基于电子凸轮技术的金刚石单线切割机排线设计

2012-09-16蒋云龙江国中

电子工业专用设备 2012年10期

蒋云龙，江国中

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100076)

凸轮是由具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件，实现预期运动规律的一种高副机构。它广泛地应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线中[1]。电子凸轮技术是通过计算机技术来模拟机械凸轮的一种方式，解决了机械凸轮的很多缺点。其规划修改简单，无需耗费额外成本，控制效率及精度极高。电子凸轮最初被当做一个独立的智能控制器来进行构建，一般包括控制单元，位置传感器（包括旋转变压器或编码器），输出装置等部分[2]。市场上有许多自动化厂商开发出的独立电子凸轮模块，利用这些模块，开发人员可利用位置传感器将位置信号反馈给控制器，并由控制器根据位置信号进行运算处理，然后发送执行信号，再由执行机构来执行规划的动作，完成自动化应用。

将电子凸轮技术作为内嵌功能模块引入伺服控制系统是一次创举，它极大地发挥了伺服控制系统在多轴同步应用中的优势，提高了伺服控制系统的开发效率。目前几乎所有主流自动化控制厂商的高端伺服控制系统都具备电子凸轮功能，国产伺服控制厂商也陆续发布了具有电子凸轮功能的伺服控制系统。电子凸轮技术已经成为伺服控制系统中一个主流功能模块。

金刚石单线切割机是一种新型的材料加工设备，其切口材料损耗小，表面加工质量高，切割行程大，适合大尺寸人造蓝宝石、碳化硅、单晶硅、多晶硅等脆硬材料的切断、开方或切片等工作。在金刚石单线切割机工作过程中，排线质量好坏对机器是否能正常工作有重要意义。如果线轮上金刚线排列整齐有序、线轮卷径变化规律，将有利于提高张力控制精度，减小金刚线在高速运动时的张力波动；反之，则会使金刚线张力波动过大，甚至造成断线，设备切割意外中断。因此，进行精确可靠的排线设计是金刚石单线切割机设计整体成功的保障。

本文应用台达最新的DVP10MC11T总线型运动控制器和ASDA-A2系列伺服电机构建了金刚石单线切割机的电控系统。在台达的CANOpenBuilder开发平台上，利用其软硬件系统中内嵌电子凸轮功能模块，对单线切割机的左右卷绕轴和左右排线轴等4颗轴进行了排线功能的开发，取得了理想的设计效果。

1 排线过程分析

1.1 排线系统的机械结构

金刚石单线切割机的左右排线系统是完全对称的，当一边作为放线端时，另一边就作为收线端，反之亦然。左右卷绕轴电机安装在滑台上，滑台由左右排线轴电机来进行驱动。其左侧单端结构图如图1所示。

设备运行时，要求金刚线出线位置要始终在出线口中心位置。无论是作为收线卷还是放线卷，卷绕轴每旋转一周，排线轴也要旋转一定圈数驱动滑台沿着排线方向步进一个固定距离，此距离即为两相邻排线的中心距即为排线间距d。当出线位置到达线轮前后边沿时，排线轴要换向，线轮前后边沿间的距离即为布线宽度W。

图1 左侧排线系统结构图

1.2 金刚线的排布

金刚线需要一层一层整齐地排布在线轮上，它的排布规律可人为设定。笔者采用将排线间距d取为1.5倍的线径D，上层金刚线叠放在下层两邻线之间，往返逐层排布这种排布方式。其排线截面图如图2所示。

图2 排线层截面示意图

1.3 运行阶段的排线工作过程

目前，常用的排线系统主要有自由排线和强制排线两大类。自由排线靠线的张力及摆动轮或摆锤摆动来排线。导轮与线圈骨架之间的距离较远，只要调节得当，每匝线都能够紧密排绕，排出“镜面”效果，但调节比较困难，主要是机械方面调试量太多；而强制排线利用绕线主轴与排线轴的同步运动技术，使每绕一圈，排线机构步进一定距离，应用现代步进或伺服控制系统及上位控制器等，只要事先设置好绕线参数，不需要太多的调试即可绕线[3]。

显然，利用伺服系统中的电子凸轮技术进行的自动排线属于强制排线的一种。利用高速的电机响应和高精度的编码器回馈，上位控制器可以越来越轻松地实现很复杂的电机同步动作。在布线宽度W和布线间距d不变的条件下，对设备运行中，排线过程分两种情况进行分析：当卷绕轴单向运动时，卷绕轴电机的位置Pm是单向增加或减小的。根据卷绕电机编码器反馈的脉冲数，控制器可以很精确地得到卷绕轴实时的位置信息。此时要求排线轴电机的位置Ps是在布线宽度W这个范围内进行周期性往复变化。同样根据排线电机编码器的反馈，控制器也可以精确地得到排线轴的实时位置信息。当卷绕轴双向运动时，卷绕轴电机的位置Pm会“回头”，出现同一位置的反复。这种情况下，要求排线电机的位置Ps也要对应着反复变化。

综上所述：在运行过程中，对于确定的卷绕轴位置有唯一的排线轴位置相对应；而对于确定的排线轴位置，卷绕轴的位置并不是唯一的。所以我们以卷绕轴位置为主轴x轴，排线轴位置为从轴y轴建立坐标系如图3所示。

图3 排线轴与卷绕轴位置关系

可以看出排线轴在0到W这段位置之间做往复运动，卷绕轴以T为量单位做周期运动。其中卷绕轴走T/2个位置，金刚线排布一层。金刚线往返排布两层为一个排线周期。

1.4 调试阶段手动微调分析

当更换了外购的新线卷时，排线间距有时是未知的；或者发生了断线等意外情况后，表层金刚线的排布是无序的。这时候，需要手动微调功能来进行人工的纠正，这样才构成一个完善的排线系统。

手动微调是为了消除实际出线位置与出线口中心位置的偏差量，一般有两种思路来实现这一目的。一种是通过在运行过程中独立地改变排线轴的速度，使之独立地运动去追上实际的出线位置。但是这种方式，要独立地操作作为从轴的排线轴。排线轴要经过凸轮关系脱离、点动加速、再次凸轮耦合这一过程。因为手动操作的随机性，凸轮关系可能会不断地脱离和耦合。又由于手动纠正的不精确性，当再次耦合这一步骤发生时，排线轴要跳变到主轴对应的精确位置，这样会给系统造成相当大的机械冲击。这种方式的优点是，在调节过程中，卷绕轴的速度不受影响，运行线速度没有受到干扰。另一种思路是，在不脱离凸轮关系下，卷绕轴和排线轴整体去追金刚线的实际出线位置。即卷绕轴和排线轴依然按照凸轮关系运行，当操作人员发现实际出线位置与出线口中心位置有偏差量后，通过手动微调改变卷绕轴的速度，使卷绕轴带动排线轴整体地追上实际的出线位置。这种方式的好处是：在调节过程中，凸轮关系依然保持，调节比较柔和，没有太大的机械冲击。缺点是，在调节过程中，由于改变了卷绕轴的速度，则运行线速度受到干扰，但是一般手动微调的时候，切割并没有进行，且线速度受到的影响也不大，所以这种方式是一种比较好的手动微调方式。本文选用第二种手动微调方式。

2 排线设计的实现

台达的CANOpenBuilder集成开发环境提供了独立的可编辑的凸轮曲线关系表，最多可编辑16组凸轮曲线。其开发语言采用功能块式指令，提供了丰富的运动控制功能块。这些指令的结构可分为指令名和操作数两个部分。其中指令名表示指令执行的功能，操作数表示该指令处理的参数。在组态好卷绕轴电机和排线轴电机后，利用了一组凸轮表和3个功能块指令就能实现最基本的电子凸轮的设计。

2.1 凸轮关系表

首先通过排线过程分析得知，排线过程是个周期性的位置对应过程，只需要以卷绕轴位置为主轴（x轴），排线轴位置为从轴（y轴），在凸轮关系表中构造凸轮关系曲线。因为可以选择周期性执行，所以只需要构造一个周期内的凸轮曲线即可。如图4所示为0.33mm金刚线的排线凸轮曲线。

图4 0.33mm金刚线的排线凸轮曲线

2.2 MC_Cam TableSelect凸轮表选择指令

该指令主要参数说明：Axis为从轴站号，Master为主轴站号，Cam TableSelect为所选择电子凸轮表序号，Periodic为选择凸轮表是单次执行还是周期执行，MasterAbsolute和SlaveAbsolute配合使用可设置4种不同的主从轴耦合方式，Done为完成位。

2.3 MC_Cam In凸轮耦合指令

执行该指令时，凸轮的主从轴进入同步状态。指令的主要参数说明：MasterOffset和SlaveOffset分别是凸轮主从轴的偏置量，MasterScaling和SlaveScaling分别是主从轴的缩放比例，StartMode用来选择从轴启动模式，InSync是耦合完成位，EndOfProfile是非周期凸轮循环结束位。

2.4 MC_CamOut凸轮脱离指令

Axis是从轴的轴号，执行这一指令时，从轴脱离电子凸轮关系并以脱离点的速度继续运行。

2.5 电子凸轮控制排线流程

当设备上电时，进行初始化设置，控制器将各轴的位置从掉电保持寄存器中读出来，然后根据预先编辑好的凸轮关系进行耦合。除非设备进入点动模式，否则各轴之间的凸轮关系将一直保持。设备调试阶段，如操作人员发现排线紊乱，可以使用手动微调功能。排线的手动微调功能由给卷绕轴一个附加的速度来完成。整个排线的控制程序流程图如图5所示。

图5 排线控制程序流程图

2.6 切割线规格变化后电子凸轮关系的更改

在实际使用当中，一台设备上可能会使用不同规格的切割线。当使用切割线的直径发生变化后，排线间距必须相应变化。这样就要求，用户能通过人机界面进行切割线规格的更改设置，而底层程序可以按照不同的金刚线尺寸更改电子凸轮关系表。

在MC_Cam In凸轮耦合指令中，提供了MasterScaling和SlaveScaling两个输入参数，它们分别用来改变凸轮曲线主轴和从轴的缩放比例，其默认值都为1。凸轮曲线图（图4）的x轴代表一个排线周期卷绕轴位置改变的脉冲数，当排线间距变小时，则意味着排线轴走完相同的排线宽度需要卷绕轴旋转更多的圈数，所以x轴这个坐标值会变大，当排线间距变大时，这个值会相应变小。x轴缩放改变的比例为两种不同切割线的排线间距比，同时也是切割线直径比。

本文以最常用的0.33mm金刚线为基准建立了凸轮关系曲线。当需要使用另外规格的金刚线时，用户可通过HM I来设置线径，线径值被下载到DVP10MC11T中，进行运算改变MC_Cam In指令的MasterScaling参数的寄存器值。再次进行凸轮耦合的时候，就可以生成新的凸轮曲线。