PCB板V割设备切割刀头深度的PID控制

摘 要：随着科学技术的发展与进步，电子产品越来越趋向于微型化，因此对PCB产业发展提出了更高的要求。企业通常是大板批量生产，然后进行分割处理，生产过程中，精准控制切割设备成为了关键，其中切割刀头深度控制也是文章重点需要研究的范围。文章主要就切割深度的PID控制作研究设计。

关键词：PCB切割；PID控制；刀头深度

使用高效的切割设备可以避免分割PCB板损害的发生，同时提高工作效率，有些切割设备可微调PCB板厚度，实现对不同型号和不同材质的PCB板切割。但微调后，只是人为的设定切割刀的下移路径起止位置，无法自动控制切割刀下移速度。另外，切割设备采用上下圆刀的方式（剖面图如图1），不合理的切割控制常常会使两个切割刀相撞，损害切割刀头。

为解决上述问题，本系统采用编码器和PID闭环控制原理控制连接切割器刀头的步进电机，使切割刀的下移速度及下移位置可以根据被切割板的实际情况动态调节，解决切割PCB板V槽的深浅问题，有效保护切割器刀头。

编码器是将角位移或线位移转变为电信号的装置。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。这里使用的增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

PID的系统模拟框架如图2所示。

图1 刀头切割剖面图 图2 PID系统模拟框架

由图2所示，输入信号r（t）与输出信号y（t）之间的反馈差分信号量e（t）经过比例、积分和微分处理，成为原控制系统的调节信号量，如公式：

上式中，Kp为比例调节系数，Tl为积分时间，TD为微分时间，uo为初始调节信号量。根据实际情况，本系统重点使用PI调节，即比例积分调节。如图3所示。

图3 比例积分调节方块图

编码器的反馈信号Uf串联在切割刀控制信号Ui上，它们的差值为Uc，模块2将电压信号转换为脉冲信号，其输入电压Ur是Uc积分和比例效果的叠加。在切割PCB板之前，操作人员首先用游标卡尺测量PCB板厚度值并输入V割设备中。如果整个闭环系统无积分效果，电动机的启动电压将很大、启动过程变得很快，系统依靠输入电压与反馈电压的差值进行调节控制，因此属于比例调节，调节的阶跃性强，系统震荡性大，调节效果不好。但是，当有积分控制的存在时，只要信号有一点变动，就会产生连续的输入信号Ur，控制信号较平滑，做到无静差控制。另外，模块3为驱动模块，它将控制信号进行放大后驱动步进电机。随着电机转速与预想值接近，反馈信号Uf与控制信号Ui将无差值，系统稳定。

切割过程中，编码器测量步进电机所连接切割刀头的直线位移并转化为电压信号，当两切割刀头距离较PCB板厚度较大时，反馈信号与控制信号之间的差值较大，系统控制步进电机移动快。当编码器测量步进电机所连接切割刀头接近PCB板并准备切割时，反馈信号与控制信号之间的差值逐渐减小，使切割刀头的下降位移速度减缓，最终当编码器测量的步进电机所连接刀头与切割前测量的厚度一致并完成切割时，反馈信号与控制信号之间的差值为零，系统控制步进电机停止位移（控制刀头位移的框图如图4所示）。

上述动态调节可以实现切割刀下一速度与下移位置的动态调节，有效切割，保护切割刀头。

经过调试验证，该设计切割刀头深度精度达到0.001mm，符合实际工程应用标准，很好地解决了涉及到的关键技术问题。取得了较为理想的切割效果，有较强的应用推广价值。

参考文献

[1]刘川，刘景林.基于Simulink仿真的步進电机闭环控制系统分析[J].测控技术，2009，28（1）：49-54.

[2]孙浩，李大海，高鲜妮，等.基于模拟闭环的步进电机位置控制系统设计[J].机床与液压，2009，37（1）：78-83.

作者简介：莫玉华（1979，3-），籍贯：江苏常州，职称：讲师，工作单位：江苏省常州技师学院电气工程系，专业：应用电子技术，研究方向：电气工程。