趙德權(quán)，李　翠，蘇　琳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

晶體磨床操控器設(shè)計(jì)

趙德權(quán)，李翠，蘇琳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

隨著材料科學(xué)研究的深入，對(duì)晶體的精細(xì)加工已成為一種趨勢(shì)和要求。因此，在新一代磨床設(shè)計(jì)上，使用了雙電機(jī)調(diào)速及聯(lián)動(dòng)的方式，改進(jìn)了工藝，提高了生產(chǎn)效率。通過進(jìn)一步優(yōu)化操控器，對(duì)模擬通道進(jìn)行了非線性校正，即通過分檔處理，采取整檔位校準(zhǔn)和檔內(nèi)線性插入的方法，有效地改善了控制曲線，提高了控制精度。采用12位D／A轉(zhuǎn)換器，既保證調(diào)節(jié)的細(xì)膩平滑，也為校準(zhǔn)預(yù)留了足夠的映射空間，最終使系統(tǒng)在數(shù)字層面上實(shí)現(xiàn)了糾偏。同時(shí)還引入一些輔助手段，增加存儲(chǔ)器，以保存機(jī)器參數(shù)和建立輸入數(shù)據(jù)索引表，設(shè)立定時(shí)器、報(bào)警器和密碼鎖，以方便生產(chǎn)過程管理。

晶體；研磨；操控器；映射；傳遞；調(diào)速；非線性校正；加密

1　引　言

晶體材料因其特殊結(jié)構(gòu)而具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，相對(duì)這些性質(zhì)都存在著一系列的功能材料，并由此可制備成各種器件而獲得廣泛應(yīng)用。在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，成為一個(gè)關(guān)鍵性因數(shù)，決定著發(fā)展的程度和水平。近年來，各種針對(duì)晶體的研究開始熱絡(luò)起來，一些相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐漸興起，進(jìn)一步支撐和促進(jìn)了材料科學(xué)的進(jìn)步。

因?yàn)榫w材料比一般材料要硬許多，加工起來比較困難，所以，一些先進(jìn)的設(shè)備也開始研究制造，像切割，研磨等工藝方面的程控裝備，國(guó)內(nèi)已有公司開始涉足，或與國(guó)外進(jìn)行合作生產(chǎn)，并轉(zhuǎn)銷世界各地。處理手段的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了研究的深入，許多大學(xué)和機(jī)構(gòu)開始投入一些資金和人力進(jìn)來，前景令人期待。

2　磨床概述

晶體磨床由機(jī)械框架、承載盤和磨盤等構(gòu)成。承載盤固定工件，盛放研磨液；磨盤卡掛磨石或砂輪。工作時(shí)，承載盤和磨盤在兩臺(tái)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)下同向旋轉(zhuǎn)［1］，工件和盤間壓力由壓空傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供并調(diào)節(jié)。側(cè)后裝有除熱風(fēng)扇和排氣道以及壓空進(jìn)氣口，上部有防護(hù)面罩，并設(shè)連鎖開關(guān)。氣泵作為輔件，可以選配。

承載盤電機(jī)為交流電機(jī)，由變頻器進(jìn)行調(diào)速，速度為0～250r／min；磨盤電機(jī)為直流電機(jī)，由直流調(diào)速器控制，速度介于0～300r／min之間。

變頻器和直流調(diào)速器接收操控器送來的模擬控制量，幅度為0～10V的電壓。

控制臺(tái)面含有操控面板，壓空調(diào)節(jié)閥以及聲光報(bào)警設(shè)施，右手側(cè)設(shè)置啟動(dòng)、停止按鈕和緊急制動(dòng)按鈕。各型研磨設(shè)備大小迥異，功能配置也不盡相同，最大的區(qū)別在效率和精度上。

3　操控器結(jié)構(gòu)

操控器主要提供人機(jī)界面，輸出雙路模擬調(diào)速電壓，以及對(duì)變頻器的運(yùn)行／停止、正／反轉(zhuǎn)等狀態(tài)控制。其中變頻器和直流調(diào)速器的選型，決定和約束了操控器的指標(biāo)和功能設(shè)置，而操控器的優(yōu)劣又直接代表和體現(xiàn)了設(shè)備的性能和檔次。

操控器一般包含下列功能模塊：①控制變頻器的DAC通道［2－3］；②控制直流調(diào)速器的DAC通道；③運(yùn)行／停止控制開關(guān)，正／反轉(zhuǎn)控制開關(guān)等；④鍵盤輸入；⑤顯示輸出；⑥存放機(jī)器參數(shù)的外存（24C01）；⑦定時(shí)器（DS12887）；⑧報(bào)警。

4　模擬通道設(shè)計(jì)

（1）DAC轉(zhuǎn)換接口

圖1為第一路“DAC通道”，DQ11－DQ0為DAC的12位數(shù)據(jù)輸入端，SEC0為口地址選擇端，／WR為寫入控制端，信號(hào)來自于微處理器的輸出端口［4］。由于U0工作電壓接＋5V，參考電壓Vref也接＋5V，限定OUT1滿檔輸出就為5V，經(jīng)U3A的負(fù)反饋調(diào)理，使得輸出更加穩(wěn)定。當(dāng)DQ11－DQ0滿檔輸入為FFFH時(shí)，OUT1為5V，當(dāng)輸入為0時(shí)，OUT1為0V；再經(jīng)U3B運(yùn)放的零點(diǎn)修正、放大和極性調(diào)整［5］，滿檔輸出調(diào)在接近＋12V，U4A是跟隨器，起緩沖作用并維持信號(hào)幅度不變，G1為射隨器，增加驅(qū)動(dòng)能力，再經(jīng)R4調(diào)節(jié)輸出為10V電壓。

通道校準(zhǔn)步驟：①數(shù)據(jù)輸入為0，調(diào)R0電位器使U3B輸出為0V；②輸入數(shù)據(jù)為滿檔（FFFH）調(diào)可變電阻R3，使U3B輸出為12V；③輸入數(shù)據(jù)為半檔（7FFH），微調(diào)可變電阻R3，使U3B輸出接近6V；④微調(diào)R3和R4，使得OUT－1半檔輸出約為5V，調(diào)節(jié)可變電阻R4，使OUT－1點(diǎn)的電壓滿檔輸出為10V；⑤微調(diào)R0，使輸入為0時(shí)，OUT－1輸出接近0V。重復(fù)上述過程，最終使得10V、5V和0V這三個(gè)點(diǎn)位的誤差保持均衡，DAC的輸入和輸出關(guān)系可以認(rèn)為是“線性”了。

第二路DAC除SEC0改為SEC1外電路完全一致，調(diào)節(jié)方式相同。

圖1　DAC通道

（2）線性傳遞函數(shù)

變頻器的映射關(guān)系為：

若輸入Z（0≤Z≤10V），輸出Y（0≤Y≤250r／min）

直流調(diào)速器的映射關(guān)系為：

若輸入Z（0≤Z≤10V），輸出Y（0≤Y≤300r／min）

12位DAC通道映射關(guān)系為：

輸入為X（0≤X≤FFFH），輸出為Z（0≤Z≤10V）

（1）與（3）合并，就有變頻通道傳遞函數(shù)：

（2）與（3）合并，則有直流調(diào)速通道傳遞函數(shù)：

（3）非線性校正

采用12位D／A轉(zhuǎn)換芯片，可以使無級(jí)調(diào)速做得很精細(xì)，但是，由于DAC通道及調(diào)速環(huán)節(jié)的畸變，會(huì)產(chǎn)生線性失真，使得某些點(diǎn)位的轉(zhuǎn)速嚴(yán)重偏離實(shí)際。就一臺(tái)機(jī)器而然，速度的大小僅僅是個(gè)概念數(shù)，只要具有可調(diào)性和重復(fù)性即可，若多臺(tái)機(jī)器混用，會(huì)造成工藝參數(shù)的不確定，需要進(jìn)行再摸索，以免造成不必要的麻煩。

另一方面，在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)速度點(diǎn)的精度要求會(huì)很高，不允許出現(xiàn)超差。而非線性往往會(huì)導(dǎo)致調(diào)校時(shí)兩頭難顧，靠調(diào)節(jié)電位器來對(duì)表的方式，極端情況下，或可只能滿足一個(gè)點(diǎn)的糾偏。因此，要形成多點(diǎn)對(duì)應(yīng)，需要進(jìn)行一次非線性調(diào)整。

事實(shí)上，無論畸變發(fā)生在調(diào)速環(huán)節(jié)還是D／A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，只要總的傳遞函數(shù)Y＝F（X）是單調(diào)遞增的［7］，即對(duì)于任意的X（0≤X≤FFFH）都有唯一的Y（0≤Y≤250，或0≤Y≤300）與之對(duì)應(yīng)，反之亦然，即有X＝F－1（Y）成立，且當(dāng)X0≤X1時(shí)，F(xiàn)（X0）≤F（X1），反函數(shù)也有相同的特性。由于線性失真，若Y域中離散點(diǎn)是均勻分布的，在X域中對(duì)應(yīng)點(diǎn)則呈現(xiàn)非均勻分布，當(dāng)這種對(duì)應(yīng)結(jié)果確定之后，X數(shù)據(jù)可由Y進(jìn)行索引。

因?yàn)楹瘮?shù)是未知的，當(dāng)以輸出量Y來確定輸入量X時(shí)，需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，形成這種數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系的過程，即為非線性校正。當(dāng)Y值很大時(shí)，全部精細(xì)校正會(huì)很費(fèi)時(shí)，可以采取分檔處理的方法，即只在每個(gè)檔位上進(jìn)行校正，檔與檔之間采用線性插入，這種方式既保證了精度，也使調(diào)校過程變得更加簡(jiǎn)單方便。

若設(shè)檔距為d［1≤d≤50（r／min）］，檔位Q與輸入量P的索引關(guān)系為：P＝f（Q），且為遞增函數(shù)，（P，Q為自然數(shù)），對(duì)于轉(zhuǎn)速Y，令m＝Y(jié)／d（取整），n＝Y(jié)%d（取余），則m即為檔位數(shù)，n即為偏移量。輸入量的線性插入算式就為：

關(guān)系式（6）即為檔位校正檔間線性插入的計(jì)算公式，而（4）和（5）兩式則用來計(jì)算各自檔位點(diǎn)的初值，并形成兩個(gè)未經(jīng)校正的索引表［5］。此時(shí)，用（6）式計(jì)算輸入量與用（4）式（或（5）式）計(jì)算輸入量是等價(jià)的，因當(dāng)前仍屬于線性映射。因此，發(fā)生校正后，用（6）式算得的結(jié)果，則更為接近實(shí)際。

以電機(jī)轉(zhuǎn)速為目標(biāo)的控制方式，即通過速度反求控制輸入量，可以做到平滑調(diào)速。如用（4）和（5）式計(jì)算，當(dāng)Y取1時(shí)，算得的值分別為X1和X2，則X1／10*K，X2／10*K（K為正整數(shù)）可作為調(diào)校變量，K越大，調(diào)節(jié)量越大，當(dāng)K＝10時(shí)，調(diào)節(jié)量約影響1轉(zhuǎn)的變化。定義K（1≤K≤99）為調(diào)校系數(shù)，在操控界面部分將詳細(xì)介紹。

5　控制信號(hào)生成

圖2為繼電器輸出控制邏輯圖，對(duì)變頻器的控制輸出信號(hào)，一般都為開關(guān)量，包括：“運(yùn)行”、“停止”、“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“復(fù)位”等。對(duì)于具體設(shè)備上的使用，一些信號(hào)可以“接死”，如旋轉(zhuǎn)方向就可以固定為正轉(zhuǎn)，復(fù)位等功能不選用，實(shí)際需要控制的就是運(yùn)行和停止，一些變頻器這兩個(gè)功能合并為一個(gè)端子，接地為運(yùn)行狀態(tài)，懸空或接高為停止?fàn)顟B(tài)，所以使用一組繼電器（含常開、常閉觸點(diǎn)）實(shí)施控制即可。

對(duì)于直流調(diào)速器而言，除了調(diào)速模擬量以外，沒有開關(guān)量控制，理論上，當(dāng)模擬輸出量為0時(shí)，就可以關(guān)機(jī)。但直流調(diào)速器若出現(xiàn)“零飄”，直流電機(jī)則不能徹底停下來，還存在著輕緩轉(zhuǎn)動(dòng)。一般需要對(duì)直流調(diào)速器調(diào)校時(shí)留有一定的輸入門檻電壓，使操控器送來的電壓低于這個(gè)門檻時(shí)不能啟動(dòng)，這也使直流調(diào)速器的傳遞關(guān)系發(fā)生微小改變，這是問題的一個(gè)方面。另一面，當(dāng)操控器輸出發(fā)生“零飄”時(shí)，也可能引起上述現(xiàn)象。在操控器層面，送出的模擬量可以做些預(yù)處理，即通過繼電器傳遞后，再接給直流調(diào)速器，當(dāng)停止發(fā)生時(shí)，繼電器切向模擬地，而無需置“0”模擬量，并確保停機(jī)。當(dāng)然，調(diào)速器要以三級(jí)儀表標(biāo)準(zhǔn)（輸入1～10V，而非0～10V）來設(shè)計(jì)，使0～1V為死區(qū)，或本身增加關(guān)斷設(shè)置，就不會(huì)發(fā)生這種問題。因此，對(duì)直流調(diào)速器的控制也要使用一組繼電器。

采用機(jī)械觸點(diǎn)的繼電器切換，使操控器輸出控制端與變頻器（或調(diào)速器）的輸入端形成電隔離，模擬通道的數(shù)字輸入端與微控制器邏輯連接端，由光隔電路分開，兩邊不共地，輸入側(cè)的數(shù)字地與輸出側(cè)的模擬地之間跨接10MΩ電阻，以減少共模壓差。至此，操控器除了模擬通道，均與變頻器（包括調(diào)速器）實(shí)現(xiàn)了電隔離，這樣做有利于系統(tǒng)的抗干擾。

第一組繼電器控制變頻器的啟停，當(dāng)繼電器斷開時(shí)，變頻器的24V電壓通過常閉（NC）觸點(diǎn)接到變頻器的啟／停控制端，使變頻器停止運(yùn)行；當(dāng)繼電器合上時(shí)，變頻器的模擬地Agnd通過常開（NO）觸點(diǎn)連到啟／?？刂贫?，使變頻器開始運(yùn)行。

第二組繼電器的控制方式有些類似，模擬地Agnd和直流通道的模擬輸出量Aout2通過繼電器實(shí)現(xiàn)切換，繼電器合上時(shí)，輸出端接通模擬量，控制直流調(diào)速器工作；繼電器斷開時(shí)，輸出端連接模擬地，使調(diào)速器制動(dòng)。系統(tǒng)提供兩組集電極開路信號(hào)（OC1和OC2）來驅(qū)動(dòng)三極管（G1和G2），用于控制12V的通斷使繼電器動(dòng)作。

圖2　繼電器輸出控制

6　操控界面

顯示由12位（米字型）數(shù)碼管構(gòu)成：前4位狀態(tài)欄，后8位信息欄。承載盤轉(zhuǎn)數(shù)和磨盤轉(zhuǎn)數(shù)同欄顯示，形如“moto△300▽250”；檔距和調(diào)校系數(shù)同欄顯示，形如“adj d＝10K＝99”；實(shí)時(shí)時(shí)間設(shè)置形如“timeX－23－59”，日期形如“date15－12－31”（高兩位20隱含）；運(yùn)行時(shí)間設(shè)定形如“timeR 23－59”。

鍵盤由速度調(diào)節(jié)鍵（↑↓）、選項(xiàng)鍵（←→）、運(yùn)行鍵（RUN）、停止鍵（STOP）、校準(zhǔn)鍵（COR－）、密碼鍵（KEY）組成。設(shè)置參數(shù)時(shí)，每按一次“↑”當(dāng)前調(diào)節(jié)項(xiàng)加1，若鍵不抬起，間隔500ms連續(xù)加1，連續(xù)超過10次，變?yōu)榧?0，…，直到抬起鍵，結(jié)束加速狀態(tài)?！啊辨I為反方向調(diào)整?！啊焙汀啊睘檫x項(xiàng)鍵，方向互反。選中的項(xiàng)目閃爍，項(xiàng)目包括承載盤轉(zhuǎn)速，磨盤轉(zhuǎn)速，檔距，調(diào)校系數(shù)，運(yùn)行時(shí)間等。10s內(nèi)無鍵鍵入則停止閃爍，輸入的內(nèi)容存入到DS12887ram中暫存［8］。

改變檔距要十分謹(jǐn)慎，如若新舊檔距成倍數(shù)關(guān)系，將使重合點(diǎn)重置到新的索引表中，非重合點(diǎn)，將以線性方式映射，否則，將全部進(jìn)行線性化映射，機(jī)器運(yùn)行后，以前的校正結(jié)果將丟失。

按RUN鍵將啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行，并將DS12887中更改的系統(tǒng)參數(shù)轉(zhuǎn)存到AT24C01中。按STOP鍵將停止運(yùn)行，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。COR－鍵為調(diào)校鍵，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)為檔距的整數(shù)倍時(shí)，此鍵才起作用，否則告警提示。按下該鍵，狀態(tài)顯示“COR－“，選擇項(xiàng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)，以調(diào)校系數(shù)所決定的調(diào)校量作為每步的基值，按“↑”和“↓”鍵增減，按“←”鍵將減少調(diào)校量（K值變小），按“→”鍵將反向改變。同時(shí)用測(cè)速表測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速，以當(dāng)前示數(shù)對(duì)表，直到調(diào)到滿意為止，再按一下COR－鍵，狀態(tài)顯示消失，調(diào)校的值便存入索引表。調(diào)校不必一次完成，隨時(shí)都可以進(jìn)行。產(chǎn)生報(bào)警時(shí)按任意鍵即消除。

7　密碼設(shè)置

密碼設(shè)置方法：首次設(shè)置密碼，按下KEY鍵，數(shù)碼管前四位顯示“KEY＋”。除了KEY鍵外，其它鍵皆可作為密碼位輸入，并按↑↓←→RUN STOP VER－順序取值1234567，密碼設(shè)置位最多8位，設(shè)置完成按KEY鍵，密碼生效，如不輸入內(nèi)容，按KEY鍵則取消設(shè)置。有密碼設(shè)定時(shí)，重新開機(jī)以“KEY＋”方式詢問密碼，回答正確進(jìn)入開機(jī)界面，機(jī)器參數(shù)由AT24C01轉(zhuǎn)入DS12887ram中，否則告警提示5s。已有密碼情況下按KEY鍵，進(jìn)入詢問密碼狀態(tài)“KEY＋”，如果輸入不正確或者不輸入，再按下KEY鍵則取消詢問。在詢問狀態(tài)下密碼回答正確，則顯示修改狀態(tài)“KEY－”，輸入的數(shù)值將作為新的密碼，按下KEY鍵生效，如果不輸入信息，直接按KEY鍵，則取消密碼設(shè)置。

這一種加密使用，是為操作者設(shè)置的，某臺(tái)機(jī)器只有持有密匙的人可用，方便單位出于安全方面的管理。生產(chǎn)廠家會(huì)給使用單位一組密碼，用以禁止加密或解除加密，以防止或糾正人為的誤操作。

按KEY鍵出現(xiàn)“KEYX”為禁止?fàn)顟B(tài)，意味著只能由高層管理者輸入唯一的密碼進(jìn)行操作。輸入正確，顯示“KEY－0”，按“→”切換到“KEY－1”，按“←”回切，前者為禁止，后者為允許，按KEY鍵生效。在禁止?fàn)顟B(tài)，不接受其它非正確的信息，高級(jí)管理者在“KEY＋”詢問狀態(tài)時(shí)，也可用同一密鑰進(jìn)入操作。另一種與定時(shí)有關(guān)的加密為廠家保護(hù)密碼，只有廠家可以解鎖。

采用DS12887時(shí)鐘芯片進(jìn)行定時(shí)，該芯片內(nèi)置鋰電池，保存數(shù)據(jù)10年，具有128個(gè)字節(jié)單元可尋址，并有定鬧功能。引入時(shí)鐘除了定時(shí)、臨時(shí)存儲(chǔ)機(jī)器參數(shù)以外，還有廠家加密的需要。一般采用兩種方式操作：一是“累計(jì)機(jī)時(shí)到”要密碼，另一個(gè)是“累積日期到”要密碼，可以多點(diǎn)布設(shè)逐次消除，也可以一次性消除，由廠家給的密匙決定。加密的目的是廠家為自身利益的保護(hù)，使用者不能隨意解鎖。

8　結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)模擬通道的非線性校正，電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差由原來的±3r／min減少到±0．5r／min，獲得了比較理想的操控精度，調(diào)節(jié)升速或降速更為平滑細(xì)膩。經(jīng)過雙輪旋轉(zhuǎn)操作，使得加工平整度、均勻性以及工作效率大為提高。轉(zhuǎn)速的精確控制，又使機(jī)器具有很好的重復(fù)性，即在同型號(hào)磨床上使用同批型材，同一工藝條件下，具有基本一致的研磨效果。由于加入了抗干擾設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在各種復(fù)雜的工況下，保持了較高的穩(wěn)定度。

［1］譚建成．電機(jī)控制專用集成電路［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．Tan Jiancheng．Special integrated circuit for motor control［M］．Beijing：Mechanical Industry Press，2003．

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Design of Controller for Crystal Grinding Machine

Zhao Dequan，Li Cui，Su Lin
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the development of material science，fine processing of crystals has become a trend and requirements，therefore，in the design of a new generation of grinder，the mode of dual motor speed control and linkage is used to improve the process and production efficiency．The controller is further optimized，correcting nonlinear analog channels，i．e．dividing gear processing，whole gear calibration and linear insertion，to effectively improve the control curve and the control precision．As the 12－bit D／A converter is used for smoother adjustment and enough calibration mapping space，the system realizes digital correction．At the same time，some auxiliary means such as the memory used for saving the machine parameters and establishing data input index table，and the timers，the alarms and the locks used for production process management，are provided as well．

Crystal；Grinding；Controller；Mapping；Transfer；Speed regulation；Nonlinear correction；Encryption

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．018

TP3

B

1002－2279（2016）05－0073－05

趙德權(quán)（1962－），男，遼寧省鐵嶺市昌圖縣人，工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用及可靠性技術(shù)。

2016－05－17