多線切割機控制系統(tǒng)的研制

蔣 近 戴瑜興 彭思齊

1.湘潭大學,湘潭,411105 2.湖南大學,長沙,410082

0 引言

隨著集成電路和光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,硅材料加工技術也越來越受到重視,其中切割是硅材料加工的第一道關鍵工序,其加工質(zhì)量的好壞將直接影響到后續(xù)的加工效率和成品率。多線切割是通過一根鋼絲線(直徑0.12～0.16mm,長度600～800km)的高速往復運動把磨料帶入加工區(qū)域進行研磨,將待切割硅材料一次性同時切割成數(shù)百或數(shù)千片薄片的創(chuàng)新性切片工藝[1-2]。例如瑞士Meyer Burger公司生產(chǎn)的DS262型太陽能硅片多線切割機,它具有同時切割4根硅棒的功能,一組切片數(shù)最高可達4400片,這相當于50臺切片機一天的工作量。多線切割機以其極高的生產(chǎn)效率和出片率,逐漸取代內(nèi)圓和外圓切割等傳統(tǒng)方式,所切硅片具有彎曲度小,翹曲度小,平行度好,刃口切割損耗小,表面損傷層淺,晶片表面粗糙度值小等優(yōu)點[3]。本文給出了一種多線切割機控制系統(tǒng)的研制方法,重點研究了多線切割機中張力控制和多電機同步控制的實現(xiàn)。

1 多線切割機的總體結(jié)構

多線切割機的總體結(jié)構如圖1所示。開始所有鋼絲全部纏繞在放線輪(3或者4)上,通過一系列導向輪纏繞到兩個加工輥(1和2)上,這兩個加工輥上按切割寬度要求平行刻有一定深度的溝槽,鋼絲纏繞在這些溝槽上形成一排數(shù)百或數(shù)千按一定間隔排列的線網(wǎng),溝槽在加工過程中保證了鋼絲始終保持平行而不會跑偏,這樣兩個加工輥下端由纏繞的鋼絲組成了切割面,鋼絲再通過一系列導向輪回到收線輪(4或者3),兩個加工輥通過兩個交流伺服電機拖動,根據(jù)給定的速度指令,該加工輥正反向交替運轉(zhuǎn),從而使鋼絲往復運行,逐漸將鋼絲從放線輪轉(zhuǎn)移到收線輪上,同時根據(jù)給定的位置和速度指令,放置硅棒的工作臺9由下往上運動,完成硅材料的切割。

圖1 多線切割機的總體結(jié)構

2 多線切割機控制系統(tǒng)組成

多線切割機的控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖如圖2所示,它是由9個伺服電機組成的多電機伺服系統(tǒng),主控制器采用博世力士樂公司的MLC控制器,伺服驅(qū)動選用IndraDrive系統(tǒng),伺服電機選用MSK和MAF系列,采用SERCOS總線來完成伺服系統(tǒng)和控制器之間的通信。

圖2 多線切割機控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖

軟件功能主要包括主電機的同步運動,主電機和收放線電機的同步運動,收放線電機與排線電機的同步運動,同時通過轉(zhuǎn)矩模式控制張力電機的張力,程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 多線切割機控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)框圖

多線切割機控制系統(tǒng)實現(xiàn)中兩個難點問題是張力控制系統(tǒng)和多電機同步控制系統(tǒng),下面對此進行詳細的分析。

2.1 張力控制系統(tǒng)

多線切割機的張力控制系統(tǒng)是關系到加工能否順利進行和加工質(zhì)量好壞的關鍵技術。為了減少硅材料損耗,多線切割大都使用很細的鋼絲(直徑0.12～0.16mm),如果加工過程中鋼絲的張力過大,會使鋼絲崩斷,造成整個加工中斷,則昂貴的硅棒將報廢;而張力過小則會引起鋼絲附加低頻振動,影響到工件的表面加工質(zhì)量,使得加工出來的硅片翹曲度較大、平行度較差、表面粗糙度較差。另外,多線切割工藝要求對于不同的加工材料設定不同的張力,甚至同一工件加工的不同階段所要求的鋼絲線張力也不相同。因此一個好的張力控制系統(tǒng)應該具有張力波動范圍小、靜態(tài)誤差小、可方便調(diào)節(jié)等特點[4-5]。

2.2.1 傳統(tǒng)重錘的張力控制

多線切割機中傳統(tǒng)的張力控制系統(tǒng)都是采用重錘來施加張力,下面以放線側(cè)的張力控制為例來進行分析,傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構

設切割線的張力為T,張力重錘的質(zhì)量為m,張力擺桿的速度為v,則由圖4所示可得v=(v1-v2)/2,為便于分析對比,忽略摩擦力、導輪的大小和擺桿的質(zhì)量,設定張力擺桿在小范圍內(nèi)運動,對張力重錘進行受力分析得到：

對式(1)變形得

對式(2)分析可知,張力T的波動變化由式(2)第二項的波動所引起,要降低張力的波動,就必須減小第二項的值,也就是減小張力重錘的質(zhì)量m,但是這樣又會減小第一項的值,導致張力的減小,這在切割中是不允許的。由上分析可知：張力重錘本身既產(chǎn)生了切割運動中需要的張力,同時又從根本上造成了張力的波動,并且需要的張力越大,造成的張力波動也越大,因此需要尋找更好的張力控制結(jié)構。

2.2.2 機電一體化的張力控制

對上面的傳統(tǒng)方式進行改進,提出一種機電一體化的張力控制策略,也就是采用伺服電機來代替重錘施加張力,改進后的機電一體化的張力控制結(jié)構如圖5所示。

圖5 機電一體化的張力控制結(jié)構

設伺服電機的輸出轉(zhuǎn)矩為M,轉(zhuǎn)動慣量為J,切割線的張力為 T,張力擺桿的角速度為ω,張力擺桿的長度為L,由圖5可得v=ωL=(v1-v2)/2,為便于分析對比,忽略摩擦力、導輪的大小和擺桿的重量,由電機軸力矩平衡方程得到：

對式(4)分析可知,張力T的波動變化就是式(4)第二項的波動所引起,要降低張力波動,就必須減小第二項的值,而L是不變的,因此只能減小J,可以選擇轉(zhuǎn)動慣量J較小的伺服電機來產(chǎn)生張力,這樣式(4)第二項的張力波動可以盡量降低。如果要提高切割線的張力,只要提高張力電機的扭矩M即可,對式(4)的第二項并沒有影響,在保持張力波動不變的情況下,增大張力可以保持切割線的平穩(wěn)運行,使得切割出來的硅片翹曲度較小、平行度較好、表面粗糙度值較小。機電一體化的張力控制結(jié)構與傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構相比,具有張力波動范圍小、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點。

2.2.3 張力的設置

在多線切割機開始運行前,首先通過張力電機使用轉(zhuǎn)矩控制來改變和施加張力,在靜止狀態(tài)下根據(jù)式(3)可得到轉(zhuǎn)矩和張力的關系T=M/(2L),根據(jù)轉(zhuǎn)矩值和張力擺桿的長度就可以得到張力值,再根據(jù)需要的線速度運行多線切割機,在多線切割機運行過程中,通過張力伺服電機的絕對值編碼器反饋張力擺桿的實時位置,調(diào)整收放線電機的速度,保持張力擺桿盡量處于水平位置,就可以保證切割線的張力穩(wěn)定。

2.2 多電機同步控制系統(tǒng)

多線切割機是由9個伺服電機組成的多電機系統(tǒng),其中包括兩個主電機,兩個收放線電機,兩個排線電機,兩個張力電機和一個工作臺電機,它們之間的關系如圖6所示。主電機1、2通過電機直連負載驅(qū)動兩個加工輥工作,需要實現(xiàn)兩個主電機的同步運動,主電機是多電機系統(tǒng)的核心,收放線電機、排線電機和張力電機的速度都直接或間接地受其控制;收放線電機3、4進行鋼絲的收線和放線,實時跟隨主電機保持速度同步;排線電機5、6跟隨收放線電機運動,使切割線均勻地繞在收放線輪上;張力電機7、8通過轉(zhuǎn)矩控制分別對放線處和收線處的鋼絲施加恒張力,并通過張力擺桿的位置反映主電機和收放線電機的同步情況;工作臺電機9根據(jù)待切割材料的硬度、幾何形狀和尺寸等因素來確定每個時刻工作臺的位置和速度。

圖6 多電機系統(tǒng)的控制結(jié)構

通過以上分析可知,多電機同步控制系統(tǒng)的實現(xiàn)關鍵是以下兩點：①兩個主電機分別直接驅(qū)動兩個加工輥運動,必須保證兩個主電機的運動速度同步,否則鋼絲容易斷裂,不能完成切割;②收放線電機實時跟隨主電機的運動,在運動過程中,隨著放線輪的鋼絲逐步轉(zhuǎn)移到收線輪上,收放線輪徑不斷發(fā)生變化,將導致收放線輪的轉(zhuǎn)動慣量、線速度等發(fā)生變化,必須實時調(diào)整收放線電機跟隨主電機的速度,并使其保持不變[6-7]。下面僅以一個主電機和放線電機的同步控制為例來說明(收放線側(cè)結(jié)構相同),基于虛擬主軸和無模型自適應控制的多電機同步運動模型如圖7所示。

圖7 基于虛擬主軸和無模型自適應控制的多電機同步運動模型

通過虛擬主軸生成運動軌跡,沒有理論偏差,沒有轉(zhuǎn)速波動,所以當多軸運動存在同步關系時,通過設定虛擬主軸,讓所有參與運動的實際軸以虛擬主軸為參考,實現(xiàn)多軸同步。

無模型自適應控制(model free adaptive control,MFAC)是一種無需建立過程模型的自適應控制方法,MFAC兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的優(yōu)點,具有無需精確系統(tǒng)模型、無需過程辨識、無需復雜人工整定等特點,控制效果良好,算法簡單[8-10]。其具體控制步驟如下：

(1)得到虛擬主軸的速度值和實際電機的輸出值;

(2)通過偽 偏導數(shù)算法 ?φ(k)= ?φ(k-1)+-?φ(k-1)Δu(k-1))得到偽偏導數(shù) ?φ(k),其中 ,μ是權重因子,ηk是步長序列;

作用于系統(tǒng)得到新的輸出y(k+1),于是得到一組新的數(shù)據(jù)(u(k),y(k+1)),其中 p k是步長序列,λ是權重系數(shù)。

在這組新數(shù)據(jù)的基礎上重復步驟(1)、(2)、(3)即可得到新的數(shù)據(jù)(u(k+1),y(k+2)),如此繼續(xù)下去,系統(tǒng)的輸出y(k)將逼近期望值y*。

3 實驗

張力控制系統(tǒng)采用圖5的結(jié)構(收、放線側(cè)結(jié)構相同),在主加工輥和放線輪之間加一個張力電機,多線切割機運行時,張力電機輸出轉(zhuǎn)矩對切割線施加張力,張力擺桿的兩邊分別是主電機和放線電機,當二者線速度不同步時,將拖動張力擺桿運動,當二者線速度同步時,張力擺桿處于水平位置保持不變,此時切割線上的張力保持恒定。

控制系統(tǒng)選用博世力士樂公司的MLC控制器和伺服系統(tǒng),選用 FMS公司的RMGZ121A.H14+EMGZ306A張力傳感器,切割線的直徑為0.15mm,張力設定為25N,在走線速度為300m/min的情況下,分別采用傳統(tǒng)重錘的張力控制和筆者所提控制方法來實現(xiàn)多線切割機的運動。

為了衡量系統(tǒng)的控制性能,利用主控制器開發(fā)工具IndraWorks Engineering得到主電機的速度、切割線張力的變化和張力擺桿的位置,將采樣數(shù)據(jù)導入到MATLAB軟件中,實驗結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知,使用傳統(tǒng)重錘的張力控制時,在加減速階段,張力擺桿的位置 P移動范圍在±5°,張力 T的變化在25±1N,穩(wěn)態(tài)運動過程中張力的波動比較明顯,放線電機和主電機的同步效果不是很好。使用筆者所提張力和多電機同步的控制方法時,在加減速階段,張力擺桿的位置P移動范圍在±2°,張力 T的變化在25±0.5N,穩(wěn)態(tài)運動過程中張力的變化幅度都很小,放線電機和主電機的同步效果較好。

圖8 多線切割機的實驗結(jié)果

4 結(jié)論

提出一種采用伺服電機代替重錘的機電一體化張力控制方法,使得張力波動小,斷線率低,張力調(diào)節(jié)方便;使用基于虛擬主軸和無模型自適應控制的控制策略保證多電機的同步運動,保持張力擺桿處于水平位置,保證切割線上的張力保持恒定。

筆者開發(fā)了切割硅材料的多線切割機控制系統(tǒng),樣機實驗結(jié)果表明所采用的張力控制和多電機同步控制方法是正確可行的,本文的研究成果同樣可以應用于紡織、印刷等領域。

[1] 劉志東,汪煒,田申軍,等.太陽能硅片電火花電解高效切割研究[J].中國機械工程,2008,19(14)：1673-1676.

[2] 張尚盈,陳學東,趙慧,等.精密硅片臺的運動控制[J].中國機械工程,2008,19(12)：1474-1479.

[3] Zhang B,Liu W,Hu X,et al.Application and Development of Wire Sawing Technology[J].Superhard Material Engineering,2008,20(1)：45-48.

[4] 姜永成,任福君.基于多軸運動控制器的電極絲恒張力控制系統(tǒng)[J].中國機械工程,2008,19(16)：1920-1924.

[5] 吳飛青,馬修水,關宏偉,等.基于模糊專家控制的織機經(jīng)紗恒張力控制研究[J].中國機械工程,2008,19(4)：384-387.

[6] 楊亮亮,周云飛,潘海鴻,等.步進掃描投影光刻機同步機制研究[J].中國機械工程,2009,20(1)：20-23,43.

[7] 宋立博,李勁松,費燕瓊.四輪差動驅(qū)動型AGV嵌入式運動控制器設計與研究[J].中國機械工程,2008,19(24)：2903-2907.

[8] 侯忠生.無模型自適應控制的現(xiàn)狀和展望[J].控制理論與應用,2006,23(4)：586-592.

[9] Cheng S G.Model Free Adaptive Process Control：US,6055524[P].2000-04-25.

[10] 何金保,郭帥,何永義,等.基于遺傳優(yōu)化的張力模糊控制[J].控制理論與應用,2009,26(3)：243-248.