多線切割機(jī)電氣控制設(shè)計

丁彭剛，王雙全，莊文波，王亞君

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

多線切割機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于IC（集成電路）、IT（信息技術(shù)）、PV（光伏）行業(yè)中，如單晶硅、藍(lán)寶石、石英晶體、壓電陶瓷、磁性材料、光學(xué)玻璃等硬脆性材料精密切片加工的電子專用設(shè)備，是光電信息產(chǎn)業(yè)核心器件基片制造流程中的關(guān)鍵裝備。多線切割是目前最先進(jìn)的切片加工技術(shù)，其原理是通過金屬線的高速往復(fù)運(yùn)動把磨料帶入待切割材料加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將待切件同時切割為數(shù)百或數(shù)千片薄片的創(chuàng)新性切片工藝。在該工藝中，切割線被纏繞在一個導(dǎo)線軸輥上，可以一次性完成相當(dāng)于內(nèi)外圓切割機(jī)數(shù)百次的切割量，而且在切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的加工設(shè)備，多線切割機(jī)以其切割速度快、加工精度高、切割損耗低的優(yōu)點，已逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割和外圓切割技術(shù)，成為硬脆性材料切片加工的主流設(shè)備。

1 多線切割機(jī)走線系統(tǒng)構(gòu)成

線切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)計是一個涉及機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。圖1所示的是多線切割機(jī)的走線系統(tǒng)示意圖，放線輪上的切割線（通常為鋼絲線或者是金剛石線）通過一系列導(dǎo)向輪過渡到加工軸輥上，

在加工輥上纏繞多圈，再通過一系列導(dǎo)線輪收卷到收線輪。多線切割機(jī)進(jìn)行切片加工時，工作臺進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動待切件向下運(yùn)動與切割線接觸，加工輥高速往復(fù)運(yùn)動，切割線則隨之帶動砂漿研磨切割待切件，從多線切割機(jī)的加工原理不難看出，走線系統(tǒng)是多線切割機(jī)系統(tǒng)的核心。如圖2所示，多線切割機(jī)走線系統(tǒng)主要由放線輪、加工軸錕、收線輪、張力控制裝置、排線裝置等幾個部分構(gòu)成，各部分通過導(dǎo)線輪相連，加工輥兩側(cè)各有一個張力控制器，放線輪和收線輪側(cè)都配有排線裝置。

2 多線切割機(jī)控制部分

圖1 多線切割機(jī)走線系統(tǒng)示意圖

圖2 多線切割機(jī)走線系統(tǒng)通用框圖

多線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)綜合了分布式控制，模糊控制，PID控制等多種技術(shù)，本文主要介紹電氣控制部分。

2.1 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

多線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示，控制系統(tǒng)主要由主控制器、軸控制卡、電機(jī)模塊、分布式I/O站、電源接口模塊、溫度控制模塊、斷線監(jiān)測模塊、觸摸屏等組成。本系統(tǒng)選用PLC控制器作為整個控制部分的核心，它的性能影響著整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，它的位計算速度是0.1μs，浮點數(shù)計算速度為 3μs，能夠充分滿足需要。軸控制卡和控制器通信采用的是PROFIBUS總線，PROFIBUS總線是現(xiàn)在國際上比較流行的分布式總線，通信模式采用的是等時通訊模式，它的特點是傳輸時間可調(diào)、傳輸速率快，分布式控制，抗干擾能力比較強(qiáng)。I/0的輸入和輸出模塊采用分布式I/0站，和控制器之間采用以太網(wǎng)連接，它是一個防護(hù)等級為IP20的模塊化配置DP從站，最多能夠連接8個信號或功能模塊，具有抗干擾性強(qiáng)，和主機(jī)交換數(shù)據(jù)實時性高，所用電纜少（總線連接）等諸多優(yōu)點。系統(tǒng)采用數(shù)字式溫控模塊進(jìn)行冷卻液的溫度控制和砂漿流量的控制，它的特點是高速采樣，采樣周期為50ms；高精度、高分辨率；多點輸入，支持多種溫度和模擬量輸入；多點輸出，支持多種電流和電壓輸出（脈沖）等。電源模塊包含濾波和整流功能，把380V交流電轉(zhuǎn)換成電機(jī)需要的直流電。系統(tǒng)含有8個電機(jī)模塊，用以實現(xiàn)主從軸、排線、收放線輪、工作臺等機(jī)構(gòu)的控制。

2.2 主從軸輥的同步控制

軸輥運(yùn)轉(zhuǎn)由兩個大功率電機(jī)帶動，并在軸輥電機(jī)主從控制結(jié)構(gòu)中，將一臺電機(jī)作為主動電機(jī)，另一臺作為從動電機(jī)。主電機(jī)以用戶給出的速度給定值作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值，而從動電機(jī)以主電機(jī)的輸出速度作為自己的參考值。在運(yùn)行過程中緊密跟蹤主電機(jī)。這種控制方式使系統(tǒng)的同步精度得到提高。主從軸輥電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖4 軸輥電機(jī)主從控制示意圖

2.3 張力控制

鋼線的張力是多線切割機(jī)切割工藝中相當(dāng)核心的要素之一。張力控制不好是產(chǎn)生線痕片、崩邊、甚至斷線的重要原因。鋼線的張力過小，將會導(dǎo)致鋼線彎曲度增大，帶砂能力下降，切割能力降低。從而出現(xiàn)線痕片等。鋼線張力過大，懸浮在鋼線上的碳化硅微粉就會難以進(jìn)入鋸縫，切割效率降低，出現(xiàn)線痕片等，并且斷線的幾率很大。如圖5所示為張力控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。主軸軸輥上鋼線通過張力臂上的導(dǎo)輪連接收放線輪。張力臂的力矩來源由氣缸提供，并設(shè)定張力臂的垂直位置為平衡位置。在切割工藝中，通過氣缸設(shè)定鋼線的工作張力，當(dāng)主軸速度和線輪速度不一致時，張力臂偏離平衡位置，鋼線張力發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)收放線輪的線速度，使之與主軸線速度一致，使張力臂盡量在平衡位置附近，以達(dá)到穩(wěn)定鋼線張力的目的。

圖5 張力臂機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了比較精確匹配軸輥速度和收放線輪速度，使之線速度趨于一致，使張力臂擺動的幅度盡量最小，最終使張力臂上鋼線張力趨于穩(wěn)定，負(fù)載變化較小，因此引入了PID控制。如圖6所示為本系統(tǒng)的PID控制框圖。其中張力臂平衡位置P0為輸入值，張力臂的轉(zhuǎn)角通過編碼器獲得，為系統(tǒng)反饋值，兩者之差經(jīng)過PID控制器轉(zhuǎn)化為速度，同時把線輪補(bǔ)償速度作為一個前饋，共同作用值傳遞給收放線輪。

圖6 PID控制框圖

在控制器中設(shè)定采樣周期，Pi表示第i次采樣周期張力臂擺動位置

本系統(tǒng)PID控制規(guī)律用如下方程表示：V(Ki)表示收放線輪第i次采樣周期計算速度，KP是張力臂位置和平衡位置差值的比例系數(shù)，Ki是累計張力臂位置和平衡位置差值的積分系數(shù)，Kd是采樣周期之間位置差值的微分系數(shù)，V線輪(t)是收放線輪的計算速度。在控制器的每次等時模式數(shù)據(jù)傳輸中，把計算速度傳遞給收放線輪，來時刻調(diào)節(jié)張力臂的擺臂角度，使之處于平衡位置。對于PID控制而言，PID各項系數(shù)的選擇始終是一件非常煩雜的工作，需要經(jīng)過不斷的調(diào)整才能得到較為滿意的控制效果。

2.4 收線輪排線控制

在切割機(jī)往復(fù)走線過程中，放線輪上的鋼絲線會逐漸過渡到收線輪，排線機(jī)構(gòu)是保證走線系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，在走線系統(tǒng)中起著非常重要的作用。排線機(jī)構(gòu)將切割線均勻地收卷到收線輪上，排線導(dǎo)輪的直線運(yùn)動速度大小跟隨收線輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過排線導(dǎo)輪的周期性往復(fù)運(yùn)動，收線輪電機(jī)能使切割線整齊地纏繞在收線輪上，有效防止多層纏繞時鋼絲線亂卷、相互纏繞等現(xiàn)象，在收線過程中，線輪上的入線位置會發(fā)生改變，排線電機(jī)驅(qū)動導(dǎo)輪跟隨線輪上的入線位置移動，其移動范圍應(yīng)在線輪上繞線部分長度L以內(nèi)。在入線位置的每個前進(jìn)或后退行程內(nèi)，入線位置ΔS(t)與線輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)Nr(t)的關(guān)系為：ΔS(t)=Nr(t)h(h為線輪上繞線間距)。因此通過數(shù)據(jù)總線讀出線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)后，即可控制排線導(dǎo)輪移動到相應(yīng)的位置，如圖7所示。

圖7 鋼線排線示意圖

2.5 溫度和砂漿流量控制

在切割機(jī)切割狀態(tài)下，必須時刻監(jiān)測機(jī)器上各個重要部分的溫度以及砂漿流量控制。需要監(jiān)測的溫度部分主要有軸輥部分、熱交換器冷卻部分、砂漿返回溫度等，為了監(jiān)測各個部分溫度，本系統(tǒng)選用的是四線制Pt電阻溫度傳感器。相比于二線制、三線制Pt電阻溫度傳感器，四線制測量溫度更為精準(zhǔn)，與溫度控制模塊相結(jié)合，可以把溫度控制在比較理想的范圍內(nèi)。如圖8所示，為利用溫度控制模塊、四線制Pt電阻和比例閥來控制熱交換器冷卻砂漿。

圖8 熱交換器冷卻示意圖

鋼線在高速運(yùn)動中，要完成對硅料的切割，必須由砂漿泵將砂漿從砂漿罐中打到噴砂嘴，再由噴砂嘴噴到鋼線上。砂漿的流量是否均勻、流量能否達(dá)到切割的要求，都對切割能力和切割效率起著很關(guān)鍵的作用。如果流量跟不上，就會出現(xiàn)切割能力嚴(yán)重下降，導(dǎo)致線痕片、斷線、甚至是機(jī)器報警。為了監(jiān)測系統(tǒng)的流量控制，系統(tǒng)選用質(zhì)量流量計來時刻測量砂漿的流量。如圖9所示，把質(zhì)量流量計測得流量結(jié)果時刻傳遞給數(shù)字溫度模塊，模塊利用自身內(nèi)部的PID模塊，計算出相應(yīng)的輸出值，可以是電壓，電流等，輸出值控制變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)砂漿流量滿足系統(tǒng)要求。質(zhì)量流量計同時可以監(jiān)測砂漿的黏度，隨著切割進(jìn)行，砂漿的黏度超出工藝要求范圍時，及時進(jìn)行報警。

圖9 砂漿流量控制示意圖

3 結(jié)束語

除去以上列舉的電控部分的研究，同時進(jìn)行了切割過程中斷線監(jiān)測方法等研究。在多線切割機(jī)切割工藝中，控制系統(tǒng)的每一部分都根據(jù)權(quán)重的不同，在系統(tǒng)中起著重要作用。在切割工藝實驗中，根據(jù)硅片的切割質(zhì)量，確定控制系統(tǒng)的各個部分是否滿足使用要求，并根據(jù)實驗結(jié)果，相應(yīng)的進(jìn)行控制系統(tǒng)各個部分的改進(jìn)，最終切割產(chǎn)品滿足用戶要求。

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