太陽能硅片多線切割張力控制改進(jìn)研究

管永強(qiáng)，林羅剛，朱 陽

（臺(tái)州廣播電視大學(xué)高職學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000）

太陽能電池以其不消耗燃料和水等物質(zhì)，使用中對(duì)環(huán)境無污染的優(yōu)勢(shì)，有望成為2l世紀(jì)的重要新能源之一。近年來，光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，塊狀光伏電池（一般指晶體硅光伏電池）作為目前市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品，可分為單晶硅和多晶硅兩種太陽能電池[1]。傳統(tǒng)的硅片切割機(jī)效率低、損耗大的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了硅片加工行業(yè)的發(fā)展。多線切割同時(shí)可以進(jìn)行幾百個(gè)切片的加工，它通過纏繞在導(dǎo)向軸上的切割線的運(yùn)動(dòng)，采用研磨原理，速度快、精度高、損耗低。多線切割時(shí)，重點(diǎn)考慮斷線故障率外，另一個(gè)質(zhì)量問題是切痕的最小寬度與形位誤差如平行度、角度等的精度，這些都取決于切割線的振幅和頻率[2]。如果對(duì)切割線的張力控制得當(dāng)，將在很大程度上解決上述問題。因此，有必要對(duì)多線切割的張力進(jìn)行建模分析，找到張力控制中的問題并加以改進(jìn)，從而提高多線切割的效率與精度。

1 張力原理分析

1.1 張力形成原理

在線切割過程中，材料受到牽引力，當(dāng)考慮阻力等各項(xiàng)因素時(shí)，如圖1所示，將在材料上產(chǎn)生張力。假設(shè)切割線張力為F0，左側(cè)收料卷上線速度為ω1，右側(cè)放料卷上線速度為ω2，當(dāng)材料處于線彈性范圍內(nèi)時(shí)，可以由胡克定理得到F0[3]，F(xiàn)0對(duì)傳送時(shí)間t求導(dǎo)，可以得到

式中，ε為原料的彈性模量；δ為材料的橫截面積；L為原料初始牽引長度；t為原料傳送時(shí)間。

圖1 張力形成示意圖

式（1）表明，線張力變化量與速度變化量是同向的，因此要想實(shí)現(xiàn)張力的控制，可以通過對(duì)速度差的調(diào)節(jié)即可，當(dāng)張力需要恒定時(shí)，即調(diào)節(jié)速度差為0.

1.2 切割線的張力模型

切割機(jī)走線系統(tǒng)的控制目標(biāo)是如何使切割線工作時(shí)具有恒定的張力。切割線繞在導(dǎo)線輪上，取包角為dα的任一段研究，卷輥對(duì)其產(chǎn)生的彈力為dp，對(duì)其產(chǎn)生的摩擦力為線密度為μdp，材料的線密度為ρ，如圖2所示。

圖2 切割線的張力模型

根據(jù)張力遞增定律，在dP方向上有

在μdP方向上有

聯(lián)立（2）和（3）可得

計(jì)算表明，摩擦系數(shù)μ與包角β是決定卷輥兩側(cè)張力差的主要因素。

2 切割線張力的特點(diǎn)分析

控制切割線上的張力保持恒定，首先可以減少切割線振動(dòng)的振幅與頻率，其次可以減少切割線與被切件的接觸應(yīng)力。與紡織業(yè)、光纖、電纜等的張力相比，切割線的張力有以下四個(gè)特點(diǎn)[4]：

（1）張力小。由于硅片原料價(jià)格昂貴，為了減少損耗，切割線的直徑一般選用φ0.10 mm～φ0.16 mm，因此，切割線抗拉強(qiáng)度有限，常用張力設(shè)置如表1所示，一般在30 N上下。

表1 常用切割線張力設(shè)置

（2）張力設(shè)置要求精確。多線切割機(jī)工作時(shí)，由于切割線與工件之間的接觸應(yīng)力隨切割線的曲率增大而增大，因此，操作時(shí)，首先要根據(jù)工件的力學(xué)強(qiáng)度來設(shè)置張力。其次，還要根據(jù)工件的尺寸來調(diào)整切割線的進(jìn)給速度，這就需要控制切割線張力與進(jìn)給速度之間的合理對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。如果切割線張力偏大，會(huì)導(dǎo)致斷線故障加劇，甚至有可能損壞切割機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)，如果張力偏小，則效率低下，導(dǎo)致成本偏高。所以，多線切割機(jī)使用時(shí)，需要多方面綜合考慮，精確設(shè)置合理張力。

（3）控制精度要求高。為了保證被切工件整體的厚度差異在合理的范圍內(nèi)，就必須使互相平行的切割線之間的張力保持致，也就必須精確控制張力的波動(dòng)。

（4）張力波動(dòng)的頻率較高。多線切割機(jī)的切割線速度一般在400～1 000 m/min之間，由于多種因素的影響，使切割線的張力隨著抖動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)，通過對(duì)切割線張力進(jìn)行信號(hào)頻譜圖分析，如圖3所示，除了在低頻段外，張力信號(hào)的衰減在全頻域內(nèi)都很小，信號(hào)的頻帶也比較寬。

圖3 切割線張力信號(hào)頻譜分析

3 常用張力控制方法缺陷

國內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)張力的控制多采用張力錘控制或直接式控制[6]。

3.1 張力錘控制

圖4為多線切割機(jī)放線側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。其原理是將一個(gè)可以在滑槽內(nèi)上下移動(dòng)的張力錘加在收/放線軸和加工軸間，通過張力錘的重力產(chǎn)生壓力，并用來協(xié)調(diào)主電機(jī)與放線電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這實(shí)際上是一種開環(huán)控制。

圖4 多線切割機(jī)放線側(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

如果張力錘的質(zhì)量為m，速度為VG，則可得到切割線張力F為[7]

3.2 直接式控制

直接式控制屬于閉環(huán)系統(tǒng)控制，工作原理如圖5所示。

圖5 直接式控制示意圖

這種直接控制方式主要用于振動(dòng)頻率較低的大張力場(chǎng)合，如絞車等，都有許多成功的案例。但多線切割機(jī)中，由于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差、機(jī)械相關(guān)機(jī)構(gòu)的跳動(dòng)誤差及負(fù)載效應(yīng)，切割過程中張力電機(jī)產(chǎn)生各種不穩(wěn)定現(xiàn)象如鳴叫、來回震蕩等。

4 張力控制改進(jìn)方案

由于張力錘開環(huán)控制的抗干擾能力差，直接控制的穩(wěn)定性又不可靠，因此可以考慮通過機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性從而降低張力振幅，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的高精度控制[8]。

4.1 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

圖6所示為改進(jìn)結(jié)構(gòu)，用一個(gè)長為L0、角速度為ω的相對(duì)質(zhì)量較小的張力擺桿（質(zhì)量設(shè)為mL）替換了原來較重的張力錘，原來的張力電機(jī)換成交流伺服電機(jī)，可以對(duì)張力擺桿實(shí)施直接的轉(zhuǎn)矩控制。

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算得到改進(jìn)后的切割線張力為

式中，mL為張力擺桿質(zhì)量；L為張力電機(jī)軸線到擺桿重心的距離；L0為張力擺桿長度；I為擺桿與轉(zhuǎn)子的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為張力電機(jī)產(chǎn)生的力矩；ω0為張力電機(jī)角速度。

如果將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效成張力擺桿，設(shè)等效質(zhì)量為mM，假定改進(jìn)前后系統(tǒng)的加速度相同，則得到改進(jìn)后切割線的張力振幅比例系數(shù)為

4.2 樣機(jī)測(cè)試

以XQ300A中型多線切割機(jī)為測(cè)試樣機(jī)，伺服電機(jī)采用YASKAWA公司的∑Ⅲ系列，改進(jìn)后切割線的張力振幅下降為γ，得到γ曲線如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后張力下降的百分比曲線

試驗(yàn)切割單晶硅、藍(lán)寶石等材料時(shí)，原重錘質(zhì)量為6 kg左右，張力為29.3 N左右，改進(jìn)后，在加速度相同的情況下，張力振幅下降了96.7%，克服了開環(huán)控制的缺陷。因此，改進(jìn)方案能夠保證多線切割機(jī)高效、穩(wěn)定地工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本低、精度高的要求。

5 結(jié)束語

雖然在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)能有效控制切割線張力，但后續(xù)的檢測(cè)手段還需進(jìn)一步完善，如張力傳感器的初始化設(shè)置問題、如何調(diào)整張力偏差等。此外，多線切割機(jī)的多電機(jī)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)控制、排線機(jī)構(gòu)如何均勻收線等，對(duì)多線切割機(jī)來說均非常重要。本設(shè)計(jì)謹(jǐn)為后續(xù)更為完善的多線切割機(jī)設(shè)計(jì)開一先河。

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