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

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京， 101601)

近年來，隨著集成電路和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，用于對單晶硅、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，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)原理是一種通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動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)走線過程中，準(zhǔn)確控制張力值，減小張力波動既能保證切割過程中不斷線，又能提高切割材料成片率，提高設(shè)備的可靠性。因此，對多線切割機(jī)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，掌握切割過程中張力變化的特點及控制方法，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，鋼絲線由放線輥釋放，經(jīng)過橫移架布線系統(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)過導(dǎo)向輪系導(dǎo)入四個加工主輥。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，走過收線端張力臂，最后再經(jīng)過導(dǎo)向輪系進(jìn)入收線輥。四個加工主輥由兩臺電機(jī)同步驅(qū)動，從而帶動切割組網(wǎng)按一定的速度正常運(yùn)行。同時將放置多晶硅錠的工作臺由電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)減速器勻速向下運(yùn)動，與此同時，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，最終實現(xiàn)對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，要求多臺電機(jī)在工作過程中具有高度協(xié)調(diào)同步性，這對于控制系統(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)動控制模塊同時驅(qū)動多臺電機(jī)同時工作，采用高分辨率的保盟編碼器對鋼絲線張力值實時在線監(jiān)測、反饋，實現(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，電機(jī)控制時張力突變大，反應(yīng)不靈敏。本方案中采用氣缸驅(qū)動張力臂，控制時緩沖力強(qiáng)，柔性好，張力無突變。具體控制框圖如圖2所示。

由圖2可見，整個控制系統(tǒng)的核心為PLC+運(yùn)動控制模塊。通過數(shù)模轉(zhuǎn)化，同時實現(xiàn)對多臺伺服電機(jī)驅(qū)動。多線切割機(jī)在工作過程中，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)，通過安裝編碼器將偏轉(zhuǎn)信號反饋PLC，PLC收到反饋信號后與理論值做比較，并在下一個掃描周期輸出，控制收放線輪速度，從而保證設(shè)備正常運(yùn)行。

如果加工過程中鋼絲線的張力過大，走線系統(tǒng)則會斷線，導(dǎo)致整個加工系統(tǒng)中斷，影響加工出片率；鋼絲線張力過小，則會引起鋼絲線的低頻振動，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)。我們有必要對張力控制系統(tǒng)做進(jìn)一步研究，掌握切割過程中張力變化的特點及控制方法。

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。控制方案的前提就是要正確分析整個工藝工程，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系統(tǒng)，找出最優(yōu)方案；而且能夠縮短后續(xù)工藝試驗周期，降低成本，提高效率。

由圖1可見，以4個加工主輥為界限，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；

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)過微小角度θ時，可得張力臂運(yùn)動學(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)動慣量；

G為張力臂重力；

θ為張力臂轉(zhuǎn)動的角度；

M為氣缸相對于回轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)矩。

式（2）變形后可得：

由式（3）可知，工作時氣缸恒壓控制，張力臂質(zhì)量，臂長及轉(zhuǎn)動慣量一旦優(yōu)化設(shè)計后不再改變，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走線過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，通過在張力臂的轉(zhuǎn)動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。具體過程為:當(dāng)編碼器反饋的角位移值大于零時，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，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)動學(xué)模型，由于在放線的過程中，放線輪直徑實時變化，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)動學(xué)模型

4 結(jié) 論

通過開展多線切割機(jī)的工藝試驗，得出了以下結(jié)論：采用高分辨率的編碼器對張力臂角度變化值進(jìn)行實時監(jiān)測，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。本文的研究成果對其它領(lǐng)域的張力控制具有一定的參考價值。

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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，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，2011，47(5):183-187.