PCB板V割設(shè)備切割刀頭深度的PID控制

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電子產(chǎn)品越來越趨向于微型化，因此對PCB產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。企業(yè)通常是大板批量生產(chǎn)，然后進(jìn)行分割處理，生產(chǎn)過程中，精準(zhǔn)控制切割設(shè)備成為了關(guān)鍵，其中切割刀頭深度控制也是文章重點(diǎn)需要研究的范圍。文章主要就切割深度的PID控制作研究設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PCB切割；PID控制；刀頭深度

使用高效的切割設(shè)備可以避免分割PCB板損害的發(fā)生，同時(shí)提高工作效率，有些切割設(shè)備可微調(diào)PCB板厚度，實(shí)現(xiàn)對不同型號(hào)和不同材質(zhì)的PCB板切割。但微調(diào)后，只是人為的設(shè)定切割刀的下移路徑起止位置，無法自動(dòng)控制切割刀下移速度。另外，切割設(shè)備采用上下圓刀的方式（剖面圖如圖1），不合理的切割控制常常會(huì)使兩個(gè)切割刀相撞，損害切割刀頭。

為解決上述問題，本系統(tǒng)采用編碼器和PID閉環(huán)控制原理控制連接切割器刀頭的步進(jìn)電機(jī)，使切割刀的下移速度及下移位置可以根據(jù)被切割板的實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，解決切割PCB板V槽的深淺問題，有效保護(hù)切割器刀頭。

編碼器是將角位移或線位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。這里使用的增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

PID的系統(tǒng)模擬框架如圖2所示。

圖1 刀頭切割剖面圖 圖2 PID系統(tǒng)模擬框架

由圖2所示，輸入信號(hào)r（t）與輸出信號(hào)y（t）之間的反饋差分信號(hào)量e（t）經(jīng)過比例、積分和微分處理，成為原控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)信號(hào)量，如公式：

上式中，Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)，Tl為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間，uo為初始調(diào)節(jié)信號(hào)量。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)重點(diǎn)使用PI調(diào)節(jié)，即比例積分調(diào)節(jié)。如圖3所示。

圖3 比例積分調(diào)節(jié)方塊圖

編碼器的反饋信號(hào)Uf串聯(lián)在切割刀控制信號(hào)Ui上，它們的差值為Uc，模塊2將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，其輸入電壓Ur是Uc積分和比例效果的疊加。在切割PCB板之前，操作人員首先用游標(biāo)卡尺測量PCB板厚度值并輸入V割設(shè)備中。如果整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)無積分效果，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓將很大、啟動(dòng)過程變得很快，系統(tǒng)依靠輸入電壓與反饋電壓的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，因此屬于比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的階躍性強(qiáng)，系統(tǒng)震蕩性大，調(diào)節(jié)效果不好。但是，當(dāng)有積分控制的存在時(shí)，只要信號(hào)有一點(diǎn)變動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的輸入信號(hào)Ur，控制信號(hào)較平滑，做到無靜差控制。另外，模塊3為驅(qū)動(dòng)模塊，它將控制信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速與預(yù)想值接近，反饋信號(hào)Uf與控制信號(hào)Ui將無差值，系統(tǒng)穩(wěn)定。

切割過程中，編碼器測量步進(jìn)電機(jī)所連接切割刀頭的直線位移并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，當(dāng)兩切割刀頭距離較PCB板厚度較大時(shí)，反饋信號(hào)與控制信號(hào)之間的差值較大，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)快。當(dāng)編碼器測量步進(jìn)電機(jī)所連接切割刀頭接近PCB板并準(zhǔn)備切割時(shí)，反饋信號(hào)與控制信號(hào)之間的差值逐漸減小，使切割刀頭的下降位移速度減緩，最終當(dāng)編碼器測量的步進(jìn)電機(jī)所連接刀頭與切割前測量的厚度一致并完成切割時(shí)，反饋信號(hào)與控制信號(hào)之間的差值為零，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)停止位移（控制刀頭位移的框圖如圖4所示）。

上述動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)切割刀下一速度與下移位置的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有效切割，保護(hù)切割刀頭。

經(jīng)過調(diào)試驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)切割刀頭深度精度達(dá)到0.001mm，符合實(shí)際工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，很好地解決了涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題。取得了較為理想的切割效果，有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]劉川，劉景林.基于Simulink仿真的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)分析[J].測控技術(shù)，2009，28（1）：49-54.

[2]孫浩，李大海，高鮮妮，等.基于模擬閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2009，37（1）：78-83.

作者簡介：莫玉華（1979，3-），籍貫：江蘇常州，職稱：講師，工作單位：江蘇省常州技師學(xué)院電氣工程系，專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)，研究方向：電氣工程。