（机械电子工程专业论文）挤塑平模头抛光路径与控制系统的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 挤塑平模头抛光路径与控制系统的研究 摘要 随着微电子技术和信息技术的飞速发展 对各种塑性薄膜材料的 加工要求越来越高 如何高效地获得塑性薄膜材料超平滑无损伤表面 已成为超精密抛光加工技术的研究方向 目前国产高档薄膜挤塑生产 设备在控制精度 高速性 可靠性 成套性等方面与进口设备差距较 大 因此以挤塑平模头的自动化抛光为研究对象 以抛光技术 工艺 研究为切入点 力求为研发出自主知识产权的挤塑平模头自动化抛光 设备打下基础 本文根据超精密加工机床的设计要求 与现有的抛光机进行对比 我们提出了一种通过控制平模头在x y 方向的运动和模头自身转动来实 现对大尺寸工件表面进行加工的方法 建立相应的控制法则对模头在 x y 方向上的运动速度和自身转速进行精确控制 对工件表面的测量作 了简单的规划 具体研究抛光路径对材料表面去除率及局部平整度的影响 提出 了三种分形路径 通过电脑模拟分形得知 三种分形路径在加工材料 的局部平整度方面优于一般c m p 路径及行星式机构路径 尤其是在加 工大尺寸面积工件的情况下优越性更为明显 根据平模头抛光系统的控制要求 设计了平模头抛光控制系统的 总体结构 就总控制框图 以及对关键部件的工作原理和原理框图作 i 浙江工业大学硕士学位论文 了详细说明 并给出了抛光过程的软件设计流程框图 从抛光机控制器的可靠性出发 建立了抛光机的可靠性模型 详 细分析了导致设备发生故障的原因 在此基础上 为保证抛光机控制 器工作可靠性 我们在控制器设计中从硬件和软件两方面都采用了提 高可靠性的措施 关键词 抛光系统 抛光路径 控制系统 可靠性 本文获浙江省重大科技专项 2 0 0 6 c 11 0 6 9 资助 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np o l i s h i n gp a t ha n dc o n t r o l l i n g s y s t e mo fp l a s t i ce x t r i 7 s i o np l a t e a b s t r a c t t h em a c h i n i n gr e q u i r e m e n to fm a n yk i n d so fp l a s t i c t h i n f i l m m a t e r i a l p t f m i sd e m a n d e db yt h ef a s td e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ca n d i n f o r m a t i o nt e c h n i q u e s a tp r e s e n t i th a s a g r e a td i s t a n c e b e t w e e n d o m e s t i ca n di m p o r t i n gh i g h g r a d et h i n f i l mp l a s t i ce x t r u s i o ne q u i p m e n ti n c o n t r o l l i n ga c c u r a c y h i g h s p e e d r e l i a b i l i t y c o m p l e t e s e t i nt h i s c a s e b a s e do np o l i s h i n gt e c h n o l o g ya n dp r o c e s sr e s e a r c h a i m e dt os t u d yt h e a u t o m a t i o no fp l a s t i ce x t r u s i o np l a t e p e p a n di t i st h ef o u n d a t i o no f d e v e l o p i n gap e p w i t ha u t o n o m o u si n t e l l e c t u a lp r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t ha v a i l a b l ep o l i s h i n gm a c h i n e am e t h o dw h i c h c o u l d f i n i s ht h es u r f a c eo fl a r g es i z ew o r k p i e c eb yc o n t r o l l i n gt h em o v eo fp l a t e i nx y d i r e c t i o na n dt h er o t a t i o no ft h ep l a t ei t s e l fh a sb e e na d v a n c e d t o c o n t r o lt h e s p e e d o ft h e p l a t e i nx y d i r e c t i o na n di t s r o t a t i o n c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l l i n g r u l e sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a n das i m p l e a r r a n g e m e n th a sb e e nm a d ef o rm e a s u r i n gt h ew o r k p i e c e s u r f a c ea n d p o l i s h i n gp r o c e s s t h ee f f e c to fp o l i s h i n gp a t ht os u r f a c er e m o v a lr a t ea n do u t o f f l a t n e s s h a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l t h r e ek i n d so ff r a c t a lr o u t ew e r ea d v a n c e d a n d t h e i rs u p e r i o r i t yi n f l a t n e s so fw o r k p i e c eo v e rn o r m a lc m p a n dp l a n e t a r y m e c h a n i s mr o u t ec o u l db es e e nf r o mc o m p u t e rs i m u l a t i o n e s p e c i a l l yi t s o b v i o u ss u p e r i o r i t yi nl a r g es i z ew o r k p i e c e a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o l l i n gr e q u i r e m e n to fp l a t ep o l i s h i n gs y s t e m t h eg r o s ss t r u c t u r eo fp l a t ep o l i s h i n gc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a n dd e t a i l e di n s t r u c t i o na b o u tg e n e r a lc o n t r o l l i n gs t r u c t u r e m a i nk e y c o m p o n e n t sa n dp o l i s h i n gp r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g nf l o wd i a g r a mw a s g i v e n t h er e l i a b l em o d e lw a se s t a b l i s h e df r o mt h er e l i a b i li t yo ft h e p o l i s h i n gc o n t r o l l e r t h i s d i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e dt h ec a u s e so ft h e e q u i p m e n tb r e a k d o w ni nd e t a i l s a n dt h em e a s u r e sw h i c h c o u l di m p r o v e t h er e l i a b i l i t yw e r ea d o p t e do nb o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o n t r o l l e r k e yw o r d s p o l i s h i n gs y s t e m p o l i s h i n gp a t h c o n t r o ls y s t e m r e l i a b i l i t y t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yk e yp r o j e c to fm a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b e r e a uo fz h e j i a n gp r o v i n c e 2 0 0 6 c1 l0 6 9 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 墨 肠 x y 方向位置矽 z 高斯分布概率密度 控制器p i d 增益 r 矩形波的周期 电枢电压 p 负载电压系数 p p 磨粒的比重 g c m 3 p 磨粒数量 成 抛光液中磨粒的体积浓度 k 系数 k 调节器乞 0 的比例增益n d 整个小正方形区域内磨粒划 么 0 调节器的积分时间 痕象素数量标准差 吐 剪切角频率 口 m 的平均值 k r 转矩常数a r j 磨粒间距 1 jm 比例增益 e 积分增益 厶 转动量 c o 角频率 彳p 抛光垫与薄膜材料实际接触面积 矗p 微凸峰的曲率半径 p 抛光压力 z 凸峰高度变量 h 抛光垫粗糙度参考平面至接触平面的距离 e 即 抛光垫与薄膜塑性材料的综合弹性模量 e p e 杨氏模量 1 p 1 一波松比 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的 法律责任 作者签名 压明珥 日期 硎年 月 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密硒 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 艨嘴 起之磊 日期 绷年6 月1 日 日期 2 萨占月 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现代制造技术的发展趋势 现代制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一 不少国家十分重视 现代制造技术的水平和发展 利用它进行产品革新 扩大生产和提高国际经济竞 争能力 当前 美国 日本 德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重 要原因之一就是他们把它看作是现代国家经济上获得成功的关键因素 日本在第 二次世界大战后 为了迅速恢复经济 大力发展制造技术 特别是精密加工技术 提出了 技术立国 的道路 使机械制造业有了长足进步 有力地支持了其他工 业的发展 在汽车制造业和微电子工业上取得了显著成绩 在短短3 0 年中发展成 为世界上的经济强国 美国经过认真的总结 认识到进入8 0 年代后 在重要的 高速增长的技术市场上失利的一个重要原因是美国没有把自己的技术应用到制造 上 美国国家工程科学院的国家研究理事会经过反复研究 提出要把注意力重新 放在制造技术和制造问题上 而不是象前些年那样 把制造放到从属于设计的地 位上 制造业决不是 夕阳产业 但制造技术中确有 夕阳技术 这些技术 同信息化大潮格格不入 同高科技发展不相适应 缺乏市场竞争力 甚至还可能 危害生态环境 而与制造技术中的 夕阳技术 相对应的 先进制造技术 则 是 制造技术 同 信息技术 管理科学 等有关科学技术交融而形成的新 型技术 可以说 它是高技术的载体 无一工业发达国家不予高度关注 它有如 下五个方面的发展趋势 数字化是制造领域的发展核心 它包括以设计为中心 的数字制造 以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造 加工精度 是制造领域的发展关键 2 0 世纪初 超精密加工的误差是1 0 微米 7 0 8 0 年代为 0 0 1 微米 现在仅为0 0 0 1 微米 即l 纳米 加工的极端条件是制造领域的发 展焦点 这里所说的极端条件是指生产特需产品的制造技术 必须达到 极 的 要求 例如 能在高温 高压 高湿 强冲击 强磁场 强腐蚀等条件下工作 或有高硬度 大弹性等特点 或极大 极小 极厚 极薄 奇形怪状的产品等 都属于特需产品 自动化是制造领域的发展条件 强化 延伸 取代人的有关 劳动的技术或手段 自动化总是伴随有关机械或工具来实现的 可以说 机械是 2 浙江工业大学硕士学位论文 一切技术的载体 也是自动化技术的载体 智能化是制造领域的发展前景 制 造技术的智能化是制造技术发展的前景 近2 0 年来 制造系统正在由原先的能量 驱动型转变为信息驱动型 这就要求制造系统不但要具备柔性 而且还要表现出 某种智能 以便应对大量复杂信息的处理 瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复 杂环境 因此智能制造越来越受到重视 1 2 精密加工和超精密加工的现状和发展 1 2 1 精密加工的历史及其发展趋势的研究 超精密加工技术起源于美国2 0 世纪6 0 年代初期 于1 9 6 2 年首先研制成功超 精密车床 是为了适应现代高科技发展需要而兴起的 它综合应用了新发展的机 械技术成果及现代电子技术 计算机技术和测量技术等新技术 是一种机械加工 新工艺n 1 日本学者很重视对精密加工的研究成果进行历史回顾和发展展望的研 究 从而对指导现阶段的工作和预测下阶段的发展有重要作用 著名学者谷口纪 男教授在其所著 纳米技术的应用和基础一超精密 超微细加工和能束加工 一 书中 从综合加工精度 尺寸中心偏移误差 尺寸分布误差 出发 将n i 的发展 分为普通加工 精密加工 高精密加工和超精密加工4 个阶段 预计在2 1 世纪初 加工精度可达到纳米级 由于物质的原子或分子的尺寸大小 即原子晶格间距是 0 2 n m o 4 n m 因此纳米加工技术是当今的极限工艺 超精密加工是个相对概念 而且随着工艺技术水平的普遍提高 不同年代有 着不同的划分界限 但并无严格统一的标准 如图1 1 幢1 所示 通常 将超过或 达到本时代精度界限的高精度加工称为超精密加工 从现在机械加工的工艺水平 来看 通常把加工误差小于0 0 1i im 表面粗糙度r a 小于0 0 2 5 pm 的加工称为 超精密加工悟引 超精密加工技术包括超精密切削 车削 铣削 超精密磨削 超精密研磨和 抛光 超微细加工 光整加工和精整加工等 上述各种方法能加工出普通精密加 工所达不到的尺寸精度 形状精度及表面粗糙度 每种超精密加工方法可供不同 零件的加工要求选用 但是 在这其中 超精密切削 超精密磨削的实现在很大 程度上依赖于加工设备 加工工具以及其它相关技术的支持 并受其加工原理及 环境因素的影响和限制 因此 现在要实现更高精度的加工十分困难幅1 浙江工业大学硕士学位论文 过 去 现 在 未 来 普通加工蒜予大小 糖密加工 霹慧挚专 丑衄 j j j 心0 j jp m q la 县 n m i 一 图l i 精密加工的发展趋势 1 2 2 超精密加工机床新型结构 美国 日本 英国等国家很重视新型超精密加工机床的研究 美国l a w r e n c e l i v e r m o r e 国立实验室推出的大型光学金刚石机床 它是为镜面加工大直径光学镜 头而开发的 采用双立柱立式车床结构 多重光路激光干涉测长迸给反馈 六角 刀盘驱动 大型超精密主轴 低热膨胀材料组合等技术 对超精密机床的发展有 很大影响 英国国立物理学实验室 n p l 开发的四面体结构立轴超精密磨床由6 个柱连接 四个支持球构成一个罐状的四面体 静刚度为l o n n m 加工精度可达i n m 以上 当然 还有一些实际问题需要解决 日本盒式超精密立式车床 其结构设计有以下特点 整个机床采用了盒式 结构 加工区域形成封闭空间 自成系统 不受外界影响 采用热对称结构 低热变形复合材料 从结构上使热变形得到抑制 采用冷却液淋浴 恒温油循 环 热源隔离等措施 以保持整个机床处于恒温状态 整个机床有隔振结构 从这台超精密机床的结构上可以看出 其主要特点是控制热变形 现代超精密机 床除了要考虑高精密主轴系统 进给系统 外部环境 恒温 防振 等之外 在结 构上考虑热变形 并形成封闭空间是十分重要的 它反映了现代超精密机床的趋 向 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 先进超精密抛光加工 日本十分注意研究和开发新型精密研磨和抛光方法 出现了油石研磨 磁性 研磨 滚动研磨 弹性发射加工 液体动力抛光 液中抛光 磁流体抛光 挤压 研抛 砂带研抛 超精研抛 机械化学抛光 化学机械抛光等众多有成效的加工 方法 在超精密研磨抛光中 有几个动向值得注意 采用软质磨粒 或称软质粒 子 甚至比工件还要软的磨粒 如s i 0 2 z r 0 2 等 在抛光时不易造成工件被加 工表面的机械损伤 如微裂纹 磨粒嵌入 洼坑 麻点等 抛光工具和工件不 接触 即非接触抛光 或称浮动抛光 抛光工具与工件被加工面之间有薄层磨料 流 其特点是减小被加工表面的机械损伤 整个抛光工作在恒温液中进行 这 样一方面整个抛光工作由于在恒温状态下可减小热变形的影晌 另一方面可防止 空气中的尘埃或杂物混入抛光区影响加工质量 采用复合加工 汇集利用各种 加工方法的优点 如化学机械抛光 砂带研抛等 在砂带研抛中利用接触轮的材 料硬度来达到在加工时兼有研磨和抛光的特点 1 3 选题背景及课题研究意义 1 3 1 背景 随着科技的进步和制造业的发展 模具的应用范围也愈加广泛 模具的研究 和应用水平己成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志 在发达国家 模具产 值甚至超过了机床工业 在模具的整个制造过程中 模具表面抛光不仅工作量大 而且还决定着模具和制作的质量 在模具制造中各工序所占比例依次为 设计约 1 1 制造约5 2 型面的精整加工约占3 7 模具表面粗糙度对产品和模具本 身的质量 寿命都有相当大的影响 据调查 模具型腔表面粗糙度改善一级 模 具寿命可提高5 0 由于模具型腔的复杂性 大部分模具抛光工作仍依赖于手工 完成 加工效率低 产品的一致性差 工作单调耗时 因此采用自动化抛光技术 对模具制造具有重要意义 它不仅能大幅度提高生产率 保证产品质量 而且能 解决熟练劳动力的短缺问题晦1 数控机床和机器人是模具自动化抛光中常用的两种设备 图1 2 图1 3 分别为日本 台湾 进行的抛光研究 5 浙江工业大学硕士学位论文 图1 2c n c 加旋转台抛光系统 图卜3台湾人研制的机器人抛光系统 数控机床技术成熟 可以应用许多现有的软件 在抛光中得到了较多应用 与数控机床抛光相比 机器人抛光技术上相对较为复杂 但更具优越性 机器人 柔性大 非常适合涉及复杂曲面加工的抛光操作 同时 抛光作用力小 精度要 求低 正好避开了机器人刚性弱 精度差的缺陷h 1 但这些抛光方式只适合在小 6 浙江工业大学硕士学位论文 尺寸工件的加工 并且精度要求低 当今世界 塑性薄膜材料的加工越来越趋于 大型化 工件尺寸的大幅度增加 并且要求的加工精度也越来越高 给传统的加 工工具带来了严峻的挑战 1 3 2 研究的意义 近年来 随着机械加工和制造技术的成熟 塑料薄膜的多层共挤流延复合技 术发展较快 目前多层共挤流延膜设备正在向着多层化 大型化 精密化的方向 发展 而现在国产高档薄膜挤塑生产设备在控制精度 高速性 可靠性 成套性 等方面与进口设备还差距较大 许多多层共挤薄膜的高端产品如高阻隔性薄膜 高档金属化薄膜还有赖进口设备的生产 其主要原因是目前国内对其核心部件的 平模头的抛光加工技术方面还相对落后 平模头的抛光加工完全是手工作业 对 技术工人的熟练程度要求很高 造成平模头的工艺稳定性 产品的一致性差 生 产周期长等缺点 远远不能满足平模头对直线精度 表面粗糙度及大尺寸的要求 因此 要提升国内塑料产业的竞争力 就必须不断提高设备的专业水平和技 术含量 向进口设备看齐 争取在高端市场跟国外设备进行竞争 必须开发专门 的自动化抛光设备 挤塑平模头自动抛光控制系统的研究 针对全国挤塑模具行 业的加工瓶颈问题 以挤塑平模头的自动化抛光为研究对象 以抛光技术 工艺 研究为切入点 力求研发出自主知识产权的挤塑平模头自动化抛光设备 这对促 进整个国内挤塑模具制造企业的技术水平和模具和塑料制造企业的综合竞争能力 的提高将意义重大 1 4 模头抛光国内外研究现状 国外专家预言 2 1 世纪的材料领域是塑料的天下 而中国则是塑料工业 包 括塑料机械工业 最大 最具潜力的市场 中国塑料机械已成为传统机械制造业 中发展最为迅猛的行业之一 其发展速度与所创主要经济指标在全国机械工业的 1 9 4 个行业中名列前茅 2 0 0 5 年 我国塑料制品的产量将超过2 0 0 0 万吨 2 0 1 5 年 预计总产量翻一番 达到4 0 0 0 万吨 专家预测 今后至 十一五 期间 中国合 成树脂的产量还要以1 0 左右的速度增长 整体而言 中国又是塑料制品消费大 国 塑料年消耗量仅次于美国居世界第二 而按人均计算 中国人均塑料消费仅 7 浙江工业大学硕士学位论文 为2 2 k g 在世界排名第3 2 位 相当于工业发达国家的1 6 1 5 由此可见 中 国的塑料工业还要大发展 塑料机械前景广阔 由多层共挤流延法制得薄膜是塑料工业的一个重要分支 此类薄膜制造技术 能够使多种具有不同特性的物料在挤塑过程中彼此复合在一起 因而使得制品兼 有不同材料的优良特性 在特性上能进行互补 从而使制品得到特殊要求的性能 和外观 如防氧和防湿的阻隔性 阻渗性 透明性 保香性 防紫外线 抗污染 性 高温蒸煮性 低温热封性以及强度 刚度 硬度等机械性能 此类薄膜主要 用于包装 汽车 电子等工业中需要复合的 专用化的高档薄膜 其产品范围包 括 低温热封膜 镀铝基材膜 高阻隔膜 蒸煮膜 消光膜 抗静电膜 抗菌膜 p v b 防爆膜等 高档薄膜挤塑生产设备的需求旺盛 但现在国产设备在控制精度 高速性 可靠性 成套性等方面与进口设备差距较大 多层共挤薄膜设备的高端 产品如高阻隔性薄膜 高档金属化薄膜还有赖进口设备的生产 挤塑平模头是多层共挤薄膜设备的核心 制造难度很大 挤塑平模头的直线 精度和表面粗糙度的要求都很高 在挤塑薄膜和进行涂层作业时 模唇越平滑 越平坦 越锋利 就越容易掌握厚度和一致性 产品质量越高 在产量很大或材 料很贵的情况下还可以节省原材料 从而节约大笔材料成本 浙江省作为模具大 省 近年来在挤塑薄膜模具制造方面也取得了很大的进步 浙江精诚模具机械有 限公司是中国最大的挤塑平模头制造商 精诚公司的产品 几乎占领了国内8 0 以上的平模头中高端市场 同时还远销德国 印度等 但由于平模头的尺寸很大 通常在l 2 m 最大的可达8 m 长 目前还没有可用的精密加工设备 抛光加工难 度很大 限制了企业的进一步发展 总体而言 在平模头的抛光加工技术方面还相对落后 目前平模头抛光加工 的现状是 1 完全是手工作业 2 对熟练技术工人的要求高 3 工艺的稳定性差 4 产品的一致性差 5 生产周期长 近年来 随着机械加工和制造技术的成熟 塑料薄膜的多层共挤流延复合技 术发展较快 目前多层共挤流延膜设备正在向着多层化 大型化 精密化的方向 r 浙江工业大学硕士学位论文 发展 对抛光加工提出了更高的要求 因此 要不断提高设备的专业水平和技术 含量 向进口设备看齐 争取在高端市场跟国外设备进行竞争 就必须开发专门 的自动化抛光设备 基于以上分析 提出 挤塑平模头自动化抛光控制系统研究 课题 针对国 内挤塑模具行业的加工瓶颈问题 以挤塑平模头的自动化抛光为研究对象 以抛 光技术 工艺研究为切入点 力求为研发出自主知识产权的挤塑平模头自动化抛 光设备打下基础 促进挤塑模具制造企业的技术水平和企业的综合竞争能力的提 高 意义重大 1 5 研究内容 本文主要研究内容分为5 个部分 平模头抛光系统的建立 根据我们所需加工工件的尺寸要求以及考虑机器的造 价成本建立相应的可方便扩展的抛光系统机构 具体研究模头在x y 方向上的 运动和模头自身转速的控制 建立相应的控制法则对模头在x y 方向上的运动 速度和自身转速进行精确控制 最后对工件表面的测量与抛光工作流程做了系 统的规划 由于多参数控制对抛光质量的影响非常巨大 寻找到一种合适的抛光路径对整 个加工过程来说意义重大 与传统的抛光路径进行对比 提出了适合大尺寸复 杂表面加工的路径策略 分形路径 平模头抛光机的控制系统总体结构设计 抛光机控制系统可靠性分析 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 抛光系统的机构 第二章平模头抛光系统 2 1 1 现有的平面抛光机构 一 一般磨床加工方式 无论是一般的金属研磨或者硬脆材料的化学机械抛光 有一个共同的特点在 于工件的被 j h v 面是随时被研磨工具或抛光垫所覆盖着的如图2 1 其优点是工件 加工时不至于有未加工到的死角 研磨加工状态稳定 缺点是随着工件尺寸的增 加 则机台的尺寸也需大幅增加 以行星式研磨机构为例 当工件采用八英寸硅 片时 机台的加工面直径约2 6 倍 如此大的加工台不仅耗资甚巨 机台主轴的 精度也将因面积的增大而受到考验 即使是面积尺寸较小的一般c m p 机台 也需 约 十英寸直径大小的机台 再者 随着工件面积的增大 一些翘曲 变形等不 良加工现象均会一一浮现 尤其是如硅片 薄膜塑性材料等硬脆材料 加工后平 面度的恶化更会成为迫切而严重的问题 i l 图2 1 一般加工方式 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 二 双轴式抛光加工 与一般的磨床相比机器人抛光技术上相对较为复杂 但更具优越性 机器人 柔性大 非常适合涉及复杂曲面力n r 的抛光操作 同时 抛光作用力小 精度要 求低 正好避开了机器人刚性弱 精度差的缺陷 台湾人研制的大同a 5 3 0 五轴 串联式机械手臂配合两轴x y 平台 其外观如图2 2 所示 图2 2 机械手臂辅助抛光机 其工作原理是通过x y 平台的运动来实现小模头对大尺寸工件的抛光加工 但 在实际运用中 工件的尺寸大小是不确定的 当然改变平台的大小也能实现对不 同尺寸工件的加工 但这显然加大了机器的造价成本 比如我们所要加工的工件 长度是1 米 那么x y 平台的来回拖动加工工件的床身至少要2 米以上 也就是说 床身至少是工件的两倍 因此这类抛光方式只适合在小尺寸工件的加工 仍然无法解决大尺寸大工件 的加工 并且这类抛光方式只适合抛光精度要求低的工件表面进行加工 无法对 高精度高表面质量的材料进行加工 2 1 2 模头x y 方向运动方式提出 鉴于一般磨床加工和双轴式抛光加工系统对大尺寸工件加工存在的局限性 我们提出了一种通过控制平模头在x y 方向的运动来实现对大尺寸工件表面进行 加工的方法 这种方式将大大减少机器床身的造价 容易实现对不同尺寸工件加 工 当工件的尺寸加大时我们只需相应改变床身的尺寸就能实现对不同尺寸工件 浙江工业大学硕士学位论文 的加工 并且极易实现 通过选择合适的抛光工艺路径同样能达到加工精度的要 求 本研究采用两个直流电机控制平模头在x y 方向的运动 直流无刷电机控制 模头自身转动 床身本身固定 其运动方式如图2 3 所示 这种形态机构的特色有下列几项 1 不因机台尺寸增大而导致加工平面度恶化 2 可节省大尺寸机台的昂贵费用 3 工件夹持于底座上 可增加其加工稳定度 4 配合平移运动或分形运动 可避免加工死角并改善平面度 梗头自转 图2 3 模头运动方式 2 2x y 方向控制及速度优化 光垫 2 2 1x y 方向控制 x y 方向速度使用两个直流电机驱动 控制法则为p i d 控制 系统方块图如图 2 4 所示 s i m u l i n k 模拟的方块图见附录1 系统增益为k p 3 1 k 0 0 1 k d 0 3 系统步阶响应如图2 7 所示 浙江工业大学硕士学位论文 图2 4 位置p i d 控制方块图 图2 5 运动控制器根轨迹图 图2 6 运动控制器波德图 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 图2 7 位置控制步阶响应 2 2 2 速度优化 本研究的抛光平台使用模头在x y 方向运动做模头的位置控制 加减速的控制 方法采用三段样条法 将运动过程分为等加速 等速与等减速三段 如图2 8 所示 在x y 方向做梯形速度规划 其中梯形的面积等于单方向行走的距离 位置 x l k 戤 x o l 方舞 y d o 龟j i l1 2岛 图2 8 单方向运动梯形速度规划 图2 9x y 方向同步加减速示意图 当考虑x y 两个方向上运动的情况时 则必须多考虑到两个方向同步加减速 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 的规划 否则会发生一个方向已经达到等速 另一方向仍在加速的状态 如此轨 迹将不会呈一直线 必须调整两轴的 与缸 使两方向上的加减速时间相等 当考虑两方向上同步加减速后 x y 方向上的速度一时间关系图将如图2 9 所示 若x 与y 方向行走的距离分别为最与邑 设定的线速度为y 线加速度为a 则由图2 9 可知 s 肪向梯形面积y 彳 二 一 二 五 邑 y 方向梯形面积 04 又 s 孵 矿 厢 4 厢 所以 圪 y 鲁 巧 y 誓 4 辱 a y as y 即可求得x y 方向同步加减速所分别需要的速度与加速度 2 3 模头转速控制 在如今的现实生活中 自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展 其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用 虽然直流电机不如交流电机那 样结构简单 价格便宜 制造方便 容易维护 但是它具有良好的起 制动性能 宜于在广泛的范围内平滑调速 所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主 要形式 直流无刷电机具有响应快速 较大的起动转矩 从零转速至额定转速具 备可提供额定转矩的性能 不需要复杂的控制技术就能达到性能的要求 综合考 虑电机的性能以及抛光系统的要求 我们选用直流电机作为模头运转的驱动电机 由于模头经常处于缓升 缓降 匀速 精确定位等运行状态 传统的p i d 控制难 以满足设计要求 在此提出一种适于不同运行状态的基于生产规则的专家控制控 制模头运行模式 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 1 基于a r m 的p 删直流调速系统 一 转速 电流双闭环控制结构 整个系统上采用了转速 电流双闭环控制结构 如图2 1 0 所示 在系统中设 置两个调节器 分别调节转速和电流 二者之间实行串级连接 即以转速调节器 的输出作为电流调节器的输入 再用电流调节器的输出作为p w m 的控制电压 从 闭环反馈结构上看 电流调节环在里面 是内环 按典型i 型系统设计 转速调 节环在外面 成为外环 按典型 型系统设计 为了获得良好的动 静态品质 调节器均采用p i 调节器并对系统进行了校正 检测部分中 采用了霍尔片式电流 检测装置对电流环进行检测 转速是采用了测速电机进行检测 达到了比较理想 的检测效果 主电路部分采用了以g t r 为可控开关元件 h 桥电路为功率放大电 路所构成的电路结构 控制部分采用c 语言编程控制a r m 3 c 2 4 4 0 a 芯片的定 时器产生两路互补的p w m 脉冲波形 通过调节这两路波形的宽度来控制h 电路 中的g t r 通断时间 便能够实现对电机速度的控制 图2 1 0 转速 电流双闭环结构图 凇啦飘 二 主回路 在系统主电路部分 采用的是以大功率g t r 为开关元件 h 桥电路为功率放 大电路所构成的电路结构 如图2 1 l 所示 图中四只g t r 分为两组 啊和 为 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 一组 嘎和喝为另一组 同一组中的两只g t r 同时导通 同时关断 l l s f l mm j1 1 s l 一 一 12 i 霉b 3 n 上 a 1 一 l 一 一 i 4 z 1 2 i 1 1 双极式h 型p w m 变换电路 且晶体管之间可以是交替的导通和关断 欲使电动机m 向正方向转动 则要 求电压阢为正 各三极管基极电压波形如图2 12所示 欲使电动机反转 则 使电压 为负即可 一 i o 1 2 双极式p w m 变换电路的电压 电流波形 是一种双极性大功率高反压晶体管 它大多用作功率开关使用 而且g t r 是具有自关断能力的全控型电力半导体器件 这一特性可以使各类变流电路 的更加方便和灵活 线路结构大为简化 波的周期为r 正向脉冲宽度为t 并设l t t 为占空比 则电枢电压 1 浙江工业大学硕士学位论文 u 的平均值u 2 入一1 u s 2 t l t 1 u s 并定义双极性双极式脉宽放大器的 负载电压系数为 p u u s 2 t l t 1 即 p 2 1 可见 p 可在 1 到 1 之间变化 双极式p w m 变换器的优点 1 电流一定连续 2 可使电机在四象限中运行 3 电动机停止时有微振电流 能消除正 反向时的静摩擦死区 4 低速时 每 个晶体管的驱动脉冲仍较宽 有利于保证晶体管可靠导通 5 低速平稳性好 低 速范围可达2 0 0 0 0 左右 三 p w m 控制电路 经典的模拟控制电路主要由p w m 电路 延时电路和驱动电路组成 而p w m 发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压 电流调 节器输出的u k 进行比较 则电压比较器输出的是一系列方波信号 如果改变 砒的大小 那么方波脉冲宽度将会改变 从而达到脉宽调制的目的 其基本电路 结构和调制原理如图2 1 3 脉宽调制信号的质量 对于p w m 调速系统是十分重 要的 然而它的质量主要取决于三角波信号的质量 如果三角波的线性度不好 那么p w m 的输出将得不到对称的波形 这对调速系统来说 将大大地降低系统 的性能 出现正反转不平衡 耖 c 朴 z jr 逢时分 配电路 陵冲调制电貉c 暑八 峻渺 z 人 7入 一 v t a a 基本电路结构 b 脉宽调制原理 图2 1 3p w m 基本电路结构和调制原理 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 随着电力电子技术 微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方 法的应用 p w m 控制技术获得了空前的发展 在本设计中 是基于a r m 嵌入式 开发平台之上 运用c 语言编程来实现p w m 控制的 主要功能芯片为 3 c 2 4 4 0 a 由于该芯片自带定时器 所以控制部分省去了三角波产生电路 脉冲调制电路以 及p w m 信号延迟分配电路 取而代之的是 3 c 2 4 4 0 a 芯片的定时器0 1 组成的 双极性p w m 发生器 采用这种芯片控制可以增加调速的灵活性和精确性 同时又 可以在实现调速功能之外实现其他的功能 3 c 2 4 4 0 a 有5 个1 6 位的定时器 定时器0 l 2 3 具有脉宽调制的功能 定时器4 是一个没有输出管脚的内部定时器 定时器有一个死区发生器 它一般 用于大功率设备 p w m 发生器用到的寄存器主要有以下几个 1 t c f g 0 定时器配置寄存器o 该寄存器用于设定定时器的输入时钟频率 输入时钟频率的计算公式为 定时器输入时钟频率 m c l k 预分频值 分割值 2 2 2 t c f g l 定时器配置寄存器1 该寄存器用于设置定时器的工作模式及时钟源 时钟输入频率 p c l 耿重新 调节值 1 分离值 重新调节值由t f c g 0 决定 分离值由t f c g l 决定 3 t c o n 定时器控制寄存器 该寄存器可进行定时器的自动重载 手动更新 启动 停止 输入反转及死区 使能的设置功能 4 t c n t b 0 t c m p b o 定时器计数缓冲区寄存器和比较缓冲器寄存器 比较缓冲寄存器用于设置输出波形的占空比 t c n t b 0 决定了脉冲的频率 t c m p b o 决定了正脉冲的宽度 当冗j 枷嘧o 咒 v 纺o 2 时 正负脉冲宽度相同 当t c m p b 0 由0 变到t c n t b 0 时 负脉冲宽度不断增加 直流电机初始化与控制直流电机流程如图2 一1 4 图2 1 5 所示 具体实现方法与步骤 1 1i o 口设置 对p e 口的工作方式进行设置 使之工作在定时器输出状态 2 定时器时钟源频率的设定 3 设置输出波形频率 4 设置占空比 5 设置定时器控制寄存器并启动定时器 定时器启动后可以采用示波器观察 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 输出波形是否满足要求 设置寄存器 g p b c o n 配置管脚功能 上 设置寄存器t c f g 0 死区长度 0 预分频器值 2 上 设置寄存器t c f g 0 分隔值 2 上 设置t c n t b 0 设置t c m p b 0 上 设置t c n t b 0 设置t c m p b 0 上 设置寄存器t c o n 手动更行定时器0 上 设置寄存器t c o n 死区使能 定时器0 启动 自动重载 图2 1 4 直流电机初始化图2 1 5 控制直流电机 2 3 2 电流环调节 在直流电机中转矩的快速响应控制是必要的 所以电流环调节必不可少 我 们采用p i 调节电流 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 出2 专 五一么 f j o 妒2 专 一 此时 么 0 调节系统的开环传递函数g 二 s g 品 j 为 2 3 啪 t j a s s1 七 灭乙 协4 啪 一 下t f q s l 南 式2 4 中 和乙 毛是乞 0 调节器的比例增益和积分时间 通常 取 2 乙2 2 乏 此时 成了单纯的积分环节 啪 2 互1啪 壶 2 5 图2 1 6 是由此得到的波特图 由于其相位角经常处于一9 0 所以是极为稳定 的系统 另外 剪切角频率吐 争 包 屹或 吐似乎可以随着 得增 上 口 大而无限制地增大 但在实际系统中也常受到电流调节对象的机械特性的限制 在本系统中q 取3 0 0 0 r a d s 在满足式2 5 时 乙 0 调节系统的闭环传递函数g 品 s g 三 s 可表示式2 6 锁d 2 南啪 亡 协6 k 试k 0 该闭环系统为简单的惯性环节 在s o 时的增益与 没有关系 是0 d b 2 1 浙江工业大学硕士学位论文 熬 j j 口j 目 目 启 i 图2 1 6 电流环开环波德图 2 3 3 速度调节系统的设计 在速度调节系统中把电流调节作为内环 0 调节 0 调节系统采用p i 调节 其比例增益为尼矿其闭环传递函数为式2 6 图2 1 7 为速度调节系统框图 图2 1 7 速度调节系统框图 图中 转矩常数k r p o 向i n m a 速度调节系统德传递函数为 啪m 妒寺 2 7 式中 k k 分别表示为比例增益和积分增益 在图2 1 7 中 调速电机的转矩常数k r 和转动量厶已知 乇 调节系统的剪切 鬟篾 浙江工业大学硕士学位论文 角频率缈 k t 是事先设定的 图2 1 7 中p i 速度调节系统的开环传递函数戗 s 上 口 为 戗 邓妒粤 写1 币k f 2 8 k 畸 图2 1 8p i 速度调节系统开环频翠特性 戗 s 的近似直线的频率特性如图2 1 8 所示 根据这个图 0 调节系统的剪切角频率致超出p i 速度调节系统的剪切角频率 的数倍以上时 角频率缈在 的附近 0 调节系统的闭环传递函数g 暑 s 1 进而 p i 调节器的转折角频率 国 鱼 2 9 2 露 眩 9 当角频率缈在 的数分之一以下时 国在 的附近 g s s 可近似地表示 为 g s s 综上所述 速度调节系统的开环传递函数戗 s 在角频率国的剪切角频率 的附近可近似地表示为 q o 咖b 嘉 2 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 在此 为使i 戗 肌 l 1 求出比例增益k p 的值 即 k 警 协m 通常应使p i 调节器的转角频率国 警 这样k 酊的值为 x 硝 x 妒 2 3 4 二自由度p i 速度调节系统的设计 要实现 响应超调量小 并且恢复时间也短的速度调节是比较困难的 在此 作为解决这个问题的一个控制策略 设计一个两自由度p i 速度调节系统 如图2 1 9 所示 为简化起见 图中省略了0 调节系统 图2 1 9 二自由度p i 速度调节系统框 根据框图 速度彩 对速度指令国二 的传递函数为 生盟 竺翌兰 鱼 2 1 2 一 二二 一c o r e s j m s l k t k s p s k t k s i 从传递函数可知 确定了增益如和e 对速度指令国二 i 的 响应也含由于 调节参数口的变化而变化 如果令口 1 则这个系统为p i 调节系统 当口 0 时成为i p 调节系统 把增益如和也的值分别固定为2 7 4 a r a d 和6 8 0 a r a d 改变参数口的值时 二自由度p i 速度调节系统的阶跃响应如图2 2 0 所示 随着疗的增大 阶跃响应的 超调量增大 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 0 二自由度p i 速度调节系统的阶跃响应 2 3 5 模头转动模式 如图2 2 1 所示为模头运转模式图 包括慢速起动 平稳加速 稳定运行 平 稳减速 慢速停止等五段组成 图2 2 1 模头运转模式 其中第一段 a 段 的运行速度为0 4 2 r a d s 最l j 每分钟2 转 运行第二段 b 段 为加速段 其加速度为0 4 2 r a d s 2 第三段 c 段 为稳定运行段 按设定的速度运 行 第四段 d 段 为减速段 其减速度为0 4 2 r a d s 2 最后速度减至0 4 2 r a d s 第 蠢蔫强并蠹i m黟篡麓譬麓 鬟囊警 曩曩臻麓童尊 葱溅黪蕊瀛豢蒸蒸一一警蘸 浙江工业大学硕士学位论文 五段 e8 t 篚j 慢速停止段 当总运行计数到时停止