一種基于多線切割機的切料搖擺的實現方法

袁丁　張克佳

摘 要：文章分析了實現多線切割機切割材料擺動切割的一種自動控制方法，此方法為提高切割效率提供了光明的前景，也為其他材料切割機型提高切割效率提供了清晰地思路。

關鍵詞：多線切割機；切料搖擺；PLC

1 材料擺動切割在多線切割機中的應用

多線切割機廣泛應用于 IC（集成電路）、IT（信息技術）、PV（光伏）行業中，如單晶硅、藍寶石、石英晶體、磁性材料、光學玻璃等硬脆性材料精密切片加工，是光電信息產業核心器件基片制造流程中的關鍵裝備。多線切割是目前最先進的切片加工技術，其原理是通過金屬線的高速往復運動把磨料帶入待切割材料加工區域進行研磨，將待切件同時切割為數百或數千片薄片的創新性切片工藝。[1]

切割材料擺動型多線切割機以其高效率、高精度、低損耗，所切硅片彎曲度小、翹曲度小、表面質量高等優點逐漸取代傳統的多線切割機成為硅片切割加工的主要設備。

由多年的實驗室試驗和產業化的實踐積累，我們已經生產出了更成熟的硬脆材料多線切割機設備。但隨著LED市場的要求越來越高，固有機型的升級改進迫在眉睫，多家企業已經開始進行革新，材料擺動切割正是在這樣的背景下研制成功的。

如圖1所示，料擺結構由工作臺電機帶動擺動電機，由上到下勻速運動，順時針逆時針往復運動，垂直位置作為homing point。

2 電氣硬件結構

如圖2所示，搖擺機構的控制系統由觸摸屏、PLC控制器、伺服驅動器和電機，過擺檢測組成。

HMI與PLC之間使用Ethernet協議標準，PLC與伺服驅動器之間使用串口協議標準，PLC中網口串口兼容，使用靈活。

3 PLC簡介

當代FA中，自動控制領域成熟的技術莫過于PLC技術，傳統的繼電器控制系統使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于觸點接觸不良，容易出現故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。PLC控制結構如圖3所示。

CPU是PLC的核心，通常由單片機擔當。它有如下操作：

（1）刷新輸入和輸出。這個功能允許CPU讀取輸入端狀態和驅動輸出端；（2）執行算數和邏輯運算。CPU能夠處理包括在PLC中的所有算數和邏輯運算；（3）同存儲器通訊。PLC的程序和數據存儲在存儲器中，CPU讀或寫存儲器存儲單元的內容；（4）掃描應用程序。應用程序是指梯形圖，是用編程器編寫的指令集，掃描程序允許PLC去執行又編程人員編寫的專用應用程序；（5）多樣的脈沖控制。可從CPU單元內置輸出點發出固定占空比脈沖信號，脈沖輸入到伺服電動機驅動器來達到定位/速度控制。

存儲器單元在PLC中是一個存儲信息、數據和程序的元件。PLC中帶有只讀存儲器ROM和隨機存儲器RAM。PLC的操作程序存儲在ROM中而梯形邏輯程序存儲在RAM中。根據控制的復雜程度和型號的不同，PLC的RAM存儲器從1K到16K不等。

PLC的輸入模塊包括開關量、模擬量和特殊用途的模塊。OMRON的開關量輸入模塊是有源輸入模塊，輸入電壓是直流24V，內部采用光電隔離，大大提高了抗干擾能力。輸入點數是24點，中斷脈沖接收輸入最大8點，高速計數器輸入為4軸，頻率為100kHz（單相）/50kHz（相位差）。

本結構所用的PLC輸出為晶體管漏型輸出，程序最大容量20K步，最大輸入輸出點數為320點，輸入輸出點數為40點，輸出點數16點。可擴展兩個串行接口RS-232C端口與HMI進行通訊。

4 PLC編程語言的優點

PLC采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機知識，因此系統開發周期短，現場調試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。

PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設計法來設計。這種編程方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，設計梯形圖的時間比設計相同功能的繼電器系統電路圖的時間要少得多。

PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發光二極管可觀察輸出信號的狀態。完成了系統的安裝和接線后，在現場的統調過程中發現的問題一般通過修改程序就可以解決，系統的調試時間比繼電器系統少得多。

5 控制原理

這種擺動結構用到的伺服驅動器可以提供位置、速度、扭矩三種操作模式，經分析，此搖擺裝置適于采用位置控制模式。

位置控制模式被應用于精密定位的場合，這種控制方式有兩種命令輸入方式：脈沖及內部寄存器輸入，具有方向性的命令脈沖輸入可經由外界來的脈沖來操縱電機的轉動角度，最高可接受高達4Mpps的脈沖輸入。為了更方便做位置控制，提供64組位置命令寄存器，利用通訊方式來改變命令寄存器的內容值 。

5.1 定位方法

5.2 循環擺動原理

根據順序控制的原理，通過PLC指令來變換脈沖數值的符號位，進而改變電機的轉動方向。當開始信號置1之后，標記標志位，使內存地址記住此時的狀態，脈沖輸出一定的值，通過PLC端子通過內部輔助繼電器轉換為電信號，發給伺服驅動器指令，電機以設定方向開始運動，當脈沖發出結束，電機運動結束，這時標記標志位取反，正轉指令置0，反轉指令置1，脈沖繼續發出，電機此時接收到指令，開始反向運動。

這樣標志位的循環置位，控制電機的運轉，實現了料臺的往復運動，增加了材料與鋼線的摩擦，提高切割效率。部分程序如圖5所示。

5.3 擺動停止的計算方法

6 結束語

此搖擺結構雖未達到完美，但已經應用到了實際機型中，在實踐中再尋找升級方案，客戶的建議是我們的前進動力。這是國內半導體行業大膽自主研發國外先進技術的新進展，為半導體切割技術提供了新思路。今后還將會不斷地通過研究與實驗完善擺動切割工藝。

參考文獻

[1]吳學斌，胡孝偉，陳平，等.淺談一種多線切割機的擺動機構[J].科技創新與應用，2013.

作者簡介：袁丁（1988-），女，助理工程師。