摘要：本文主要介紹數控產品在7軸數控硅塊雙平面研磨機上的設計應用。該控制系統采用專為7軸研磨機開發的高端CNC系統、伺服電機及知名品牌的電器產品，人機界面友好直觀，產品結構科學合理，自動化程度高，精度和磨削效率高，操作安全方便，造型美觀大方。

　　關鍵詞：太陽能 光伏產業 數控系統 人機界面 伺服激光測量 CANopen總線

　　引言：

　　近幾年來，世界各國由于對能源的巨大需求，特別是清潔能源的開發利用，如太陽能、風能、潮夕能、生物發電等，而太陽能發電（光伏產業）正是清潔能源的主要代表，并能大規模的開發利用，于是各國政府紛紛出臺政策，扶持和發展太陽能產業。許多與太陽能相關的企業根據時代的需要，抓住機遇，快速發展，創造出了可喜的經營業績。據估計到2020年我國太陽能光伏發電裝機總容量將達到2200MW，這意味著我國對光伏產業的技術設備需求也十分旺盛。

　　太陽能電池板是對光線有響應并能將光能轉換成電力的器件，以晶體硅為例描述光發電過程：P型晶體硅經過摻雜質磷可得N型硅，形成P－N結，當太陽光線照射太陽能電池板表面時，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生了越遷，成為自由電子在P－N結兩側集聚形成了電位差，將硅片兩邊用導線連接，并接到外面形成正負兩極。當正負兩極接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。其實這個過程的實質是將光子能量轉換成電能的過程。

　　能產生光伏效應的材料主要有單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。太陽能電池板對單（多）晶硅的旺盛需求就帶動相關設備制造行業的發展，此行業常用的設備有多晶爐，切斷鋸床，線開方機床，滾圓磨床，端面磨床，倒角磨床，多線切片機等設備。

　　由于單晶硅棒和多晶硅錠原材料成本比較昂貴，加上現在物價的上漲和人工成本的日益增加，因此生產企業對設備的自動程度和生產效率要求越來越高，本文基于本我司新研發的一款7軸數控硅塊雙平面研磨機，型號WSK015，數控系統在這款機型上的設計應用作一些介紹，機器外形如圖1所示。

　　圖1：WSK015數控硅塊雙平面研磨機外形圖

　　技術特點和工藝流程：

　　一、相對傳統的雙軸端面磨床，三軸端面磨床，5軸端面磨床，WSK015型7軸數控硅塊雙平面研磨機具有以下技術特點：

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

　　2、機床配備自動壓緊裝置，在硅塊完成自動對中功能后，自動壓緊硅塊，從而提高了工作效率，壓緊質量也得到充分保證。

　　3、機床配備自動激光測量系統，在硅塊壓緊后，Z向送料伺服開始工作，此時激光測量儀自動準確測量出硅塊尺寸大小，傳給數控系統進行計算，以便均勻的分配每道磨頭的磨削余量。

　　4、本機床除了上、下料為手動外，其余均為自動循環。研磨前進時尺寸自動測量分配各面的研磨余量。研磨后尺寸測量。三對毛刷研磨頭分別為粗研研磨頭、精研研磨頭、光研研磨頭。

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

　　6、機床對硅塊相對兩表面進行精加工，通過三道不同的粗細度的毛刷研磨后，提高硅塊表面光潔度，并且去除了經線切割工序在硅塊表面形成的細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數控硅塊雙平面研磨機工藝流程如圖2所示：

　　圖2：WSK015數控硅塊雙平面研磨機工藝流程

　　控制系統的構成及原理：

　　一、WSK015型7軸數控硅塊雙平面研磨機的控制架構如圖3所示：

　　圖3：WSK015型7軸數控硅塊雙平面研磨機的控制架構

　　二、CNC數控系統功能：

　　本機床控制系統由我司與國內知名企業共同研發的CNC數控系統來完成整臺機床的數據運算和邏輯連鎖，由于CNC數控系統所實現的功能是由用戶通過軟件編程實現，且軟硬件采用模塊化的結構，使得系統功能的修改、擴充變得較為靈活。另外數控的功能比較豐富，如插補功能，補償功能，高級人機對話功能，編程功能。

　　基于CNC高速運算處理能力和函數編程便捷性，本機床的CNC系統需處理以下數據：

　　1、采集電子手輪對7軸伺服的高速脈沖，并在線實時控制對應的伺服電機的運動，控制精度1微米，伺服電機響應遲滯在50毫秒以下，保證手在搖動電子手輪時，伺服電機在相應運動，停止手輪時，電機立即停止，所有位置數據顯示在屏幕上。

　　2、采集日本基恩士激光位置傳感器對加工硅塊尺寸的測量數據并根據實際尺寸分配每對研磨頭的進給量和送料電機的進給速度，此儀器測量精度可達到0.01mm。

　　3、采集每臺伺服驅動器的電壓、電流、編碼反饋數據并在屏上實時顯示出來。根據電流的大小與設定的經驗值進行比對，超出設定值報警以提醒相應機械出現問題。根據編碼反饋脈沖以判斷各研磨頭及送料硅塊位置，設定報警及極限值，出現位置超程停機并報相應故障信息，方便維修人員對故障的處理。

　　4、實時通訊，采集各從站的其他信息。

　　基于CNC的PLC和擴展PLC功能，對機床的所有數字信號進行邏輯連鎖控制，包括6只研磨頭電機啟停控制、所有氣缸的控制及上下位置磁性開關檢測、所有線性導軌和滾珠絲桿的自動油霧潤滑、所有7臺伺服電機極限位置的電感接近開關的位置檢測、各研磨頭研磨冷卻液的自動控制、所有故障點在線診斷。數字信號有數字輸入點有72路，數字輸出點有48路，通過PLC功能對這些信號進行檢測并控制輸出，達到整臺機床除了上下硅塊時用到人工搬動外，所有動作全用自動控制并能實現循環往復操作。

　　三、伺服電機

　　伺服電機是數控系統必不可少的執行機構，其高速響應性，高精度定位性以及高穩定性在數控機床控制發揮重要的功能。

　　WSK015型7軸數控硅塊雙平面研磨機磨頭伺服電機和送料電機使用的是ESTUN公司的PRONET高端交流伺服驅動器，其增加了電流前饋控制、加速度前饋控制、速度觀測器和慣量觀測器等功能，借助于這些新功能，使其響應性能比一般產品提高了三倍以上，并且在線實時檢測負載慣量，隨時調整增益以達到最好的控制效果。

　　PRONET系列伺服驅動器配了高分辨17位串行編碼器，支持增量型和絕對值兩種類型，通信速率為2.5M，編碼器分辨率為17bits/rev，即第轉生成131072個脈沖，從而明顯地提高了定位精度，并增強了低速的平穩性和響應性。

　　利用伺服電機的絕對值17位串行編碼器，CNC可以實現6只磨頭精度達到1微米控制，并且利用編碼器電池在停電時記憶伺服電機的位置，重新上電時以當前位置繼續加工，減省去了工廠停電或故障停電時對加工件的損壞和操作人員需重新定位工序，充分節省時間和提高生產效率。

　　四、CANopen總線協議

　　CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網，CANopen總線協議在本機床控制中起著重要的數據傳輸的功能，由于CAN總線的高速的數據傳輸速率，高達1Mbps，從而很簡單的實現各研磨頭的位置的實時顯示，各伺服電機的電流實時監控，所以通過設計CANopen網絡的數據接口，并對通訊特性進行分析，確認CAN接口的參數，從而實現對各控制效果的監控。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN已被廣泛應用到各個自動化控制系統中。通過總線控制方式：

　　第一可以節省其他控制方式下的大量電纜線的聯接，通過通訊線將各電器元件聯接起來，簡化接線方式。

　　第二減少了故障隱患的存在，大大降低機器的故障率和保證了機器的生產時間。

　　第三方便工程師對機器的維護及故障的排除。

　　總線網絡聯線如圖4所示（局部）。

　　圖4：總線控制網絡聯線

　　結束語：

　　本文主要介紹數控產品在7軸數控硅塊雙平面研磨機上的設計應用，側重介紹CNC系統和伺服電機的功能特性，以及在本研磨機床上所起的作用，體現了我司在開發此種機床的定位標準是滿足客戶對高精度、低成本、運行可靠、操作簡單和全自動化智能性控制的要求，為市場提供了一款先進的太陽能硅塊加工設備，同時也為客戶節省了很多原料成本和維護成本。