摘要：本文主要介紹數(shù)控產(chǎn)品在7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用。該控制系統(tǒng)采用專為7軸研磨機(jī)開(kāi)發(fā)的高端CNC系統(tǒng)、伺服電機(jī)及知名品牌的電器產(chǎn)品，人機(jī)界面友好直觀，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，自動(dòng)化程度高，精度和磨削效率高，操作安全方便，造型美觀大方。

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 光伏產(chǎn)業(yè) 數(shù)控系統(tǒng) 人機(jī)界面 伺服激光測(cè)量 CANopen總線

　　引言：

　　近幾年來(lái)，世界各國(guó)由于對(duì)能源的巨大需求，特別是清潔能源的開(kāi)發(fā)利用，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮夕能、生物發(fā)電等，而太陽(yáng)能發(fā)電（光伏產(chǎn)業(yè)）正是清潔能源的主要代表，并能大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用，于是各國(guó)政府紛紛出臺(tái)政策，扶持和發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)。許多與太陽(yáng)能相關(guān)的企業(yè)根據(jù)時(shí)代的需要，抓住機(jī)遇，快速發(fā)展，創(chuàng)造出了可喜的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)。據(jù)估計(jì)到2020年我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到2200MW，這意味著我國(guó)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)設(shè)備需求也十分旺盛。

　　太陽(yáng)能電池板是對(duì)光線有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件，以晶體硅為例描述光發(fā)電過(guò)程：P型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜質(zhì)磷可得N型硅，形成P－N結(jié)，當(dāng)太陽(yáng)光線照射太陽(yáng)能電池板表面時(shí)，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使硅原子表面的電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，將硅片兩邊用導(dǎo)線連接，并接到外面形成正負(fù)兩極。當(dāng)正負(fù)兩極接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。其實(shí)這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是將光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。

　　能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料主要有單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。太陽(yáng)能電池板對(duì)單（多）晶硅的旺盛需求就帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展，此行業(yè)常用的設(shè)備有多晶爐，切斷鋸床，線開(kāi)方機(jī)床，滾圓磨床，端面磨床，倒角磨床，多線切片機(jī)等設(shè)備。

　　由于單晶硅棒和多晶硅錠原材料成本比較昂貴，加上現(xiàn)在物價(jià)的上漲和人工成本的日益增加，因此生產(chǎn)企業(yè)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)程度和生產(chǎn)效率要求越來(lái)越高，本文基于本我司新研發(fā)的一款7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)，型號(hào)WSK015，數(shù)控系統(tǒng)在這款機(jī)型上的設(shè)計(jì)應(yīng)用作一些介紹，機(jī)器外形如圖1所示。

　　圖1：WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)外形圖

　　技術(shù)特點(diǎn)和工藝流程：

　　一、相對(duì)傳統(tǒng)的雙軸端面磨床，三軸端面磨床，5軸端面磨床，WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

　　1、機(jī)床配備自對(duì)中系統(tǒng)，以使加工的硅塊處于工作臺(tái)的中心位置，保證兩平面的磨削均勻一致，硅材料損耗量最少，同時(shí)減少操作人員的安放硅塊時(shí)的對(duì)位置的要求，降低操作人員的工作量。

　　2、機(jī)床配備自動(dòng)壓緊裝置，在硅塊完成自動(dòng)對(duì)中功能后，自動(dòng)壓緊硅塊，從而提高了工作效率，壓緊質(zhì)量也得到充分保證。

　　3、機(jī)床配備自動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)，在硅塊壓緊后，Z向送料伺服開(kāi)始工作，此時(shí)激光測(cè)量?jī)x自動(dòng)準(zhǔn)確測(cè)量出硅塊尺寸大小，傳給數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，以便均勻的分配每道磨頭的磨削余量。

　　4、本機(jī)床除了上、下料為手動(dòng)外，其余均為自動(dòng)循環(huán)。研磨前進(jìn)時(shí)尺寸自動(dòng)測(cè)量分配各面的研磨余量。研磨后尺寸測(cè)量。三對(duì)毛刷研磨頭分別為粗研研磨頭、精研研磨頭、光研研磨頭。

　　5、采用伺服電機(jī)和滾珠絲桿控制三對(duì)研磨頭X1、X2、X3，U1、U2、U3和送料軸Z軸，每一軸都能單獨(dú)控制并工作。并配備手持電子手輪控制單元對(duì)各軸進(jìn)行對(duì)刀操作。

　　6、機(jī)床對(duì)硅塊相對(duì)兩表面進(jìn)行精加工，通過(guò)三道不同的粗細(xì)度的毛刷研磨后，提高硅塊表面光潔度，并且去除了經(jīng)線切割工序在硅塊表面形成的細(xì)小裂紋及棱邊的損傷，提高了下段工序中硅塊切片成品率。

　　二、WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)工藝流程如圖2所示：

　　圖2：WSK015數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)工藝流程

　　控制系統(tǒng)的構(gòu)成及原理：

　　一、WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)的控制架構(gòu)如圖3所示：

　　圖3：WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)的控制架構(gòu)

　　二、CNC數(shù)控系統(tǒng)功能：

　　本機(jī)床控制系統(tǒng)由我司與國(guó)內(nèi)知名企業(yè)共同研發(fā)的CNC數(shù)控系統(tǒng)來(lái)完成整臺(tái)機(jī)床的數(shù)據(jù)運(yùn)算和邏輯連鎖，由于CNC數(shù)控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是由用戶通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，且軟硬件采用模塊化的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)功能的修改、擴(kuò)充變得較為靈活。另外數(shù)控的功能比較豐富，如插補(bǔ)功能，補(bǔ)償功能，高級(jí)人機(jī)對(duì)話功能，編程功能。

　　基于CNC高速運(yùn)算處理能力和函數(shù)編程便捷性，本機(jī)床的CNC系統(tǒng)需處理以下數(shù)據(jù)：

　　1、采集電子手輪對(duì)7軸伺服的高速脈沖，并在線實(shí)時(shí)控制對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，控制精度1微米，伺服電機(jī)響應(yīng)遲滯在50毫秒以下，保證手在搖動(dòng)電子手輪時(shí)，伺服電機(jī)在相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，停止手輪時(shí)，電機(jī)立即停止，所有位置數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。

　　2、采集日本基恩士激光位置傳感器對(duì)加工硅塊尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù)并根據(jù)實(shí)際尺寸分配每對(duì)研磨頭的進(jìn)給量和送料電機(jī)的進(jìn)給速度，此儀器測(cè)量精度可達(dá)到0.01mm。

　　3、采集每臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器的電壓、電流、編碼反饋數(shù)據(jù)并在屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。根據(jù)電流的大小與設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，超出設(shè)定值報(bào)警以提醒相應(yīng)機(jī)械出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)編碼反饋脈沖以判斷各研磨頭及送料硅塊位置，設(shè)定報(bào)警及極限值，出現(xiàn)位置超程停機(jī)并報(bào)相應(yīng)故障信息，方便維修人員對(duì)故障的處理。

　　4、實(shí)時(shí)通訊，采集各從站的其他信息。

　　基于CNC的PLC和擴(kuò)展PLC功能，對(duì)機(jī)床的所有數(shù)字信號(hào)進(jìn)行邏輯連鎖控制，包括6只研磨頭電機(jī)啟?？刂?、所有氣缸的控制及上下位置磁性開(kāi)關(guān)檢測(cè)、所有線性導(dǎo)軌和滾珠絲桿的自動(dòng)油霧潤(rùn)滑、所有7臺(tái)伺服電機(jī)極限位置的電感接近開(kāi)關(guān)的位置檢測(cè)、各研磨頭研磨冷卻液的自動(dòng)控制、所有故障點(diǎn)在線診斷。數(shù)字信號(hào)有數(shù)字輸入點(diǎn)有72路，數(shù)字輸出點(diǎn)有48路，通過(guò)PLC功能對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并控制輸出，達(dá)到整臺(tái)機(jī)床除了上下硅塊時(shí)用到人工搬動(dòng)外，所有動(dòng)作全用自動(dòng)控制并能實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)操作。

　　三、伺服電機(jī)

　　伺服電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)必不可少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其高速響應(yīng)性，高精度定位性以及高穩(wěn)定性在數(shù)控機(jī)床控制發(fā)揮重要的功能。

　　WSK015型7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)磨頭伺服電機(jī)和送料電機(jī)使用的是ESTUN公司的PRONET高端交流伺服驅(qū)動(dòng)器，其增加了電流前饋控制、加速度前饋控制、速度觀測(cè)器和慣量觀測(cè)器等功能，借助于這些新功能，使其響應(yīng)性能比一般產(chǎn)品提高了三倍以上，并且在線實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載慣量，隨時(shí)調(diào)整增益以達(dá)到最好的控制效果。

　　PRONET系列伺服驅(qū)動(dòng)器配了高分辨17位串行編碼器，支持增量型和絕對(duì)值兩種類型，通信速率為2.5M，編碼器分辨率為17bits/rev，即第轉(zhuǎn)生成131072個(gè)脈沖，從而明顯地提高了定位精度，并增強(qiáng)了低速的平穩(wěn)性和響應(yīng)性。

　　利用伺服電機(jī)的絕對(duì)值17位串行編碼器，CNC可以實(shí)現(xiàn)6只磨頭精度達(dá)到1微米控制，并且利用編碼器電池在停電時(shí)記憶伺服電機(jī)的位置，重新上電時(shí)以當(dāng)前位置繼續(xù)加工，減省去了工廠停電或故障停電時(shí)對(duì)加工件的損壞和操作人員需重新定位工序，充分節(jié)省時(shí)間和提高生產(chǎn)效率。

　　四、CANopen總線協(xié)議

　　CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，CANopen總線協(xié)議在本機(jī)床控制中起著重要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，由于CAN總線的高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，高達(dá)1Mbps，從而很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)各研磨頭的位置的實(shí)時(shí)顯示，各伺服電機(jī)的電流實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以通過(guò)設(shè)計(jì)CANopen網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口，并對(duì)通訊特性進(jìn)行分析，確認(rèn)CAN接口的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各控制效果的監(jiān)控。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。通過(guò)總線控制方式：

　　第一可以節(jié)省其他控制方式下的大量電纜線的聯(lián)接，通過(guò)通訊線將各電器元件聯(lián)接起來(lái)，簡(jiǎn)化接線方式。

　　第二減少了故障隱患的存在，大大降低機(jī)器的故障率和保證了機(jī)器的生產(chǎn)時(shí)間。

　　第三方便工程師對(duì)機(jī)器的維護(hù)及故障的排除。

　　總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線如圖4所示（局部）。

　　圖4：總線控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線

　　結(jié)束語(yǔ)：

　　本文主要介紹數(shù)控產(chǎn)品在7軸數(shù)控硅塊雙平面研磨機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用，側(cè)重介紹CNC系統(tǒng)和伺服電機(jī)的功能特性，以及在本研磨機(jī)床上所起的作用，體現(xiàn)了我司在開(kāi)發(fā)此種機(jī)床的定位標(biāo)準(zhǔn)是滿足客戶對(duì)高精度、低成本、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單和全自動(dòng)化智能性控制的要求，為市場(chǎng)提供了一款先進(jìn)的太陽(yáng)能硅塊加工設(shè)備，同時(shí)也為客戶節(jié)省了很多原料成本和維護(hù)成本。