（机械电子工程专业论文）金刚石线锯切割sic单晶片过程控制及仿真.pdf

塑l j i i j j j j j j j j j j j j j l j i i j j j j j j j i j j j i j j j j j j i j j j j i j j j j j 论文题目：金刚石线锯切割s i c 单晶片过程控制及仿真 y 2117 5 7 4 学科名称：机械电子工程 研究生：姚勋 签名：j 遍 指导教师：李淑娟教授 签名：奎龇 樯兽 金刚石线锯切割技术由于切缝窄、表面损伤小故广泛应用于硬脆材料加工中，但在切 割超硬脆材料s i c 单晶片中，由于切割过程中线锯不断换向，工件直径变化以及线锯磨 损等诸多因素的影响，使得切割过程存在许多不足，如切削效率低、工件表面质量差、切 割过程不稳定、线锯易磨损甚至绷断等。本文从系统控制角度出发，提出将自适应控制技 术应用于金刚石线锯切割系统中，通过实时采集数据，自动辨识系统对象的模型参数，以 适应系统对象变化，随时反应系统工作状态，最后经过自适应控制计算出最优自适应控制 率，以实现提高系统加工精度与稳定性、减小线锯磨损的目的。 采用传统物理建模方法难以对系统进行准确的描述，同时所获得的物理模型难以进行 切割过程实时控制。因此，提出采用系统辨识方法对系统进行建模。按照辨识方法的要求 设计试验，并对采样数据进行预处理，以提高系统的可辨识精度。最终建立单输入单输出 ( s i s 0 ) 系统动态差分方程。同时，经过残差检验法检验模型准确度，并在时域进行稳 定性分析判断。 对自校正调节器进行研究与分析，建立单输入单输出负反馈闭环控制系统。以机床的 进给速度为输入信号，系统切削力为输出响应，采用递推最小二乘法实时辨识参数，并建 立系统预报模型，采用最小方差控制计算出系统的最优控制率。在m a t l a b s i m u l i n k 中 搭建系统模块，进行动态仿真。仿真结果表明该控制算法具有鲁棒性，能够自动调节系统 进给速度，实现变速进给，最终实现恒力切削且能够提高系统加工精度。 开发金刚石线锯切割加工自适应控制器，进行相应硬件电路设计和软件模块设计。自 适应控制器以单片机芯片为核心处理器驱动步进电机旋转，内部嵌入自校正调节器控制算 法实现变速进给控制。 最后，经过实验验证自适应控制算法的可行性和控制器开发板的可操作性。 关键词：金刚石线锯切割；自适应控制；系统辨识；递推最小二乘法；最小方差控制 西安理工大学硕士学位论文 本文受国家自然科学基金“大直径超薄s i c 单晶片高速一超声切割机理及参数控制” ( 5 1 1 7 5 4 2 0 ) 、陕西省科学技术研究发展计划项目一工业攻关“s i c 单晶片超声一机械复 合切割关键技术研究”( 2 0 1 0 k 0 9 0 1 ) 、陕西省教育厅项目“s i c 单晶片切割参数优化及过 程控制技术”( 11 j k 0 8 4 9 ) 、教育部重点实验室项目“s i c 单晶片切割过程控制技术 ( 11 j s 0 7 4 ) 资助。 a b s t r a c t 一一_ 一 t i t i e ：t h ec o n t r o la n ds l m u l a t i o nf o rw i r es a wf i x e d d l a m o n da b r a s i v e c u t t l n gs i cs i n g l ec r y s t a l w a f e r sp r o c e s s m a j o r ： m a c h i n e r ya n de i e c t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e ：y a ox u n s u p e r 、，i s o r ： p r o f l ls h uj u a n a b s t r a c t s j g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： d i a m o n dw i r es a wc u t t i n gt e c h n 0 1 0 9 yi s t h em o s tw i d e l ya p p l i e dt oh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 yb e c a u s eo fn a r r o wk e r fa n ds m a l ls u r f a c ed 锄a g e 。b u ti nt h e p r o c e s so fc u t t i n gt h eh i g h h a r d n e s sa n dh i g hb r i t t l e n e s so fs i n g l e c h i ps i ch a sm a n y d i s a d v a n t a g e sd u et ow i r es a w sr e v e r i n 卧 t h ec h a n g eo ft h ew o r k p i e c e sd i a m e t e r 、 w i r es a w s w e a ra j l do t h e r sf a c t e r s si n n u e n c ei nt h ec u t t i n gp r o c e s s ， s u c ha s1 0 wc u t t i n ge f h c i e n c y ， p o o r q u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e s s u r f a c e ， t h ew i r es a wi se a s yt ow e a ra n de v e ns n a p p e d ， t h e i n s t a b i l i t yo ft h ec u t t i n gp r o c e s s t h i sp a p e rp u tf o n a r da d a p t i v ec o n t r o l t e c h l l i q u e s t oa p p l yi n t h ed i 锄o n dw i r es a ws y s t e m ， t l l r o u g hr e a l - t i m es a m p l i n gd a t aa n da u t o m a t i c a li d e n t m c a t i o n s v s t e mt oa d a p tt oc h a n g ei nt h es y s t e ma 1 1 dr e s p o n s et h es t a t eo fs y s t e ma ta n y t l m e ，a n dt h e n c a l c u l a t et h eo p t i m a la d a p t i v ec o n t r o lr a t eb y t h ea d a p t i v ec o n t r 0 1m e t h o d st oi m p r o v et h e p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo fs y s t e m a i l dr e d u c et h ew e a ro f w i r es a w t r a d i t i o n a lp h y s i c a lm o d e l i n gm e t h o di sd i m c u l tt oa c c u r a t e l yd e s c r i b et h es y s t e m ，t h e d h v s i c a lm o d e l i sd i 伍c u l tt oc a h yo u tr e a l t i m ec o n t r o l o ft h ec 吡i n gp r o c e s sa tt h es 锄e t i m e t h e r e f o r c e ，m ep a p e rp r o p o s e st h es y s t e mi d e n t i 6 c a t i o nm e t h o dt o b u i l dt h es y s t e m m o d e l i n g a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ei d e m i 6 c a t i o n m e t h o d ，i td e s i g nt h ee x p e r i m e n t s a n dp r e p r o c e s st h es a m p l i n gd a t at oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m e v e m u a l l yb u i l da s i n 9 1 ei n p u ta n ds i n g l eo u t p u t ( s i s o ) s y s t e md y n a m i c m a m e m a t i c a lm o d e lo fd i f 俺r e n c e e a u a t i o n m e a n w h i l e ，i tt e s t st h em o d e l sa c c u r a c yb yt h er e s i d u a lt e s tm e m o d a n dj u d g st h e m o d e l ss t a b i l i t yi nt i m ed o m a i n i te x a m i n e da n dd i s c u s s e do ft h ea d a p t i v er e g u l a t o ri nt h ea d a p t i v ec o n t r o lm e t h o d t o e s t a b l i s ht h en e g a t i v ef e e d b a c ko ft h es i s oc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m w i t ht h em a c h i n e s f e e dv e l o c i t yt h ei n p u ts i g n a la n dt h es y s t e mo fc u t t i n gf o r c et h eo u t p u tr e s p o n s e ，i tl d e n t l i l c a t e t h es v s t e mi nr e a l 一t i m eb yt h er e c u r s i v el e a s ts q u a r em e t h o d a n de s t a b l i s ht h es y s t e m sf o r e c a s t 西安理工大学硕士学位论文 一_ m o d e l ， a n dt h e nc a l c u l a t et h eo p t i m a lc o n t r o lo ft h es y s t e m b ym i n i m u mv a r i a n c ec o n t r 0 1 i t e s t a b l i s h st h es y s t e m sw h o i em o d e lt os i m u l a t ed y n 锄i c a l l yi nt h em a t l a b s i m u l i n k t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ec o n t r o la l g o r i t h mh a sr o b u s t n e s s ，w h i c h c a na u t o m a t i c a l l v a d ju s tt h es y s t e mf e e ds p e e da n dr e a i i z et h ev a r i a b i es p e e df e e d i n g ， f i n a l l yr e a l i z ec o n s t a n t c u t t i n gf o r c ea n di m p r o v em a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h es y s t e m t h ea r t i c l ed e v e 0 1 pt h ec o n t r o l l e ro fd i a m o n dw i r es a wc u t t i n g ，w h i c h d e s i g nt h e c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o r w a r em o d u l e a d a p t i v ec o n t r o l l e ru s et h es i n 西ec h i pa s t h ec o r ep r o c e s s o rt od r l v et h es t e pm o t o ra n de m b e d d e dw i t h i nt h es e l f 二t u n i n gr i 三g u l a t o rc o n t r o l a l g o r i t h mt oa c h i e v ev a r ia b l es p e e df e e dc o n t r 0 1 。 f i n a l l y ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v ec o n t r 0 1a l g o r i t h mh a sf e a s i b l i t y ， a n dt h ed e v e l o p m e n tb o a r do fc o n t r o l l e rh a sm a n e u v e r a b i l i t y k e yw o r d s ：d i a m o n dw i r es a wc u t t i n g ； a d a p t i v ec o n t r o l ； s y s t e mi d e m i f i c a t i o n ； r e c u r s i v e1 e a s ts q u a r em e t h o d ；m i n i m u m v a r i a n c ec o n t r 0 1 t h i sr e s e a r c hi s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ”b i g d i 锄e t e rt h i ns i cs i n g l ec h i ph i g hs p e e du l t r a s o n i cc u t t i n gm e c h a n i s ma n dp a r a m e t e rc o m r 0 1 ” ( 5 l17 5 4 2 0 ) ，t h es h a a n x ip r o v i n c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a m o fi n d u s t r i a lr e s e a r c hp r o je c t 一” s i cs i n 9 1 e c h i pu l t r a s o n i ca n dm e c h a n i c a lc u t t i n go fk e v t e c h n o l o g yr e s e a r c h ”( 2 0 10 k 0 9 0 1 ) ，s h a a n x ip r o v i n c i a ld e p a r t m e n to fe d u c a t i o np r o j e c t ts i c s l n g l ec h l pc u t t l n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o na n dp r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y ”( 11j k 0 8 4 9 ) ，k e v 1 a b o r a t o r yo ft h em i n i s t r yo fe d u c a t i o np r o je c t ” s i cs i n 9 1 ew a f e rc u t t i n gp r o c e s sc o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 y ”( 1 1j s 0 7 4 ) f u n d i n g 1 v 第一章绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 碳化硅( s i c ) 是由二氧化硅和碳在高温情况下，人工合成的一种碳化物。由于s i c 具有耐磨性、高硬度、抗冲击、高耐腐蚀性以及高温强度等特点，因此被广泛的应用于耐 磨、耐腐蚀和耐高温的工程零部件，是一种新型的高级碳化硅陶瓷材料。同时，s i c 具有 较高的迁移速率、饱和漂移速度和高临界击穿场强等卓越性能，是被半导体界人士共同认 可的“未来材料”，是具有发展潜力的新型半导体材料【l ，2 ，3 j 。随着工业的发展，市场对于s i c 的需求日益增大，s i c 的发展将趋于规模化和生产化，也向大直径和薄片化发展。 s i c 作为硬脆材料的代表性物质，具有硬脆材料所特有的机械力学性能，其理论密度 是3 18 9 c m 3 ，莫氏硬度仅次于金刚石在9 2 9 8 之间，显微硬度3 3 0 0 k g m m 3 。目前，市 场对于晶片的使用要求非常严格，主要集中在表面光滑、无缺陷、无损伤层 4 5 】。因为晶 片的表面加工质量和精度是影响器件性能的直接因素，决定着器件的使用价值，所以在切 割过程中应该保持高的加工质量和加工精度。s i c 单晶从硅棒到晶片制造工艺流程包括： 切割、研磨( 粗、精) 、腐蚀、抛光、清洗、检测【6 】。硅晶片成型工艺中切割作为首要工 序，其切割出来的硅晶片表面质量是影响后面加工工序和加工表面质量的第一要素。 目前，工业上应用最广泛的硅片切割技术是游离磨料线锯切割技术。游离磨料线锯切 割技术攻克了内圆片锯切割技术不能进行多片切割和大直径切割锯口损失小的问题，并且 还具有产生崩片概率小和表面质量损伤层小的优点。但是，对于切割材料去除机理，游离 磨料切割技术主要是靠磨粒的滚压钎入作用，这样容易在硅片表面产生微裂纹，且工件表 面损伤层深度难以控制【_ j 。为了能够提高加工效率、改善加工表面质量，固结磨料金刚石 线锯切割技术的引进很好的解决的这类问题。 固结磨料金刚石线锯切割技术是以钢丝作为基体，在其表面电镀一层金刚石颗粒的金 刚石线锯进行切割的技术。相比于游离磨料线锯切割技术，固结磨料具备如下优点：锯口 损失小、材料去除率高、切片表面质量好、切割环境清洁【6 j 。故此，在硅晶片应用广泛的 今天，固结磨粒线锯切割技术受到越来越多的关注和研究，并且有望成为硅晶片切割技术 未来的主导方向。 1 2 固结磨料金刚石线锯切割技术的研究现状 从2 0 世纪8 0 年代中期以来，固结磨料金刚石线锯切割技术就被应用切割半导体所需 的硅晶片。a n d e r s o n i s z 等人使用了日本y a s u n a g e r 公司的y q l o o 金刚石多线锯切割技术 进行了硅晶体切割晶片实验研究，其切片切缝宽度小于0 1 6 m m ，表面损伤层深度小 5 u m 【8 9 】。日本的小岛和正康等人采用单向行程钢丝进行了高速切割、高精度切割的加工 研究，率先提出单向高速切割理论，解决了8 大口径硅晶片的切割技术【8 1 。更多的对于 金刚石线锯的研究主要还是集中在加工工艺和线锯制造技术的问题上。张辽远等人主要研 西安理工大学硕士学位论文 究的是在线锯丝上施加纵向超声振动，提出了振动机械复合切割的方法切削硬脆材料，分 析材料的去除率和加工表面质量的变化程度，结果表明其方法具有一定的创新性。但是由 于此加工技术还不完善，切割机理尚不明确，故此在实践中还没有得到广泛的应用。张国 林等人研究了往复式金刚石线锯丝的制造，使用6 0 撑钢丝作为基体，金刚石粒度为8 0 拌， 以金属镍作为结合剂，开发线锯丝，研究其使用性能【9 j 。 目前，电镀金刚石线锯切割按工作原理主要分为以下两种形式：往复式和单向式( 环 形) 。这两种切割方式相对于游离磨料均可以得到较好的加工表面质量。往复式电镀金刚 石线锯切割的工作原理如图1 1 所示。往复式金刚石线锯的锯丝可以上下往复运动( 正向 和反向) ，是采用曲柄机构来驱动运动的。往复式电镀金刚石线锯切割机床体结构简单、 适应性较好，可以对各种硬脆材料进行切割加工【l o ，1 1j 。 一般情况下往复式电镀金刚石线锯在切割时，是线锯丝的单面工作，只有一半参与切 削，造成线锯丝磨损不均匀。沈阳工学院的孙建章教授等人开发了一种往复白旋式电镀金 刚石线锯数控切割机，专门用来解决单面工作的缺点，使线锯丝各面在切割过程中都参与 切削，减小单向磨损，提高了线锯丝的有效利用率，但是该切割机床体在切割运动的过程 中，平动机构的惯性会限制切割运动速度的提高，换向时候的冲击较大容易造成锯丝的绷 断 4 1 。 图1 1 往复式金刚石线锯切削原理图 图1 2 环形金刚石线锯切削原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e c i p r o c a t i n gf i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc i r c u l a t i n g e l e c t r o p l a t e dd i a m o n dw i r es a wc u t t i n gp r o c e s se l e c t r o p l a t e dd i 锄o n dw i r es a wc u t t i n gp r o c e s s 往复运动金刚石线锯切割在锯切过程中由于需要频繁改变线锯丝运动方向，致使产生 机械惯性作用，故此，金刚石线锯丝的锯切速度不能很高，强烈冲击易使线锯绷断，且加 工切割效率较低，难以发挥金刚石磨粒的切削性能。针对此问题，很多专家提出采用环形 金刚石线锯切割，其原理如图1 2 所示。此类线锯是将锯丝焊接为环形，通过导轮实现线 锯单向运动，循环切割。其优点是整个锯丝长度均可参与切割，对线锯丝的使用效率高， 切割速度较高( 可达到1 0 2 0 1 1 1 s ) 4 】，切割表面质量好；其缺点是在切割内曲面时，需 要加入引线槽，操作不便。 2 第一章绪论 刘建国、孟剑峰等人利用固结磨料环形金刚石线锯在恒定的压力进给情况下切割单晶 硅，研究线锯丝的运动速度和进给压力对进给速度、材料的去除率以及加工表面质量的影 响。实验结果证明：环形线锯丝运动速度较高，可以达到1 6 耐s 以上，不仅减小了单个金 刚石磨粒的受力，还减小了线锯丝的磨损 9 。现有的资料表明，对于单向式( 环形) 固结 磨料金刚石线锯的研究较少，在切割的过程中金刚石线锯丝的有效工作长度较短是单向式 ( 环形) 最大的缺点，致使线锯丝的磨损较快；另外，线锯丝的横截面面积较小，接头连 接( 焊接) 技术困难等原因，使得环形线锯切割技术多局限于试验室使用阶段，还没有应 用的生产实际中。 目自仃，美国、同本、德国等国家加工矽2 0 0 m m 硅晶片的技术已径相当成熟，开始普 及矽3 0 0 m m 硅晶片的切割技术，并着手研究4 0 0 m m 甚至4 5 0 n u n 超大规格硅片的加工 技术。我国虽然也开始启动了一些项目来推动硅晶片切割的发展，着力开始研究切割技术， 但由于加工主要依靠国外成套设备，而且还采用的是国外早期的加工工艺技术，目前只能 生产2 0 0 m m 的硅片 1 2 】。因此对于大直径、高密度、高效率的硅晶片的切割加工面临着 严峻的挑战。 随着光伏产业和半导体材料的飞速发展，硅晶片的应用范围日趋广泛，且晶片表面质 量要求越来越高。固结磨料金刚石线锯切割技术的快速发展给硅片的应用带来了足够空 间，该技术日后发展的趋势主要集中在以下5 个方面【8 】： ( 1 ) 高速切割。随着超硬材料加工技术和市场需求量的增大，只有线锯丝的切割速 度不断提高，进而提高生产效率才能满足市场的需求量。往复式金刚石线锯的切割速度仅 为2 3 州s ，其生产效率较低，且经济成本高，不足以体现金刚石线锯切割工具的卓越性 能，而且使金刚石磨粒的利用率降低，而单向式( 环形) 金刚石线锯的切割速度则可提高 到2 0 州s 以上，其生产效率可以提高好几倍。 ( 2 ) 精密切割。影响金刚石线锯切割精度的主要因素是进给速度，一定情况下切割 时进给速度的快慢直接影响线锯丝的弯曲程度，导致了锯切力的变化这样加工表面质量会 下降。通过采用负反馈数控系统实现智能化控制调整工作台的进给速度，实现变速进给系 统保证恒定的切削力进行切割，能够有效的控制线锯丝的弯曲，从而提高切割加工精度和 线锯的使用寿命。 ( 3 ) 自动编程与多轴联动。基于软件硬件自动化控制技术的发展，使得数控切割编 程系统将更加完善，最后趋向于自适应控制技术发展，即系统根据自身的切削条件自动进 行调节，以适应控制的要求。同时，w i n d o w s 和a u t o c a d 的编程系统将逐渐提高系统编 程效率，并且可以切割形状较为复杂的曲面，实现智能化切割。 ( 4 ) 振动切割。机械超声振动复合切割技术是未来发展的趋势。同本针对于振动切 割技术做了深入的研究，并在实际的应用中发现振动切割的效率远远高于普通无振动切 割，效率是普通切割的3 倍，并且有效的降低了切削力，提高切割加工的精度，延长了线 锯的使用寿命。 西安理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 多线锯切割。随着生产技术的发展，多片切割技术是未来市场发展的要求。其 一次可以进行上百片的切割，相对于单片切割技术其生产效率远远增大。但是，由于其技 术难度大，且结构复杂，故此，需要经历一个长期的发展峭j 。1 9 9 8 年k o i i m a 研发出用于 加工大规模集成电路散热器的一种多线锯切割技术，极大的推动了多线锯切割的技术，其 可以使线锯丝的长度达到3 0 0 5 0 0 k m ，最大时的线锯运动切割速度可以达到9 0 0 1 1 1 m i n 【8 j o 1 3 本研究领域存在的问题 固结磨料金刚石线锯切割无论是往复式还是单向式，由于其结构的原因在加工过程中 都带来了一定工艺问题。往复式金刚石线锯切割的特点是线锯丝运动存在频繁的换向，这 样能够很好提高线锯的使用效率，但是，同时由于机械惯性力的作用，线锯丝的运动速度 不能过高，过高会造成线锯在换向期问受到瞬间冲击力而绷断。故此，往复式金刚石线锯 切割线锯运动速度一般控制在2 3 州s 。由于结构原因带来了以下的问题： ( 1 ) 线锯绷断现象致使切片崩裂。在切削过程中由于线锯使用寿命和机器的工作稳 定性使得线锯经常出现绷断，同时使得切片碎裂，如图1 3 ( a ) 所示。切削过程中如果 出现线锯绷断，需要重新安装线锯，由于安装误差等因素影响，每次进行切割时的纹路在 工件表面上体现的非常清晰，如图1 3 ( b ) 所示。 ( a ) 崩片现象 ( b ) 切削表面质量 图1 3 金刚石线锯切割中的问题 f i g 1 3t h ep r o b l e m so fd i a m o n dw i r es a wc u t t i n g ( 2 ) 线锯弯曲现象。在此过程中容易造成线锯弯曲使得接触弧长增加，从而使切削 力度加大。在线锯磨损的情况下不同的进给速度、不同的工件半径造成的线锯弯曲程度都 有所不同。如图1 4 所示，同一进给不同半径下的弯曲现象。图中工件为玻璃只为说明线 锯弯曲程度，方便看到线锯弯曲现象。 ( 3 ) 金刚石线锯丝的运动速度低，限制了加工效率的提高。线锯丝的运动速度是直 接影响着生产效率的主要因素。速度低即单位时间内通过工件表面的金刚石颗粒数减少， 使得效率降低。 ( 4 ) 工件表面质量纹路痕迹明显，影响加工表面质量。由于线锯丝运动的频繁换向， 切割时其运动速度会经历过程：平稳一减小一停止一增大一平稳。而这样的现象直接在工 第一章绪论 一一一 件的表面表现出来，可以看到很明显的波纹痕迹。 ( 5 ) 锯切力时刻在发生变化。在整个切割的过程中由于多种因素，如线锯的磨损、 机床的振动、切削液的浓度、线锯的张紧力等一些未知因素等有可能导致锯切力的变化。 ( a ) 半径大时弯曲程度 ( b ) 半径小时弯曲程度 图l 一4 不同半径下的线锯弯曲现象 f i g 1 4p h e n o m e n o no f w i r es a w b e n d i n gu n d e rd i f 五：r e n tr a d i u s 1 4 自适应控制系统 固结磨料金刚石线锯切割由于电镀一层金刚石颗粒，故原理类似于砂轮切割原理，其 材料去除机理也和磨削去除机理相似。因此，其切割具有磨削加工的一些特点：切割速度 大和切割效率高。切割速度提高的同时也减小了单颗磨粒的切削层厚度，使工件的表面损 伤层浅，降低加工废品率【9 j 。但是往复式金刚石线锯丝运动存在频繁交替的换向，受到惯 性力的影响，在换向时产生的冲击要求线锯丝运动速度不能太高；由于金刚石线锯丝的往 复运动，线锯丝的运动规律会在切割工件表面上反映出来，导致切割表面上遗留下辐射状 的波纹痕迹，降低了切割表面的精度。为此本文设计了使用自适应控制的方法控制机床的 进给速度，使得线锯在往复式变相的过程中进给停止。另外采用白适应控制的方法，使的 切削力在整个过程中保持恒定。 1 4 1 自适应控制问题的提出 过程 ( 被控系统) 信号 图1 5 控制系统的组成 f i g 1 5t h ec o m p o s i t i o no f t h ec o n t r o 】s y s t e m 在实际控制过程中，存在各种各样的被控对象，它们的结构、复杂程度和外界环境可 能各不相同，但是采用控制的目的是基本相同的，都是为了使它们的状态或运动轨迹符合 某个预定的要求，即使被控对象的运动状态性能满足预先设定的性能目标。控制系统的组 西安理工大学硕士学位论文 成如图1 5 所示。 如果系统的被控对象传递函数已知，则可以采用经典控制理论的方法来设计控制器， 使控制系统的动态性能指标( 超调量、振荡次数、调节时间) 满足要求。若已知过程的运 动数学模型，就可以使用最优控制理论设计控制器，使控制系统的某些性能指标最优。然 而，在实际的过程控制中，被控对象的数学模型由于受到各种不确定性因素的影响，使其 很难准确的确定。即便在一定条件下确定了数学模型，但在外界条件改变后，其动态参数 乃至模型的结构仍经常发生变化。 针对不确定性系统的问题，很多学者已经提出了一种适用的控制方法，即自适应控制 ( a d a p t i v ec o m r 0 1 ) 。与传统的控制方法相比，自适应控制最显著的特点是控制策略和控制 规律可以建立在未知系统的基础上。自适应控制不但能克服外界干扰、系统工作状态环境 变化和系统本身参数变化的影响，在一定的程度上还能够有效地消除模型化误差的影响 【l3 ，1 4 j 。从这个角度出发，白适应控制范围更加广泛，控制程度更加深入。 1 4 2 自适应控制系统的特征 自适应控制通过不断地检测系统的输入、输出、性能参数和状态，逐步了解对象的动 态性能。然后，根据所测量的信息，按照一定的控制方法做出控制决策来更新控制器的结 构、参数或控制作用，使系统的性能达到最优或次优。自适应控制系统主要包含以下3 个基本特征u 九1 6 j ： ( 1 ) 系统自身不断进行检测和信息处理。在线积累过程信息的目的是降低被控对象 原有的不确定性，提高系统对象的精确性。故此，可用系统辨识的方法在线辨识被控系统 的结构参数，也可以通过检测来反映过程状态的某些辅助变量，间接积累过程变化的信息。 ( 2 ) 调整可调控制器，使整个系统保持在最优或次优的工作状态下运行。可调控制 器是指能够自动调整系统的结构、信号和参数，根据既定的性能指标变化。被控对象的不 确定性决定了可调控制性，否则无法对过程实现有效的控制。 ( 3 ) 进行系统性能评价准则的优化，制定最优自适应控制规律。 现代控制方法的重要组成部分就包含自适应控制，即在一般反馈控制系统基础上增加 了自适应控制模块和在线辨识器。同一般反馈控制比较有如下特点； ( 1 ) 一般反馈控制系统主要集中于具有确定性的系统对象，自适应控制主要的特点 是研究具有不确定性的系统对象、事先难以确定的系统或未知系统，其更广泛的应用在实 际过程中。 ( 2 ) 白适应控制应用在干扰系统中，能够对系统进行自动辨识和在线实时修改的能 力，因而可以消除状态扰动引起的系统偏差，还可以消除由结构扰动引起的系统误差，而 一般反馈控制只能够消除状态扰动引起的系统误差。 ( 3 ) 一般反馈控制系统进行设计控制前必须确定系统的确定性数学模型( 运动方程) 和外界条件变化的状况。然而，自适应控制系统设计只需要较少的先验知识，很少依靠数 学模型，通过计算机技术就能实现系统的控制。 6 第一章绪论 1 5 恒力切削控制 切削力是一个非常重要的评价切削过程的参数，其值的大小反应着系统的工作状态， 也体现在工件的表面上，从工件表面质量便可以看出切削力大小的影响。故此，在切削的 过程中应该尽可能使在恒定的切削力下进行，以提高表面精度。恒力切削在各个加工领域 中都得到了广泛的应用和深入的研究。 陈玉良和赵永生【1 7 j 对铣削加工进行了深入研究，提出了通过优化白适应控制的方法 对切削中的加工参数进行在线测量，使系统保持恒定的切削以提高生产效率和加工精度。 其思想独特，将智能化控制应用在切削加工中，提出从控制系统的角度解决问题。 林岗 18 】等人将模糊控制技术应用在车削加工过程控制中，解决过程的复杂性，建立 车削加工的模糊自适应控制系统，实现系统加工过程中恒定切削力的控制目标。并在 m a t l a b 软件平台上进行了仿真，为实现加工过程恒力切削提出了有效的方法。 匡昱【l 址2 0 j 针对金刚石刀具研磨分析了造成压力波动的因素，提出自适应控制的方法， 对切削过程中的研磨压力实现自适应控制，提高磨削的精度。杨杰【2 1 ，2 2 1 等人建立x y - 4 型 钻机加工系统，建立系统对象的数学模型，设计模糊p i d 控制器，从自适应控制的角度 实现恒钻压钻进的目的。 1 6 本课题研究的主要内容 本文主要针对w x d l 7 0 型往复式固结磨料金刚石线锯旋转点切割机床体的研究。通 过控制的方法解决线锯丝频繁换向时所造成的影响。控制影响切削最主要的参数进给速 度，即使系统在有强烈外界干扰的情况下，或是其它未知影响因素的情况下，都能够使系 统在既定的性能下，实现变速进给保证恒定的切削力进行切割。 ( 1 ) 系统特性分析及实验方案设计。研究往复式金刚石线锯切割时的系统状态，分 析切割系统的影响因素。确定系统辨识的方法建立系统数学模型，根据辨识原理设计实验， 采用单因素法则设计实验。对实验得到的测量数据进行预处理，分析切削力的变化情况， 提高数据的可靠性和提高系统的辨识精度。 ( 2 ) 数学模型的建立。经对系统工作状态的分析确定系统为一随机系统模型，采用 系统辨识的方法建立单输入单输出( s i s o ) 系统的动态差分模型，即建立进给速度v ，和 切削力f 之间的数学模型，并在时域内对系统的稳定性进行了判定。 ( 3 ) 白校正调节器控制。采用自校正调节器的在线控制方法实时的对系统进行控制。 利用递推最小二乘法的在线辨识系统的数学模型参数，结合最小方差控制的方法经过预报 模型计算自适应控制率。经过不断的在线实时辨识反应系统的工作状态，实现智能控制方 法使进给速度根据切削力的变化而变化实现变速进给，达到恒力切削。 ( 4 ) 系统硬件的设计。以单片机为核心，内部嵌入智能控制算法。利用a d 数模转 换器将采集来的力e 和线锯的运动速度v 。的模拟信号转化为数字信号输入到单片机中， 经过自校正调节器控制算法的计算输出脉冲信号给步进电机驱动器，然后再由驱动器来驱 西安理工大学硕士学位论文 动步进电机运转来改变进给速度。同时，再经单片机将脉冲信号输出给d a 最后显示在 示波器上面。电路设计包括最小系统电路设计，步进电机各相驱动电路、d a 转换器和 a d 转换器与单片机的连接电路。 ( 5 ) 系统软件的设计。系统软件主要分为系统的初始化、数据采集处理、控制算法 流程、d a 转换器和a d 转换器的驱动程序以及步进电机的驱动程序。初始化各变量使 步进电机的各引脚均输出高电平，便使进入待机状态。 第二章金钢石线锯切割系统分析 2 金刚石线锯切割系统分析 2 1 金刚石线锯切割系统 2 1 1 金刚石线锯切割工作原理 本文主要针对固结磨料往复式金刚石线锯旋转点切割的研究，所研究的对象是 肜囝1 7 0 型往复式电镀金刚石线锯旋转点切割机，其实验装置如图2 1 所示。 图2 - 1 往复式电镀金刚石线锯切割实验装置 f i g 2 - 1t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo fr e c i p r o c a t i n ge l e c 仃o p l a t e dd i a m o n dw i r es a wc u t t i n g 1 滚筒2 线锯3 一张紧轮4 一导论5 一切削液装置6 工件 7 一x 轴步进电机8 微型电机9 y 轴步进电机 该实验装置的运动主要通过四个运动来实现的：线锯的往复运动、工件的自转运动、 工作台x 轴进给运动和工作台y 轴运动( 调整切片的厚度) 。其中线锯的运动是直线往复 式运动，由滚筒带动运动，滚筒自动进行绕线和放线，使线锯运动速度在o 3 州s 之间无 极可调。工件自转运动是由微型电机驱动进行顺时针旋转，其运动速度在0 3 0 印m 之间 无极可调。工作台的进给运动是由x 轴步迸电机驱动工作台带动工件进给，其速度可以 在o 1 5 舢“m i n 之间进行无极可调。工作台y 轴运动是由步进电机驱动工作台运动可调 整工件切片的厚度。在金刚石线锯切削的过程中，线锯的往复运动、工件的白转运动和工 作台x 轴进给运动的合成运动完成切削运动，这三个因素之间相互关联，这三个独立运 动系统合成金刚石线锯切削运动。 往复式金刚石线锯旋转点切割工作原理图如图2 2 所示，工件垂直于线锯进给运动其 速度用v ，表示，同时保持一定的转速，2 。进行白转，使得工件和线锯的接触始终保持点接 触。线锯的运动速度v 。存在往复式( 正反) 运动，其切削的正反周期是由线锯的长度决 q 西安理工大学硕士学位论文 定，通过滚筒电机的控制系统决定线锯的运动情况。该实验装置通过张紧轮来调节工作时 线锯的张紧力p ，张紧轮通过气动装置来提供压力，确定其位置的变化来保证线锯的张紧 力。导轮确定线锯运动的导向，使得在有效的切削空间中保持和工件垂直。最后，所有运 动的影响都集中在线锯与工件的点接触部位。 图2 2 往复式金刚硝线锯旋转点切割工作原理图 f i g 2 2s c h e m a t i co fp r i n c i p l ef o rr e c i p r o c a t i n gw i r es a wc u t t i n g 张洁、胡碧君等人研究了金刚石线锯切削参数对表面质量的影响，对切割精度和表面 质量影响最大的因素是工作台的进给速度，其次是线锯运动速度，再次是工件的自转速度 2 3 。此三者因素是直接影响工件的切削质量，且是影响最显著的3 个因素。另外，影响 切割表面质量和切割精度的因素还包括线锯的磨损、张紧力的大小、机床振动、切削液等 其它一些未知的影响因素。这些因素在切割的过程中都难以控制，且影响还比较大属于非 控制因素。 在切割s i c 的切削过程中，锯切力作为一个重要的切削过程评价参数。锯切力的大 小不仅能够反映整个切削过程中线锯与工件的相互干涉过程、评价切削过程的锯切效果、 而且还可以在一定程度上预测切削表面质量及切削损伤层深度【2 引。往复式旋转点切割切 削时的切削力主要包含两部分：线锯上面所电镀的金刚石颗粒同工件的刻划产生的切削力 和表面之间摩擦产生的摩擦力。在正常情况下切削力是由两者共同作用，在线锯运动速度 发生变化的情况时，切削过程中随着速度的变化摩擦力的影响将逐渐占具主导地位。该系 统中线锯的切削力分为两个方向的力：切向切削力e 和法向切削力b 。经前人研究切向 切削力的影响大于法向切削力。 在切削过程中单颗磨粒的受力情况如图2 3 所示。在锯切的过程中，单颗磨粒同时受 到两个方向的力即法向切削力耳和切向切削力e 口川。切向切削力对于工件的切削影响显 著，该方向切削力直接受到线锯运动速度方向变化的影响，因为切削时线锯速度和工件自 转速度的合成速度发生了变化，直接导致切削力发生变化。故此，本次系