一種基于多線切割機的切料搖擺的實現(xiàn)方法

袁丁　張克佳

摘 要：文章分析了實現(xiàn)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(yè)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(chǎn)業(yè)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(qū)域進行研磨，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。[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(zhì)量高等優(yōu)點逐漸取代傳統(tǒng)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(chǎn)業(yè)化的實踐積累，我們已經(jīng)生產(chǎn)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(yè)已經(jīng)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(tǒng)由觸摸屏、PLC控制器、伺服驅(qū)動器和電機，過擺檢測組成。

HMI與PLC之間使用Ethernet協(xié)議標準，PLC與伺服驅(qū)動器之間使用串口協(xié)議標準，PLC中網(wǎng)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(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(tài)和驅(qū)動輸出端；（2）執(zhí)行算數(shù)和邏輯運算。CPU能夠處理包括在PLC中的所有算數(shù)和邏輯運算；（3）同存儲器通訊。PLC的程序和數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，CPU讀或?qū)懘鎯ζ鞔鎯卧膬?nèi)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(zhí)行又編程人員編寫的專用應用程序；（5）多樣的脈沖控制?？蓮腃PU單元內(nèi)置輸出點發(fā)出固定占空比脈沖信號，脈沖輸入到伺服電動機驅(qū)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(shù)據(jù)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(jù)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(nèi)部采用光電隔離，大大提高了抗干擾能力。輸入點數(shù)是24點，中斷脈沖接收輸入最大8點，高速計數(shù)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(shù)為320點，輸入輸出點數(shù)為40點，輸出點數(shù)16點?？蓴U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(yōu)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(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)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(guī)律，很容易掌握。對于復雜的控制系統(tǒng)，設計梯形圖的時間比設計相同功能的繼電器系統(tǒng)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(diào)試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。

5 控制原理

這種擺動結構用到的伺服驅(qū)動器可以提供位置、速度、扭矩三種操作模式，經(jīng)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(nèi)部寄存器輸入，具有方向性的命令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電機的轉(zhuǎn)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(nèi)容值 。

5.1 定位方法

5.2 循環(huán)擺動原理

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

這樣標志位的循環(huán)置位，控制電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)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(jīng)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(nèi)半導體行業(yè)大膽自主研發(fā)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(chuàng)新與應用，2013.

作者簡介：袁?。?988-），女，助理工程師。