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(guò)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(guó)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(guó)內(nèi)的研究主要是跟蹤和模仿國(guó)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(wèn)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(shì)。

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(lái)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(guò)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(guò)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(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(guò)彈簧張緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，并通過(guò)力傳感器來(lái)測(cè)量。力傳感器所測(cè)得信號(hào)為模擬信號(hào)，為解決其傳輸時(shí)的干擾問(wèn)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(cè)溫電路來(lái)監(jiān)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)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

　　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(guò)程為：計(jì)算機(jī)總線通過(guò)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(lái)，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

　　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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)量電路

　　溫度測(cè)量電路原理圖如圖4所示，通過(guò)對(duì)P1口掃描，完成最多8路的DS18B20溫度測(cè)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(lái)暫存由STC89C58輸出的溫度數(shù)據(jù)，然后被工控機(jī)通過(guò)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(lái)說(shuō)就變成了透明。使用CH365的驅(qū)動(dòng)程序，就可以簡(jiǎn)單地通過(guò)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(guò)CPLD來(lái)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(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(yǔ)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(kù)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(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)用CH365驅(qū)動(dòng)中的端口讀寫函數(shù)來(lái)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(zhǎng)，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(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(guò)在線整定方法來(lái)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(lái)說(shuō)，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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