新型多線切割機(jī)張力控制系統(tǒng)研究

姜家宏，陳學(xué)森，丁鵬剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京， 101601)

近年來(lái)，隨著集成電路和太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，用于對(duì)單晶硅、多晶硅、藍(lán)寶石等硬脆材料進(jìn)行前期高效率，高精度，低成本加工的多線切割技術(shù)一直受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。多線切割技術(shù)不僅能夠降低硅片的制造成本，滿足硅片直徑大，超薄厚度的發(fā)展趨勢(shì)，而且加工后的硅片在彎曲度、翹曲度、平行度、晶片表面粗糙度等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的硅片加工技術(shù)，目前已成為硅材料切割加工領(lǐng)域的主流技術(shù)。多線切割技術(shù)原理是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入硬脆材料加工區(qū)域進(jìn)行研磨，最終把待切割材料切割成薄片的一種新型的加工方法[1，2]。

在多線切割機(jī)走線過(guò)程中，準(zhǔn)確控制張力值，減小張力波動(dòng)既能保證切割過(guò)程中不斷線，又能提高切割材料成片率，提高設(shè)備的可靠性。因此，對(duì)多線切割機(jī)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，掌握切割過(guò)程中張力變化的特點(diǎn)及控制方法，具有十分重要的意義[3]。

1 多線切割機(jī)加工機(jī)理

多線切割機(jī)主要由收放線輪系統(tǒng)，恒張力控制系統(tǒng)，橫移架布線系統(tǒng)，加工主輥線網(wǎng)組，工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)及砂漿切削液供給系統(tǒng)參與硅片的成型加工。圖1為多線切割機(jī)加工機(jī)理示意圖，其中左半部分為放線系統(tǒng)，右半部分為收線系統(tǒng)，中間部分為切割加工組網(wǎng)。

首先放線輥上纏有滿足切割要求的一定規(guī)格鋼絲線，工作時(shí)，鋼絲線由放線輥釋放，經(jīng)過(guò)橫移架布線系統(tǒng)，導(dǎo)向輪系走到放線端的張力臂，然后

圖1 多線切割機(jī)加工機(jī)理示意圖

再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪系導(dǎo)入四個(gè)加工主輥。進(jìn)入加工主輥后，鋼絲線均勻地排布在刻有一定間隔的主輥槽內(nèi)，整齊排列的鋼絲線組成了切割面，鋼絲線又由導(dǎo)向輪系導(dǎo)出加工輥組，走過(guò)收線端張力臂，最后再經(jīng)過(guò)導(dǎo)向輪系進(jìn)入收線輥。四個(gè)加工主輥由兩臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，從而帶動(dòng)切割組網(wǎng)按一定的速度正常運(yùn)行。同時(shí)將放置多晶硅錠的工作臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器勻速向下運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，砂漿供應(yīng)站提供一定黏度的砂漿，切削液均勻地噴灑在主輥鋼絲組網(wǎng)上，在每一根鋼絲線上形成均勻的砂漿薄膜，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶硅錠的均勻切削。

2 多線切割機(jī)總體控制方案

多線切割機(jī)屬于高速精密機(jī)床，為了保證材料的切割精度，要求多臺(tái)電機(jī)在工作過(guò)程中具有高度協(xié)調(diào)同步性，這對(duì)于控制系統(tǒng)的控制精度提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，因此，本新型多線切割機(jī)采用西門子PLC+運(yùn)動(dòng)控制模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，采用高分辨率的保盟編碼器對(duì)鋼絲線張力值實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、反饋，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的閉環(huán)控制。傳統(tǒng)的張力臂采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)控制時(shí)張力突變大，反應(yīng)不靈敏。本方案中采用氣缸驅(qū)動(dòng)張力臂，控制時(shí)緩沖力強(qiáng)，柔性好，張力無(wú)突變。具體控制框圖如圖2所示。

由圖2可見，整個(gè)控制系統(tǒng)的核心為PLC+運(yùn)動(dòng)控制模塊。通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。多線切割機(jī)在工作過(guò)程中，收放線輪電機(jī)與加工主輥電機(jī)速度不一致導(dǎo)致速度差使得張力臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)安裝編碼器將偏轉(zhuǎn)信號(hào)反饋PLC，PLC收到反饋信號(hào)后與理論值做比較，并在下一個(gè)掃描周期輸出，控制收放線輪速度，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行。

如果加工過(guò)程中鋼絲線的張力過(guò)大，走線系統(tǒng)則會(huì)斷線，導(dǎo)致整個(gè)加工系統(tǒng)中斷，影響加工出片率；鋼絲線張力過(guò)小，則會(huì)引起鋼絲線的低頻振動(dòng)，影響硅片的表面質(zhì)量。因此，恒張力控制技術(shù)是切割成片率的核心技術(shù)。我們有必要對(duì)張力控制系統(tǒng)做進(jìn)一步研究，掌握切割過(guò)程中張力變化的特點(diǎn)及控制方法。

圖2 控制系統(tǒng)總體框圖

3 多線切割機(jī)張力控制系統(tǒng)研究

上述介紹了多線切割機(jī)的加工機(jī)理及總體控制方案設(shè)計(jì)?？刂品桨傅那疤峋褪且_分析整個(gè)工藝工程，建立控制系統(tǒng)的理論模型，這樣既能夠從理論上深入分析整個(gè)系統(tǒng)，找出最優(yōu)方案；而且能夠縮短后續(xù)工藝試驗(yàn)周期，降低成本，提高效率。

由圖1可見，以4個(gè)加工主輥為界限，左側(cè)放線系統(tǒng)與右側(cè)收線系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理相同，因此，選取放線系統(tǒng)端的張力臂作為研究對(duì)象，得出的理論模型同樣適用于收線系統(tǒng)。張力臂機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 張力臂機(jī)械結(jié)構(gòu)

由圖3可得：

式中：

V3為張力臂的線速度；

L—張力臂長(zhǎng)；

W3—為張力臂的角速度；

V1為加工主輥主電機(jī)的線速度；

V2為放線輪的線速度。

忽略摩擦力，當(dāng)張力臂轉(zhuǎn)過(guò)微小角度θ時(shí)，可得張力臂運(yùn)動(dòng)學(xué)力矩平衡方程：

式中：

T為鋼絲線的張力；

J為張力臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

G為張力臂重力；

θ為張力臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；

M為氣缸相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)矩。

式（2）變形后可得：

由式（3）可知，工作時(shí)氣缸恒壓控制，張力臂質(zhì)量，臂長(zhǎng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一旦優(yōu)化設(shè)計(jì)后不再改變，只有轉(zhuǎn)角θ變化與張力T大小密切相關(guān)。

又由：

式中：R1為加工主輥半徑；W1為加工主輥的線速度；

R2為放線輪半徑；W2為放線輪的線速度。

將式（4）式（5）代入式（1）中變形可得：

在一定掃描周期T內(nèi)，對(duì)式（6）兩邊取積分可得：

式（6）表明張力臂角速度W3是放線輪與加工主輥的速度同步跟隨誤差，式（8）表明張力臂角位移θ反映的是放線輪與加工主輥在整個(gè)走線過(guò)程中速度同步跟隨誤差的積分，即速度同步跟隨的累積誤差。

因此，通過(guò)在張力臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝編碼器反饋角位移的變化量，進(jìn)一步控制放線輪的電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證放線輪與加工主輥的速度同步跟隨控制。具體過(guò)程為:當(dāng)編碼器反饋的角位移值大于零時(shí)，表明放線輪的線速度慢于加工主輥的線速度，因此需要放線輪電機(jī)加速來(lái)減小速度差，使張力臂回到平衡位置；當(dāng)編碼器反饋的角位移值小于零時(shí)，表明放線輪的線速度快于加工主輥的線速度，因此需要放線輪電機(jī)減速來(lái)減小速度差，使張力臂回到平衡位置。

圖4為多線切割機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，由于在放線的過(guò)程中，放線輪直徑實(shí)時(shí)變化，所以，放線輪線速度V2與反饋的角位移θ需要用PID控制器表達(dá)二者之間的函數(shù)關(guān)系，從而保證放線輪與加工主輥之間的速度同步控制。

圖4 多線切割機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

4 結(jié) 論

通過(guò)開展多線切割機(jī)的工藝試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：采用高分辨率的編碼器對(duì)張力臂角度變化值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以有效地保證收放線輪與加工主輥之間的速度同步控制。實(shí)現(xiàn)多線切割機(jī)恒張力控制，提高切割材料的成片率，設(shè)備的可靠性。本文的研究成果對(duì)其它領(lǐng)域的張力控制具有一定的參考價(jià)值。

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[1]賀敬良，杜開勛，王學(xué)軍.高速線切割系統(tǒng)張力控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(9):6-13.

[2]蔣近，戴瑜興，彭思齊.多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，21(15):1780-1783.

[3]蔣近，戴瑜興，郜克存，等.多線切割機(jī)走線系統(tǒng)的張力控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(5):183-187.