金刚石线锯切割SiC单晶片过程控制及仿真

摘要

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SiC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(SISO)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MATLAB/Simulink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，经过实验验证白适应控制算法的可行性和控制器开发板的可操作性。