力士樂MLC控制器在多線切割機(jī)中的應(yīng)用

王顯術(shù)

（大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司，遼寧大連 116000）

硅棒切割是硅片加工中的一道重要工序，其加工質(zhì)量的好壞將直接影響后續(xù)的加工效率和成品率，硅片作為光伏和半導(dǎo)體領(lǐng)域的主要生產(chǎn)材料，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中。隨著集成電路和光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)硅片的要求越來越高，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①為了提高硅片產(chǎn)量在切割時(shí)不斷地提高走線速度，使多線切割機(jī)朝著高速的方向發(fā)展；②為了提高切割硅片的精度和質(zhì)量，就要使金剛線更細(xì)更堅(jiān)韌，使多線切割機(jī)朝著金剛線直徑更細(xì)的方向發(fā)展[1]?，F(xiàn)如今，多線切割機(jī)遵循的研發(fā)方向是切割晶硅棒料尺寸更大，切割厚度更薄，產(chǎn)量更大，質(zhì)量更好。對(duì)于多線切割機(jī)來說，加工輥軸伺服和收、放線輪軸伺服間同步控制以及鋼絲線間的張力控制是此類設(shè)備的控制關(guān)鍵點(diǎn)，文章中采用的力士樂MLC 運(yùn)動(dòng)控制器，通過SERCOS Ⅲ總線連接多套伺服電機(jī)，正是解決此類設(shè)備控制關(guān)鍵點(diǎn)的最佳組合。

1 多線切割機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

作為硅片切割的專用設(shè)備，多線切割機(jī)是太陽能光伏、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。多線硅切割機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）切割效率的提高。多線硅切割機(jī)的一個(gè)重要趨勢(shì)是提高切割效率。在光伏、半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)下，我國硅片市場(chǎng)的產(chǎn)量需求不斷增加，對(duì)多線切割機(jī)的切割速度要求越來越高。未來的多線硅切割機(jī)將采用更高的切割線速度，來提高硅片切割的效率，從而降低硅片生產(chǎn)成本。

（2）精度的提升。除了切割速度的提高，多線硅切割機(jī)還將追求更高的切割精度。高精度的切割可以減少硅片的浪費(fèi)，提高太陽能電池、半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)出率。未來的多線硅切割機(jī)將采用先進(jìn)的控制算法和切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的切割精度。

（3）異型硅片的切割。隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，越來越多的異型硅片被應(yīng)用于太陽能電池。傳統(tǒng)的多線硅切割機(jī)主要適用于標(biāo)準(zhǔn)形狀的硅片切割。未來的多線硅切割機(jī)將致力于切割各種異型硅片，滿足不同光伏產(chǎn)品的需求。

（4）自動(dòng)化和智能化。多線硅切割機(jī)將趨向于更高的自動(dòng)化和智能化水平。通過引入自動(dòng)化裝載和卸載系統(tǒng)、自動(dòng)托盤更換系統(tǒng)、自動(dòng)切割參數(shù)調(diào)整等技術(shù)，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。智能化方面，多線硅切割機(jī)將采用先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提高切割質(zhì)量和穩(wěn)定性。

（5）節(jié)能環(huán)保。多線硅切割機(jī)在未來也將注重節(jié)能和環(huán)保方面的發(fā)展。采用節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源回收技術(shù)等手段，減少能耗。同時(shí)，多線硅切割機(jī)也將采用環(huán)保材料和工藝，減少對(duì)環(huán)境的影響。

2 力士樂MLC控制器介紹

IndraMotion MLC 系列控制器是德國博世力士樂公司最新推出的新一代自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)控制器，其將運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人控制和邏輯控制與各種功能融合在一起，讓多軸同步更容易，可使用各種功能部件，如導(dǎo)向軸、電子變速箱、凸輪、復(fù)雜插補(bǔ)動(dòng)作等，最多可實(shí)現(xiàn)64個(gè)伺服軸的同步控制。其內(nèi)置了EtherNet/IP 和SERCOS Ⅲ總線端口，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高速控制，工程編輯調(diào)試軟件IndroWorks 符合IEC61131-3 和PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展的軟件函數(shù)庫，使伺服軸的控制設(shè)定更為便捷。力士樂MC 控制器的主要特點(diǎn)和功能。

（1）高性能運(yùn)動(dòng)控制。IndraMotion MLC 提供了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，能夠精確控制各種類型的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，如機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)器、伺服系統(tǒng)等。其支持多軸、多通道和高速運(yùn)動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的運(yùn)動(dòng)操作。

（2）靈活的編程環(huán)境。IndraMotion MLC 提供了一個(gè)靈活的編程環(huán)境，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的編程語言，如IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)語言、C/C++、Structured Text 等，用戶可以根據(jù)自己的喜好和經(jīng)驗(yàn)選擇合適的編程語言進(jìn)行開發(fā)。

（3）高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制算法。IndraMotion MLC 內(nèi)置了一系列先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制算法，如軌跡生成、插補(bǔ)、同步控制等。這些算法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，如直線、圓弧、螺旋運(yùn)動(dòng)等，滿足各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)需求。

（4）實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分布式控制。IndraMotion MLC采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有快速的響應(yīng)能力和高度可靠性，還支持分布式控制架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制單元之間的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的系統(tǒng)控制。

（5）開放性和集成性。Indra MotionMLC 具有良好的開放性，可以與其他設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成，支持多種通信接口和協(xié)議，如EtherCAT、Profibus、Profinet 等，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

（6）可擴(kuò)展性。IndraMotion MLC 是一個(gè)高度可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)需求擴(kuò)展多個(gè)軸，添加更多的I/O 模塊，以及添加其他附加功能模塊，如視覺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等，以滿足不斷變化的應(yīng)用要求。

3 多線切割機(jī)工作原理

多線切割技術(shù)是目前比較先進(jìn)的硅片加工工藝技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的鋸片、砂輪等切割方式，也不同于其他的激光切割和內(nèi)圓切割，其工作原理是使混合有碳化硅微粉的砂漿被鋼絲送到切割區(qū)域內(nèi)，鋼絲在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不斷摩擦壓在線網(wǎng)上的工件，從而達(dá)到切割效果，完成切割過程。在整個(gè)過程中，鋼絲由幾個(gè)過度導(dǎo)輪引導(dǎo)，在主切割輥上形成絲網(wǎng)，待加工工件由工作臺(tái)下降進(jìn)給。與其他技術(shù)相比，硅片多線切割技術(shù)具有效率高、生產(chǎn)率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較為廣泛的硅片切割技術(shù)。

依據(jù)多線切割技術(shù)研制的多線切割機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)型在結(jié)構(gòu)上左右兩側(cè)完全對(duì)稱，左側(cè)被稱為放線側(cè)，包括放線輪、放線排線、放線導(dǎo)線輪和放線張力臂。右側(cè)被稱為收線側(cè)，包括收線輪、收線排線、收線導(dǎo)線輪和收線張力臂。設(shè)備中間的部分則是切割硅片的部位，包括工作臺(tái)和3個(gè)加工輥，加工的晶硅棒料固定在工作臺(tái)上。

圖1 多線切割機(jī)總體結(jié)構(gòu)

晶硅棒料在切割之前，所有金剛線全部均勻排布在放線輪上，通過放排輪、導(dǎo)線輪、放線張力臂后纏繞到3個(gè)加工輥上。這3個(gè)加工輥上按照切割硅片厚度的要求而平行刻有一定深度的V 型槽，金剛線纏繞在這些V 型槽上形成一排數(shù)百或數(shù)千按照一定間隔平行排列的金剛線線網(wǎng)，這個(gè)線網(wǎng)就組成了切割面，然后金剛線再通過導(dǎo)線輪、收線張力臂和收排線回到收線輪上，3個(gè)加工輥通過3個(gè)伺服電機(jī)拖動(dòng)，根據(jù)設(shè)定的線速度正、反向交替運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使金剛線往復(fù)運(yùn)行，逐漸將金剛線從放線輪轉(zhuǎn)移到收線輪上，同時(shí)固定放置晶硅棒料的工作臺(tái)根據(jù)給定的位置和速度指令，由上向下緩慢移動(dòng)，使得金剛線能夠進(jìn)入晶硅棒料里面，最終完成切割加工。

4 基于MLC控制器的解決方案

4.1 控制系統(tǒng)硬件方案

在本方案中控制系統(tǒng)硬件主要由觸摸屏、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)、I/O 模塊、傳感器等組成，如圖2所示。觸摸屏選用嵌入式PC 觸摸屏，主控制單元采用力士樂公司推出的MLC L65運(yùn)動(dòng)控制器，收放排線、收放張力臂伺服驅(qū)動(dòng)器選用IndraDrive 系列的雙軸控制驅(qū)動(dòng)器，其它軸選用IndraDrive 系列的單軸控制驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)選用異步伺服電機(jī)MAF 和同步伺服電機(jī)MSK 系列，采用SERCOS Ⅲ現(xiàn)場(chǎng)總線來完成伺服系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制器之間的通信。

圖2 多線切割機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基于MLC L65運(yùn)動(dòng)控制器為核心，通過觸摸屏、伺服電機(jī)、I/O 模塊和傳感器等組件實(shí)現(xiàn)對(duì)多線切割機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)功能。MLC L65運(yùn)動(dòng)控制器提供了高性能的運(yùn)動(dòng)控制能力，使得系統(tǒng)可以進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，并通過與其他硬件組件的協(xié)作實(shí)現(xiàn)多線切割機(jī)的控制運(yùn)行。

4.2 控制系統(tǒng)多軸同步耦合關(guān)系

多線切割機(jī)的多軸同步耦合關(guān)系是指多個(gè)伺服電機(jī)軸之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)切割線的準(zhǔn)確位置和速度控制。本方案中的多線切割機(jī)是由10個(gè)伺服電機(jī)組成的多電機(jī)系統(tǒng)，其中包括3個(gè)主電機(jī)，兩個(gè)收放線電機(jī)，2個(gè)收放排線電機(jī)，2個(gè)張力控制電機(jī)和1個(gè)工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)，其基本關(guān)系如圖3所示。主電機(jī)、收放線電機(jī)分別與虛擬主軸同步，收排電機(jī)跟隨收線電機(jī)速度，放排電機(jī)跟隨放線電機(jī)速度，收臂電機(jī)和放臂電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩模式下輸出一定的力矩來維持金剛線鋸張力恒定，并通過張力擺桿的位置反映主電機(jī)和收放線電機(jī)的同步情況，工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)根據(jù)切割工件的位置來調(diào)整其速度。

4.3 主電機(jī)和收、放線電機(jī)的同步、張力控制

在多線切割機(jī)中，主電機(jī)和收、放線電機(jī)的同步和張力控制至關(guān)重要，方案中通過虛擬主軸生成運(yùn)動(dòng)軌跡，沒有理論偏差，沒有轉(zhuǎn)速波動(dòng)，3個(gè)主電機(jī)分別使用PLCopen 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)MC_GearIN（電子齒輪比）指令與虛擬主軸建立1 ∶1傳動(dòng)比例關(guān)系，通過使用力士樂的MB_WinderDancerCtrlType01函數(shù)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)收、放線電機(jī)、主電機(jī)之間的同步，張力臂電機(jī)控制，下面僅用一個(gè)主電機(jī)和收線電機(jī)的同步控制為例來說明（收放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同），程序如圖4所示。

圖4 主電機(jī)和收線電機(jī)的同步、張力控制程序

4.4 排線電機(jī)控制方法

將同側(cè)的排線電機(jī)和線輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定成主從關(guān)系，既線輪每轉(zhuǎn)一圈，對(duì)應(yīng)的排線電機(jī)控制排線機(jī)構(gòu)向里或向外運(yùn)動(dòng)一定的距離，使排線導(dǎo)輪始終精確跟隨同側(cè)線輪，當(dāng)排線機(jī)構(gòu)運(yùn)行到極限位置或同側(cè)線輪換向運(yùn)行時(shí)，排線電機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)排線機(jī)構(gòu)換向。通過使用力士樂的MB_TraverseControlType01函數(shù)指令能較為便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)多線切割機(jī)的排線控制，下面用放線電機(jī)和放排電機(jī)為例來說明（收放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同），程序如圖5所示。

圖5 收排電機(jī)的控制程序

5 結(jié)束語

本方案系統(tǒng)中，采用了力士樂MLC L65 運(yùn)動(dòng)控制器通過SERCOS Ⅲ總線的方式連接的多套伺服電機(jī)，很好地解決了多線切割機(jī)的同步控制問題。SERCOS Ⅲ總線采用了以太網(wǎng)的傳輸機(jī)制，通信速率可達(dá)到100 Mbit/sec，伺服的同步精度小于20 ns，且最小循環(huán)時(shí)間可縮短為31.25 μs，刷新時(shí)間和不超過1μs 的時(shí)基誤差保證了各軸之間的同步[2]。此外，MLC L65的編程軟件IndroWorks 通過簡(jiǎn)單設(shè)置就可以完成對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服電機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，軟件中擁有豐富的函數(shù)功能塊庫，這些函數(shù)功能塊庫包含了各種常用的運(yùn)動(dòng)控制算法、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法、軸控制函數(shù)等，這些函數(shù)通常已經(jīng)經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證，可靠性較高，可以直接在項(xiàng)目中使用，而無需重新編寫和調(diào)試復(fù)雜的控制邏輯，加快了軟件開發(fā)的速度，縮短了工程人員的編程調(diào)試時(shí)間，從而大幅縮短了設(shè)備的研發(fā)周期。這種軟件開發(fā)的模塊化方法極大提高了開發(fā)效率，使得設(shè)備能夠更迅速地投入使用和商業(yè)化。