《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于工控機(jī)的多線切割機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
林君煥1,,2,,金建華1,章錦雷3,,林海波1
1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,,浙江 臺(tái)州318000,; 2.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江 寧波315211,; 3.寧波海天注塑機(jī)集團(tuán)有限公司,,浙江 寧波315801
摘要: 提出了基于工控機(jī)的多線切割機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了基于PCI總線的I/O卡電路,,包括伺服電機(jī)脈沖信號(hào)電路,、張力信號(hào)處理電路、PCI總線接口電路等,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的交互操作界面和PID控制器算法,,最后在SJQ-380型多線切割機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的工控機(jī)控制系統(tǒng)在走線速度為600 m/min、線張力為30 N條件下,,其恒張力控制性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng),。
中圖分類號(hào): TH161.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)01-0064-04
Design of the electrical control system for multi-wire saw based on industrial personal computer
Lin Junhuan1,2,,Jin Jianhua1,,Zhang Jinlei3,Lin Haibo1
1.Department of Mechanical and Electric,,Taizhou Vocational Technical College, Taizhou 318000,,China; 2.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211,,China,; 3.Ningbo Haitian Plastics Machinery Group Co., Ltd,Ningbo 315801,,China
Abstract: A designing method of the electrical control system for multi-wire saw based on industrial personal computer was proposed. The I/O card circuit based on PCI bus was designed, including servo motor impulse signal circuit, strain signal processing circuit, PCI bus interface circuit, etc. And the interactive operation interface and PID controller algorithm are completed. Finally, tests are performed on the multi-wire saw SJQ-380, and the results show that when the line speed is 600 m/min and line strain is 30 N, the constant strain control performance is better than the traditional PLC control system.
Key words : multi-wire saw,;industrial personal computer;control system,;PCI bus

  

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(hào)的輸入和羅拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)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(duì)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,。

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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(hào),其中驅(qū)動(dòng)器的控制都采用輸入符號(hào)+脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)為模擬信號(hào),,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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào),。

  另外還采用由DS18B20與STC89C58組成的測溫電路來監(jiān)測對(duì)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(duì)如DDS等外圍設(shè)備的讀寫操作,。

  2.2 伺服電機(jī)脈沖信號(hào)電路


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  伺服電機(jī)脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)就是所需的脈沖輸出信號(hào),。

  2.3 張力信號(hào)處理電路


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  張力信號(hào)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(duì)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(duì)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


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  溫度測量電路原理圖如圖4所示,通過對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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,。

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  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(hào)等,;本地端口主要有6路AD9850芯片的控制信號(hào)、2路張力傳感器的脈沖信號(hào),、1路單片機(jī)數(shù)據(jù)口和地址口信號(hào)及其讀寫控制信號(hào),,另外還輸出了6路電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的符號(hào)(DOUT[1-6])+脈沖信號(hào)(PULSE_OUT[1-6]),其中脈沖信號(hào)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(duì)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(duì)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,。

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  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。

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  由于存在信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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),。

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