一型金剛線切割機控制系統設計

陳玉喜　潘松峰

【摘 要】金剛線切割技術是目前世界上先進的切割加工方法之一。一般的線切割機采用收放兩個線輪，對兩個電機的同步性有嚴格的要求，兩個電機需采用伺服電機，成本較高。本文中，將兩個收放線輪合二為一，收放線輪用一個輪代替，線的纏繞方向不同，從而達到一側放線一側收線，采用一個電機控制，這樣既節約了成本，便于控制，又減少更換金剛線的頻率。

【關鍵詞】金剛線；切割機；伺服電機

【Abstract】King kong line knifing technology is one of the most advanced knifing method.Traditional cutter bar have a pull line wheel and a push line wheel，it emphasize two motors synchronism，and two motors are all servo motor，the cost is huge.in this paper，we make one wheel replace two wheels，but line twine direction is different from the traditional cutterbar，and the wheel can achieve both pull and push line.this method has three advantages，first， the cost is not huge，second，it can be easily controlled，third，we can reduce frequency of changing king kong line.

【Key words】King kong line；Cutter bar；Servo motor

0 引言

金剛線切割機的工作原理是通過一根鋼絲線的高速往復運動，將砂漿帶入待切割材料的加工區域進行研磨，將切割材料割成薄片，砂漿是碳化硅微粒與輕質油按照一定的比例混合攪拌而成的懸浮液，其中碳化硅微粉是磨料，起到研磨作用，輕質油為碳化硅的載體[1]。鋼絲線表面鍍金剛粉，使之如鋸齒一般切割，工作時，鋼絲線的速度由零開始加速，以恒定速度運行一段時間后，再降到零速，之后再反向由零加速，再沿反方向降到零速，這就是一個完整的工作周期。

1 金剛線切割機的機械結構

1.1 一般線切割機的機械結構

圖1為一般金剛線切割機的機械結構，左側為放線一側，包括放線輪、導線輪和放線張力擺桿，其中（3）為排線輪，（5）為金剛石線，（9）為張力擺桿，（10）為張力電機，右側稱為收線一側，包括收線輪、收線張力擺桿、導線輪和排線器。中間為機械加工部分，包括工作臺和兩個加工滾輪。切割之前所有鋼絲線全部有規律的纏繞在放線輪（1）上，通過導向輪（2）在張力擺杠的導線輪（11）繞一圈后纏繞到兩個加工滾輪（4）上。這兩個加工滾輪上按機械設定的切割厚度切割硅片。金剛絲線形成一排數百條間隔相等的鋼絲線網，這樣兩個加工滾輪之間形成了由金剛絲線網組成的切割面，從而切割出厚度相等的多個硅片，然后金剛絲線再通過一系列導向輪回到收線輪（8）。

兩個加工滾輪需要兩個伺服電機拖動，同步性要求較高。切割開始時，兩個加工滾輪高速運轉，正向旋轉后反向旋轉，如此重復運行，其中正轉的時間比反轉的時間稍微長一些，金鋼絲線逐漸由放線輪轉移到收線輪上。在兩個滾輪運轉的同時，放置硅片（6）的工作臺（7）將硅片低速帶動到金剛絲線網，然后繼續作低速運動。硅片和金剛絲線網接觸后保持一定的壓力，由金鋼絲線將砂漿中的碳化硅微粉帶入到硅片加工區域進行研磨切割，硅片和鋼絲線接觸的部分慢慢被磨掉，鋼絲線逐漸切入到硅片里面，慢慢完成硅片的切片加工[2]。

1.2 單滾線切割機的機械結構

一般的金剛線切割機采用收放兩個線輪，對兩個電機的同步性有嚴格的要求，兩個電機需采用伺服電機，成本較高，現將兩個收放線輪合二為一，采用一個電機控制，這樣既節約了成本，便于控制，同時又減少更換金剛線的頻率。設計后的單滾金剛線切割機機械結構即將圖1中的收放線輪用一個滾輪代替，線的纏繞方向不同，從而達到一側放線一側收線。如圖2所示。

2 驅動電機

2.1 收放線電機

前半個周期金剛絲線集中在滾輪的一側，在硅片被切割的過程中，主電機正轉時間比反轉時間略長，金剛絲線逐漸由放線輪輸送到收線輪。對功率的要求較高，所以采用伺服電機控制比較合適。

2.2 排線電機

金剛線切割機在收線側和放線側均有排線電機，排線電機的作用是保證收放線滾輪上的金剛線能夠平鋪的分布，而不纏繞、重疊在一起。排線電機是保證機械能夠正常運轉的關鍵，在金剛線切割機的排線裝置中起到重要的作用。因排線電機對同步性要求比收放線電機略低，故排線電機選取步進電機。

2.3 工作臺電機

工作臺電機通過絲杠將旋轉運動轉化為直線運動，工作臺電機將載著硅片的工作臺緩緩推進至工作區。它主要是根據待切割硅片的尺寸，形狀等因素來確定線切割機運行過程中工作臺上硅片的實時位姿，通過與其他三個電機相互協調工作來完成硅材料的切割加工，對電機的要求精度較高，需采用伺服電機。

3 張力補償

小型線切割機采用重錘保持張力恒定，張力約等于重錘重量，在張力發生變化時，重錘上下的位置會發生變化。本文設計的單滾線切割機采用重錘取代張力電機，既能滿足一般的切割要求，也能降低成本。張力補償部分如圖3所示。

4 PLC通過變頻器控制電機

切割機系統的主要組成見圖4所示的整體設計框圖。系統的執行部件包括收放線電機、進料電機、排線電機。控制系統核心PLC控制器發出控制命令，通過變頻器控制三個電機，使其協調運動，完成切割過程。該系統采用西門子200系列程序一體化PLC，通過安裝選件板，可進行RS232通信或RS485通信。

5 觸摸屏人機界面設計

輸入和顯示系統是控制系統的重要組成部分，是實現操作人員與機器設備之間雙向溝通的“中介”，PLC與觸摸屏的通信采用串行口RS232通信方式傳達用戶指令，根據需要設定系統的運行方式。控制系統主程序流程圖如圖5所示。

6 結束語

本文設計的單滾金剛線切割機將傳統的線切割機的收放線兩個滾輪結合成一個滾輪，通過這樣的設計，能夠在實現硅片的切割工藝要求的基礎上，降低了作業成本，減少了金剛線的更換頻率，同時因其對電機的同步性要求不高，所以也方便控制。

【參考文獻】

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[責任編輯：田吉捷]