金刚线生产线设计与控制
发表时间：2014-04-23T13:55:43.890Z 来源：《教育研究·教研版》2014年2月供稿作者：李春勤[导读] 工业上许多东西是用金刚线来切割的，比如晶硅切片、石英钻石等硬质材料的切割等。李春勤
1 引言1.1 本课题研究的背景及意义。
1.1.1 国内研究背景。金刚线是金刚石切割线的简称。工业上许多东西是用金刚线来切割的，比如晶硅切片、石英钻石等硬质材料的切割等。金刚石切割线顾名思义，跟金刚石有关。大体上是把金刚石的微小颗粒镶嵌在线上，做成的金刚石切割线。金刚石是超硬的，用途很广的切割材料。金刚线具有了金刚石微型的锯齿，增加了钢线的切割能力，可以大大加快切割速度。
目前国内市场上的金刚石线切割机主要被国外公司垄断，在太阳能硅材料切割用的金刚石线切割机市场上，中国制造尚处于空白状态，国内太阳能硅材料切割用的金刚石线切割机全部采用进口，对外依存度很高，严重制约我国太阳能产能最大化的进一步发展。
1.1.2 课题研究的意义。与传统的钢线和砂浆切割方式相比，金刚石线切割机具有诸多优点：可实现高速切割，环保生产，成本低廉等等，而且与国外同类型产品相比具有明显的性价比优势。高速切割是针对传统的砂浆切割方式而言，速度是该传统工艺切割的2～3 倍，能够使用户降低采购设备成本。同时也能使用户能够承接较大的订货量。环保生产也是针对传统的砂浆切割方式而言，传统工艺切割环境恶略，不环保，且大量的砂浆需要回收处理，耗用大量的人力和财力成本，而金刚石线切割机的工艺却无须砂浆，只需要水或是水基冷却清洁液就可以，真正实现了环保生产和制造。成本低廉的特点，较国外产品价格而言，只是它们60%左右的价格，使国内用户的切割成本大大降低。金刚石切割线对比传统钢线优势非常明显，用同样设备采用电镀金刚石钢丝线切割多晶硅碇，比采用砂浆切割所用时间大大缩短，最大限度地发挥了设备效能；设备应用环境得到有效改善，提高设备使用寿命；设备实际使用功率减小。此切割线应用于新能源行业———太阳能光伏行业，以及超硬材料切割加工行业。
1.2 本文主要内容。系统通过PLC 采用PID 控制算法控制伺服电机的速度，实现生产线的同步控制。系统对生产线的同步控制要求非常高，要求各部分严格同步以免超出金属线的抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度使金属线的金相组织受到损坏。如此高同步需要有定位控制系统来控制多部能可使控制速度，位置精度非常准确的转动的电机，采用FX3U 系列的PLC 可很好满足要求，它具有可调速脉冲输出的功能以及可以根据输入量而改变输出量的PID 运算功能，可以作为很好的控制器。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，伺服电机可以在系统中承担控制速度的电机。此外，为了很好的控制电机的速度同步系统还采用了位置编码器。
2 金刚线生产线简介电镀金刚石线锯是用电镀的方法在金属丝（线）（基体）上沉积一层金属（一般为镍及镍钴合金）并在沉积的金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具，其示意图如图2.1 所示。金属镀层是结合剂，金刚石磨料用于切削加工。电镀金刚石线锯根据需要可制成不同的直径和长度；线锯可以装在不同的设备上形成不同的加工方式，如往复循环（锯架）式、高速带锯式、线切割式等。
对硬脆材料的加工，线锯不仅可以切割薄片，也可加工曲面，更可以用于小孔的研修，其应用前景十分广阔。
3 硬件设计系统对生产线的同步控制要求非常高，要求各部分严格同步以免超出金属线的抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度使金属线的金相组织受到损坏。系统需要PLC 作为控制系统完成开始时速度的设定及其所需的频率的计算输出；系统需要控制速度，位置精度非常准确，所以伺服电机可以担当重任；为了协调系统各部分之间的速度可通过旋转编码器来采集数据以便控制器伺服电机的速度变化。
3.1 主要部分的硬件设计。
3.1.1 电源模块设计。由于本设计中需要的模块较多，且为触摸屏、伺服电机、伺服驱动供电。其中伺服电机、伺服系统需220v 的电压供电，而触摸屏需24v 电压。因此系统需要直流24V 开关电源。
3.1.2 PLC 控制系统的设计。本系统采用FX3U-16MT 作为控制系统，它控制了三个完全相同的伺服驱动器及两个旋转编码器数据接收处理和与触摸屏的通信。FX3U-16MT与触摸屏之间用RS422 进行通信，而采集两个旋转编码器通过扩展输入直接连接的。
3.2 软件设计。
3.2.1 使用软件。GX Developer 编程软件。GX Developer 是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q 系列、QnA 系列、A 系列（包括运动控制CPU）、FX 系列PLC 梯形图、指令表、SFC 等的编辑。该编程软件能够将编辑的程序转换成GPPQ、GPPA 格式的文档，当选择FX 系列时，还能将程序存储为FXGP （DOS）、FXGP （WIN）格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C 软件的文件互换。该编程软件能够将Excel、Word 等软件编辑的说明性文字、数据，通过复制、粘贴等简单操作导入程序中，使软件的使用、程序的编辑更加便捷。
3.2.2 详细软件设计。PLC 控制软件设计。PLC 控制软件主要实现对伺服电机的控制，可以实现伺服电机的归零、定位、正转点动、反转点动等功能，完成整个测试过程的自动化，并具有手动操作和自动操作两种模式。操作面板上有按钮及指示灯组成，主要完成系统的手动/ 自动操作工作。①手动操作方式。将“手动/ 自动”旋钮旋至手动位置，此时处于手动操作方式，可以实现伺服电机的正转、反转操作。通过触摸屏上的“正转”和“反转”可以完成伺服电机的正转和反转功能。②自动操作方式。将“手动/ 自动”旋钮旋至自动位置，此时按下“过程自动”带动按钮，系统便进入自动控制过程，根据设定的速度及三个电机的导轮直径计算各个电机的初始频率，根据旋转编码器采集的位置参数，通过PID 计算矫正一二三号电机的频率。最后将计算完成后的各电机所需的频率发给三个伺服驱动器来控制电机的转速。作者单位：山东省日照市科技学校