCI總線讀入其內(nèi)存。

　　2.5 PCI總線接口電路

　　PCI總線接口采用CH365專用芯片后,，其復(fù)雜的總線協(xié)議要求對用戶來說就變成了透明,。使用CH365的驅(qū)動(dòng)程序，就可以簡單地通過調(diào)用I/O函數(shù)對外部設(shè)備進(jìn)行讀寫操作,。I/O卡上的外圍設(shè)備主要有6路DDS電路,、1路單片機(jī)控制電路、2路張力信號處理電路,。這些外圍設(shè)備與CH365的本地端口通過CPLD來橋接,。具體的電路實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖5所示。

　　圖5中,，CPLD芯片的總線端口主要有PCI總線經(jīng)CH365轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù)線,、16位地址線及IO端口讀寫控制信號等；本地端口主要有6路AD9850芯片的控制信號,、2路張力傳感器的脈沖信號,、1路單片機(jī)數(shù)據(jù)口和地址口信號及其讀寫控制信號，另外還輸出了6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的符號(DOUT[1-6])+脈沖信號(PULSE_OUT[1-6])，其中脈沖信號是由AD9850產(chǎn)生,，經(jīng)由CPLD內(nèi)部電路處理后所得,。

3 多線切割機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在工控機(jī)WINDOWS操作系統(tǒng)下利用VB語言編寫多線切割機(jī)控制系統(tǒng)交互操作界面，實(shí)現(xiàn)對多線切割機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控與工藝參數(shù),、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置,；利用VC編寫切割線恒張力的輪系同步運(yùn)動(dòng)控制程序，并將他們編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL由VB程序調(diào)用,，實(shí)現(xiàn)操作界面程序與運(yùn)動(dòng)控制程序的交互,。

　　3.1 I/O卡讀寫操作

　　在使用CH365專用接口芯片橋接工控機(jī)PCI總線和I/O上的外部設(shè)備后，對外部設(shè)備的讀寫操作就是簡單地通過調(diào)用CH365驅(qū)動(dòng)中的端口讀寫函數(shù)來實(shí)現(xiàn),。讀寫函數(shù)原型分別為：

　　BOOL WINAPI CH365mReadIoByte(ULONG  iIndex, PVOID iAddr, PUCHAR oByte);

　　//指向一個(gè)字節(jié)單元,用于保存讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)

　　BOOL WINAPI CH365mWriteIoByte(ULONG iIndex, PVOID iAddr, UCHAR iByte); //待寫入的字節(jié)數(shù)據(jù)

　　根據(jù)圖5中的CPLD邏輯電路設(shè)計(jì),，外圍設(shè)備的地址分配如表1所示。

　　3.2 PID恒張力反饋控制算法

　　根據(jù)切割工藝要求,，主羅拉的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：正向加速——正向恒速——正向減速——停止——反向加速——反向恒速——反向減速——停止,，依此循環(huán)，且正向運(yùn)動(dòng)將比反向運(yùn)動(dòng)的時(shí)間稍長,，使放線羅拉的線慢慢耗盡,。收線和放線羅拉作為隨動(dòng)輪要隨主羅拉運(yùn)動(dòng)并保持同步。實(shí)現(xiàn)輪系同步的控制框圖如圖6所示,。

　　由于存在信號傳輸滯后以及收線羅拉直徑等系統(tǒng)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化等多因素,，控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)，直接進(jìn)行數(shù)字控制器設(shè)計(jì)不易實(shí)現(xiàn),。PID算法采用遞推式數(shù)字PID算法,，通過在線整定方法來確定參數(shù)，可以取得很好的控制效果,。

4 實(shí)驗(yàn)

　　多線切割機(jī)床控制系統(tǒng)在SJQ-380型多線切割機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，在相同的工況條件下，與以PLC為主控單元的控制系統(tǒng)進(jìn)行比較,，檢驗(yàn)其有效性,。SJQ-380型多線切割機(jī)走線速度可達(dá)500 m/min，切割線加速度為2 m/s2,。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的預(yù)期走線速度為600 m/min,，線張力設(shè)定為30 N。工控機(jī)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的恒張力控制性能如圖7所示,。從圖中可以看出,，當(dāng)走線速度為600 m/min時(shí)，PLC控制系統(tǒng)對切割線恒張力的控制效果較差,，其張力波動(dòng)范圍在±5 N以上,，加工性能已不能滿足工藝要求,；工控機(jī)控制系統(tǒng)的張力波動(dòng)基本保持在±2 N以內(nèi)，能夠滿足工藝要求,。

5 結(jié)論

　　本文提出了一種基于工控機(jī)的多線切割機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，采用基于PCI總線的I/O卡實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與外部設(shè)備通信，在工控機(jī)WINDOWS系統(tǒng)下設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件,，實(shí)現(xiàn)了友好的交互操作界面和PID控制器應(yīng)用,。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在SJQ-380型多線切割機(jī)床上試驗(yàn)，結(jié)果證明其具有一定的有效性和先進(jìn)性,。對于切割機(jī)來說,，更快的走線速度意味著更高的加工精度和效率，但也對控制系統(tǒng)提出了更高的要求,，因此研究高速走線的控制系統(tǒng)非常之有必要,。深入研究多線切割機(jī)控制系統(tǒng)模型，進(jìn)而提出先進(jìn)和適應(yīng)的控制算法是本文今后的研究重點(diǎn),。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 靳永吉.DXQ-601型多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,，2008(159)：14-17.

　　[2] 張義兵，戴瑜興.多線切割機(jī)速度同步系統(tǒng)的自適應(yīng)逆控制[J].控制理論與控制應(yīng)用,，2008,，25(6)：1007-1010.

　　[3] 張義兵，戴瑜興.多線切割機(jī)線張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),，2009,，45(5)：295-300.

　　[4] 丁彭剛，王雙全,，莊文波,，等.多線切割機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2012(206)：31-37.

　　[5] 蔣近.太陽能硅片多線切割機(jī)張力系統(tǒng)控制機(jī)理研究及應(yīng)用[D].長沙：湖南大學(xué),，2012.

　　[6] 徐義翔,，李正明.基于接口芯片CH365的PCI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004(11)：22-25.