多线程控制（精选三篇）
多线程控制 篇1
LED多线切割机是LED基材切割的专用装备,是传统多线切割机的升级换代。近年来,国内科研机构和企业在多线切割机方面的研究有长足进步,如文献[1]提出一种无模型自适应控制的方法,该方法通过建立虚拟主轴,对收放线轮进行迭代运算控制,得到较好的控制效果,但国内研究成果多限于传统多线切割机[2]。LED多线切割机控制系统复杂、制造难度大,国际上只有日本Takatori和瑞士Meyer Burger两家公司掌握其技术,推出了产品。国外文献中有将金刚石线用于传统多线切割机的研究[3],但未见该机型控制方法的公开报道。本文给出了LED多线切割机的模糊迭代同步控制方法,并成功应用于国产LED多线切割机。
1 传统多线切割方式存在的问题
传统多线切割方式如图1所示。加工罗拉均匀刻有数百道槽,每条槽内嵌入一根金刚石线。两个加工罗拉旋转带动金刚石线高速往返运动,LED基材固定在工作台上,高速运动的金刚石线将向下运动的LED基材切成薄片[4]。
1.放线轮 2,3,4,9,10,11.导线轮 5.加工罗拉 6.金刚石线 7.LED基材 8.工作台 12.收线轮 13.张力摆杠 14.张力电机
切片过程中必须做到两点:①保持收放线轮的线速度和加工罗拉的线速度完全一致。由于金刚石线直径为0.12～0.8mm,线速度为450～600m/min,故收放线轮的直径在切片过程中是不断变化的。如果线速度不一致,金刚石线将会瞬间崩断,导致昂贵的LED基材报废。②加工罗拉中嵌入的金刚石线张力均匀。这是保证切片质量的基础条件,张力过大会引起断线,张力过小则会使得加工出来的LED基片翘曲度较大、平行度较差、表面粗糙,增加后续工作的难度。系统张力通过伺服电机设定,将伺服电机设为恒转矩控制模式,设定的转矩值除以张力摆杠的长度就是对金刚石线施加的张力。张力摆杠偏移平衡位置的角度反映了系统线速度同步误差;张力摆杠在平衡位置附近抖动剧烈表示张力波动剧烈,反之,则表示张力稳定。因此将对张力恒定的同步控制转化为对系统线速度的同步控制。
笔者在对大量切片数据做了分析后,发现传统多线切割方式存在切割效率低、切片质量较差的问题。如图2所示,F为LED基材与金刚石线间的下压力,r为LED基材半径,b为金刚石线与LED基材接触长度的一半,x为LED基材截面圆心到金刚石线的垂直距离,w1、w2、w3为切割过程中金刚石线的三个位置。张力一定的情况下,金刚石线对LED基材的压力与金刚石线和LED基材的接触面积成反比。
当金刚石线位于w1位置时,LED基材与金刚石线接触面积小,压力较大,切割速度高。随着工件台下降,金刚石线相对LED基材的位置上升,LED基材与金刚石线的接触面积变大,压力变小,切割速度变低。当金刚石线位于w3位置时,切割速度最低,之后切割速度逐渐变高。考虑一般情况,LED基材与金刚石线接触面积为
S=2bL (1)
工作台的移动距离为
a=r-x (3)
其中,L为LED基材的长度,则工件台的速度
v=da/dt=-dx/dt (4)
式中,t为时间。
将式(2)～式(4)代入式(1)得
在忽略次要因素的情况下,F=-μd x/d t,μ为压力比例系数。则压力
若工作台匀速下降,则-dx/dt为常数,p在w1位置时较大,w3位置时较小。LED切片表现为w1位置的切口平整度较好,但金刚石线未充分利用,造成浪费;w3位置时较为粗糙,且金刚石线磨损严重。若速度设置过大,在切割中段基材时会造成断线;若速度设置过小,则切割效率低下。
若工作台变速下降,则式(6)为二阶非线性函数,且无法改变接触面积S小→大→小的变化过程。
系统的两难处境使得单纯依靠改进控制算法不容易保持p恒定,不容易提高切割效率,必须改进机械结构。
2 机械结构的改进
机械结构改进方法:用一个可以转动的圆盘代替传统多线切割机固定结构,在转动圆盘上安装三个结构对称的加工罗拉,如图3所示,上面的两个是主动加工罗拉,下面的一个是从动加工罗拉。两个主动罗拉通过金刚石线带动从动罗拉同步高速往复旋转,与此同时,转动圆盘做±5°的摇动。
1.放线轮 2,3,4,9,10,11.导线轮 5.加工罗拉 6.金刚石线 7.LED基材 8.工作台 12.收线轮 13.张力摆杠 14.张力电机 15.导线轮 16.转动圆盘 17.从动罗拉
这种设计能够使金刚石线和LED基材保持弧面接触,工作台匀速运动时,接触面积变化不大,可以充分利用金刚石线,切割效率显著提高。但这给系统控制提出了新的问题:①转动圆盘运动时会造成收线侧和放线侧金刚石线时松时紧,若不加控制,摆杠会剧烈抖动,严重时会断线;②由于机械设计上的原因,加工罗拉和转动圆盘运动相互干涉,即转动的圆盘对加工罗拉有一个附加转速,使得加工罗拉的实际转速和控制器指令转速不一致。加之传统多线切割机本身存在的非线性问题,如收放线半径的变化、加工罗拉槽位磨损等,这都给系统多电机同步控制带来了困难,传统多线切割机的控制算法不能直接使用,必须采用其他先进算法。
3 系统的模糊学习迭代同步控制算法
3.1 系统的模糊同步控制方法
模糊控制器能够把专家知识转化为控制系统的模糊集,利用一定的模糊推理规则,这些模糊集能够对系统的输出进行智能调节。这种控制方法不需要精确的数学模型,具有响应速度高、调整时间短、鲁棒性强的特点[5,6]。本系统采用PD型两输入、单输出模糊控制器对主轴电机和收放线轮电机进行控制。模糊控制器结构如图4所示。模糊控制器输入为误差e和误差变化率ec,与其对应的语言变量为E和EC。
以EC为例,其论域取[-10,10],语言值取7个,即[NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB]。其中,NB取Z形隶属度函数,PB取S形函数,其余取三角形隶属度函数[7]。输入e和输出u与ec相似。以放线轮为例,若E、EC均为NB,则表示放线轮与设定转速误差正大,误差变化趋势也正大,因此放线轮要以大的加速度加速,模糊规则共49条。LED多线切割机高速运行达到稳定状态时,张力摆杠在平衡位置附近小幅抖动,往复旋转的换向期间抖动尤为剧烈。笔者尝试增加论域上的离散点,即将论域上的离散值增加至9个,为[NB,NM,NS,NW,Z,PW,PS,PM,PB],相应模糊规则增加至81条,但张力摆杠的抖动现象并无明显好转。且模糊规则的增加会延长控制器的扫描时间,影响实时控制。实际上,由于
E(k)=INT[K1e(k)+0.5] (7)
EC(k)=INT[K2ec(k)+0.5] (8)
C(k)=f(E(k),EC(k)) (9)
式中,K1、K2分别为误差和误差变化率的量程转换比例因子;INT(*)表示取整运算。
当|K1e(k)|<0.5时,E(k)=0;当|K2ec(k)|<0.5时,EC(k)=0。当系统进入稳态后,ec(∞)=0,但e(∞)未必为0,若|K1e(∞)|<0.5,则E(∞)=0,从而控制增量为0,系统保持稳态。由|K1e(∞)|<0.5可以得出e(∞)<1/|2K1|,即当模糊控制器进入稳定状态后,实际控制误差在零域(-1/(2K1),1/(2K1))中,由此可见,系统此刻输出误差实际上不为零,而PD型模糊控制器对此已经无能为力了。
模糊控制器中增加积分项可以提高稳态控制精度,但积分项的加入也改变了系统的动态性能。加入积分调节会使稳定性下降,动态响应变慢。系统在启动、结束或大幅度改变设定时,系统输出产生较大偏差,造成积分积累,引起系统较大的超调,导致断线,这在LED多线切割机中是不允许的。
3.2 模糊迭代同步控制方法
迭代学习控制利用上一周期的控制输出以及误差信号经过一定的迭代学习方法得到下一个周期的控制信号。经过几个周期的学习过程,就可以使误差趋近于零,达到所需的控制精度要求。模糊控制和迭代学习控制相结合可以使系统既有较高的响应速度,又有较高的稳态精度。现仅以放线侧同步控制来说明(收线侧是其逆过程)。如图5所示,模糊控制器和迭代学习控制器组成模糊迭代控制器,该控制器输出为
Uok(T)=Umo(T)+Ui,k(T)
式中,Umo(T)为模糊控制器输出;Ui,k(T)为迭代学习控制器输出,Ui,k(T)=Ui,k-1(T)+G(s)ek-1(t);G(s)为学习函数。
图5中,干扰1为系统运行时,加工罗拉和转动圆盘相互干涉对加工罗拉的附加转速。干扰2为转动圆盘摆动时,收线侧和放线侧的金刚石线时松时紧的状态。期望线速度分别转化为主轴电机和放线轮电机的期望角速度。
具体的控制步骤如下:
(1)设定机器工作时的参数(期望线速度、摇摆轴的摆动速度和幅度),同时将线速度转化为各轴角速度;
(2)通过模糊控制,系统迅速达到稳定状态,当出现干扰或者给定变化以后,模糊控制可以实现快速响应,并具有一定精度;
(3)迭代学习控制通过几个周期学习以后可以消除稳态误差,使系统达到较高的精度。
4 实验
主控制器为日本安川的MP2000系列运动控制器,主电机和放线电机均采用安川公司的ΣⅤ系列伺服电机和伺服驱动器,张力传感器采用瑞士FMS公司的RMGZ121A,张力摆杠长度为132mm,记录时间为8.4s,主电机的运行速度为600m/min,金刚石线的直径为0.5mm。
根据LED多线切割机样机实际运行状态,利用运动控制器开发软件MP720记录走线速度、切割线上的张力及张力摆杠角位移,并将观察数据导入至Excel文档保存,观测数据用MATLAB分别绘制各参量的波形,模糊控制与模糊迭代控制的实验结果如图6、图7所示。
系统以线速度600m/s做往返运动,其中正转时间3s,反转时间2s,过渡时间1s。采用伺服系统S型速度过渡,保证平滑,张力值设定为30N。由图6可知,切割线张力波动范围在29～32N之间,张力摆杠角位移波动范围在±5°之间,稳定精度不太理想。图7为模糊迭代控制波形图,系统进入稳定状态时,切割线张力波动范围在29.5～31N之间,张力摆杠角位移波动范围在-0.5°～2°之间,且切割线张力波动集中在过渡时间,高速运动下张力摆杠运动平滑。放线轮和主轴电机的线速度能够跟随系统期望线速度。由此可以看出:模糊迭代控制系统的控制精度较高。
5 结论
(1)通过分析传统多线切割机切片的受力模型,得到了传统多线切割机高速切割LED材料时容易断线和切割质量不稳定的原因——压力p不恒定。
(2)设计出一种带摆动装置的机械结构,该结构能在工作台匀速运动的条件下,使得金刚石线和LED基材基本保持接触面积不变。并根据改进后的机械结构,充分利用模糊控制和迭代学习控制的优点,给出了模糊迭代的控制方法。
(3)通过实验,对比了模糊控制和模糊迭代控制算法的运行结果,证明了本文算法的有效性。
参考文献
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矿建工程施工质量的控制论文 篇2
2．3工程后期的质量
工程后期质量控制相对来说比较复杂，主要控制的内容是对质量病害进行的相应控制，如钢筋位移等，这也是矿建工程出现质量问题的重要因素，在一定程度上对工程质量的总体水平造成不利影响。
3结语
多线程控制 篇3
关键词：多线切割,张力控制方法,硅片加工
0 引言
多线切割 (Wire saw) 技术是目前较为先进的硅片加工技术, 它是通过金属线的高速运动把磨料带入硅锭加工区域进行研磨, 最终把硅锭切割成许多薄片的一种新型加工方法。多线切割原理如图1所示。与传统的内圆切割 (ID saw) 相比, 多线切割具有高精度、高效率、低损耗的优点, 现已成为硅片切割加工的主要方式。在多线切割过程中, 金属线的走线质量直接关系到加工过程能否顺利完成以及硅片的加工质量。而影响走线质量的主要因素是金属线的张力控制情况, 如果加工过程中金属线的张力过大或者过小, 就会使金属线崩断或者松脱, 造成加工过程中断;如果张力波动过大则会引起金属线的激烈振动, 影响到硅片的加工质量。因些选择或设计一种张力波动小、误差小、可调节的张力控制系统一直是人们长期追寻的目标。
1 线张力的特点和控制要求
1.1 张力分布不均匀
由于切割线跨度较大, 收/放线段张力稍有波动, 就会导致加工段张力波动的产生, 使张力分布不均匀, 造成加工后不同加工位置工件的厚度、翘曲等几何精度有差异。
1.2 张力值较小
由于切割线直径只有0.1~0.2 mm, 其所能承受的张力非常有限, 一般张力值设定为15~40 N, 超过40N就很容易发生断线。由于张力值较小, 给张力控制带来了很大的麻烦, 需要相当高的控制精度。
1.3 张力波动频率高
研究表明, 多线切割机工作时, 由于振动、摩擦等原因, 导致张力的变化速度快、波动频率高。张力信号的频带宽度能达到500 Hz以上, 这就要求张力控制系统具有很高的动态响应能力。
2 常见的张力控制方式
自20世纪60年代提出多线切割的理念以来, 多线切割技术得到了快速发展和广泛应用, 常见的多线切割机张力控制主要有以下几种方式。
2.1 磁粉离合器控制方式
磁粉离合器 (Magnetic Particle Clutch) 是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。激磁电流和传递转矩基本成线性关系, 在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩, 具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪声、无冲击振动和节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的自动控制元件。如图2所示。它的主要工作原理是当电磁激励线圈通电后, 磁通经磁性电介质 (磁粉) 形成虚线闭合回路。流动状态的磁性介质在磁场中开始凝固起来, 当磁场强度很大时, 磁粉几乎变成一个固体, 同时在电磁铁和从动盘之间磁粉粒子形成磁链, 把主动盘和电磁铁联系在一起。通过电磁铁线圈中的电流愈大, 磁链的数目就愈多, 而且磁链也愈强。当磁链多且强时, 则磁粉离合器传递转矩的能力就愈大。当通过电磁铁线圈的电流到某一定值时, 磁性电介质足以使磁粉离合器的主动部分和从动部分紧密联在一起, 磁粉离合器将停止打滑, 离合器完全接合。当磁场消失时, 磁性电介质重新又成为流动体, 离合器主、从动部分之间的联系消失, 离合器重新分离。
采用磁粉离合器进行张力控制, 其输出转矩只与励磁电流的大小有关。因此, 可通过对励磁电流的控制来较为精确地控制其转矩的输出, 一般应用于对张力控制要求不高的场合。其缺点是耗电量大、响应速度慢。而对于要应用到多线切割机上的张力控制系统来说, 高动态响应能力是必须的, 因此磁粉离合器张力控制方式无法满足多线切割机的张力控制要求。
2.2 张力重锤控制方式
张力重锤控制方式, 如图3所示, 是将一个重锤的重量直接施加在切割线上, 对切割线作用一个恒定的拉力, 可以通过控制重锤的重量来较为精确地控制切割线上的张力。
随着切割线张力的变化, 控制张力的重锤上下运动。张力变大时, 切割线拉紧, 重锤向上运动;张力变小时, 切割线会变得松弛, 重锤会向下运动, 设放线速度为V1, 收线速度为V2, 重锤的移动速度为V, 则重锤的移动速度为
假设切割线张力为F, 重锤的质量为m, 重力加速度为g, 则其运动方程为
由于在高速切割过程中, 需要保持张力恒定, 而上式中md V/dt项值的大小就决定张力波动大小。而要减小张力波动, 可通过减小重锤质量m或减小重锤加速度d V/dt得以解决, 但由于切割线要保持一定的张力, 所以减小重锤质量并不可行, 而重锤加速度的减小由于受控制系统精度的影响, 也并不好实现。
这种控制方式简单、成本低, 在多线切割机发展初期获得了大量的应用。但这种方式也面临同样的问题, 即重锤的惯性大, 造成了动态响应速度慢, 实际使用表明这种张力控制方式下断线故障率较高。
2.3 力矩电动机控制方式
力矩电动机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电动机。这种电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。力矩电动机控制方式 (如图4) , 是通过处于转矩控制模式的电动机, 输出一个恒定的转矩驱动摆杆对切割线作用一个拉力。可以通过张力传感器测量线上的实际张力, 反馈至主控制器, 对电动机的输出转矩进行控制, 从而保持线张力恒定。它具有低转速、大转矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点, 可直接驱动负载, 省去减速传动齿轮, 从而提高了系统的运行精度。这种控制方式近年来逐渐获得大量的应用。但是, 这种方式由主控制器、伺服驱动器、转矩电动机、张力摆杆、张力传感器等诸多部件组成, 实现成本高、控制复杂, 不易于实现。对这种控制方式来说, 如果没有有效的控制策略和控制算法的支持, 是难以获得较高的张力控制精度的。
3 采用伺服电动机控制的张力控制系统
近年来, 伺服电动机以其使用灵活、控制精度高、响应速度快等突出优点获得了众多多线切割机制造厂商的青睐。使用伺服电动机作为张力控制的执行机构, 从控制理论上来说主要有以下两种控制方式:
3.1 主动控制方式
以收线段为例, 如图5所示, 其中绕线直径d1、d2是两个扰动量, 它们是随时间变化的, 其中d1的变化主要是由主轴线槽磨损导致的, 变化非常缓慢, 可将d1视为常量。而d2的变化是由绕线厚度变化所导致的, 变化较快。随着绕线直径的变化, 必然会存在线速度的误差, 造成张力的变化。主动控制方式是在张力传感器检测到张力变化后, 立即对张力控制电动机作出运动指令, 这个运动指令既可以是调整电机的转角位置, 也可以是调整电动机的转矩, 最后的目的都是对切割线直接施加一个力的作用, 使张力回到原先水平。
这种控制实际是通过一个张力闭环直接对张力进行一个主动的调整, 优点是这种控制方式是对张力的直接调整, 在稳态阶段 (正向或反向平稳走线阶段) 可以将张力精确地控制在预定值附近;缺点是缺少对张力跃变的缓冲, 特别是在动态阶段 (加减速阶段) , 张力变化较大时, 主要依靠切割线本身的伸缩能力来缓冲张力的变化, 很容易造成断线。
3.2 随动控制方式
同样以收线段为例, 如图6所示, 与主动控制方式不同, 随动控制方式是在走线开始之前对张力控制电机输入转矩指令, 将线上的张力调整到给定的张力值, 之后保持张力控制电机输出转矩的恒定, 并按照张力控制电机的偏转角和偏转速度, 对收线电机的转速进行调整。可见, 这种方式是一种随动控制, 张力控制电机对张力的变化是被动响应的, 优点是电机的偏转对张力的跃变有一个很好的缓冲, 动态阶段中张力控制相对比较平稳, 但缺点是稳态阶段内小范围的波动无法避免, 难以将张力精确控制在给定值附近。
但通过对比, 从总体上来说, 随动控制方式对张力的控制更为稳定, 且实现起来更简单, 断线的风险比较低, 所以比起主动控制方式, 随动控制方式更为理想。
4 结语
多线切割技术在目前硅片切割加工中得到了越来越广泛的应用, 而金属线的张力控制是影响硅片加工质量的重要因素。通过对不同张力控制方式的比较, 选择一种合适的方式进行张力控制是保证高效率、高精度加工的关键。随着科学技术的日益进步, 更好的张力控制技术将不断涌现。
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