多線切割機(jī)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王堅(jiān)鑌

摘要：目前，多線切割機(jī)廣泛應(yīng)用在電子信息行業(yè)，主要用來(lái)加工單晶硅、藍(lán)寶石和SiC等材料。生產(chǎn)過(guò)程中，由纏繞在切割軸上的金剛線將工件切割成片，通過(guò)控制金剛線的直徑和線間距可切割出不同厚度及不同數(shù)量的切片。這個(gè)工藝具有生產(chǎn)效率較高、材料損耗率低等優(yōu)點(diǎn)，因此代替了之前的內(nèi)圓切割機(jī)等成為SiC晶片切割的關(guān)鍵設(shè)備。但多線切割機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，包括走線系統(tǒng)、張力控制、速度同步控制和主軸系統(tǒng)等，且影響切片精度的因素較多，需要對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行精確建模分析。

關(guān)鍵詞：多線切割機(jī);伺服電機(jī)控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

引言

伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)整體，其主要組成元素包含了驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)還有電力的電子原件等，是從步進(jìn)向直流進(jìn)步，與數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、微電子技術(shù)等共同發(fā)展進(jìn)步。同時(shí)，伺服控制技術(shù)又從直流發(fā)展到了交流，與特種電機(jī)材料技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等同步發(fā)展。硬件服務(wù)控制系統(tǒng)為加工技術(shù)提供了推動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了軟件伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，提高了伺服系統(tǒng)運(yùn)行的性能。

1伺服控制系統(tǒng)含義

伺服電控系統(tǒng)是現(xiàn)代信息化發(fā)展的一種產(chǎn)物，是比較常見(jiàn)的一種負(fù)反饋系統(tǒng)，從屬于自控系統(tǒng)之中，也可將其稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)隨動(dòng)系統(tǒng)，即控制對(duì)象隨著給定信號(hào)變化而發(fā)生改變。受控體、制動(dòng)器、控制器以及傳感器等是伺服控制系統(tǒng)中最重要的幾個(gè)組成部分，在眾多構(gòu)件中，制動(dòng)器由功率放大器、馬達(dá)構(gòu)成;被控的物件則稱(chēng)之為受控體，而控制器、被控制對(duì)象、執(zhí)行器和檢測(cè)變速器等則也是其不可缺少的成分。但電液伺服系統(tǒng)也存在多種弊端，如體積龐大、運(yùn)行中產(chǎn)生噪音大以及漏油現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生等。從控制理論上來(lái)說(shuō)，電氣伺服系統(tǒng)不但包括開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，還包括閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，一共三種類(lèi)型。

（1）開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試維護(hù)容易，內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)反饋的控制回路，工作穩(wěn)定、成本低，沒(méi)有檢測(cè)的反饋裝置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)有錯(cuò)誤時(shí)，電動(dòng)機(jī)也會(huì)隨著裝置發(fā)出脈沖指令進(jìn)行工作，并且還會(huì)修正錯(cuò)誤，作出信息錯(cuò)誤反饋。在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是主要驅(qū)動(dòng)部件，其步距角精度、機(jī)械的傳動(dòng)精度能夠影響開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度。一般情況下，一些對(duì)精度和速度要求不高的設(shè)備中，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)都會(huì)用到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較方便，主要由無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器、測(cè)量速度的發(fā)電機(jī)構(gòu)成。其中，無(wú)刷轉(zhuǎn)變壓器最主要的器件還是裝載內(nèi)部的脈沖編碼器，不會(huì)受一些非線性因素的影響，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)的控制。在數(shù)控機(jī)床中，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置精度不高的情況下，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的精度可以作為整個(gè)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度，為了達(dá)到要求的高度，數(shù)控裝置內(nèi)部的誤差補(bǔ)償功能和間隙補(bǔ)償功提升加工的精度。

（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是由各種裝置組成，即：比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動(dòng)放大器、機(jī)械傳動(dòng)裝置、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)以及直線位移測(cè)量裝置等。其中，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件能夠監(jiān)測(cè)、反饋修正機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量，即：直流伺服電動(dòng)機(jī)或者交流伺服電動(dòng)機(jī)。在測(cè)量機(jī)床部件時(shí)，能夠構(gòu)成一個(gè)較高精度的全閉環(huán)控制位置系統(tǒng)，可以直接利用安裝在工作臺(tái)的光棚或者感應(yīng)同步器。在整個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)中，可以在移動(dòng)的部件上，安裝直線位移檢測(cè)器。但機(jī)械傳動(dòng)裝置之間的一些非線性因素，會(huì)影響整體的穩(wěn)定性，如：摩擦阻尼、裝置剛度以及反響間隙等。

2多線切割機(jī)伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2.1多線切割機(jī)整體設(shè)計(jì)

多線切割機(jī)主要包括控制系統(tǒng)、走線系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等，其中控制系統(tǒng)以PLC為核心，將各執(zhí)行元件的狀態(tài)信息收集，通過(guò)邏輯運(yùn)算輸出控制指令，走線系統(tǒng)主要包含放線部件、收線部件、張力擺桿和主軸部件，張力擺桿電機(jī)對(duì)始末兩端電機(jī)轉(zhuǎn)速和金剛線張力起調(diào)節(jié)作用。為了保證設(shè)備有較好的穩(wěn)定性，以及高精度和高效率等性能，主要把以下幾項(xiàng)指標(biāo)作為目標(biāo)條件，進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

正面視圖中為三個(gè)加工輪，如圖1所示，加工輪電機(jī)為伺服電機(jī)，是系統(tǒng)的主動(dòng)部分，其電機(jī)需要滿足速度同步的要求。走線系統(tǒng)主要包括放線輪、導(dǎo)輪及擺桿，放線輪和收線輪為隨動(dòng)部分，擺桿部分通過(guò)角度的調(diào)節(jié)，使金剛線上的張力保持恒定，各導(dǎo)輪將金剛線繞線方向進(jìn)行改變，從送線輪輸出經(jīng)過(guò)加工輪最終到達(dá)收線輪，整個(gè)過(guò)程保證送線的均勻性。

2.2 SiC晶片切割試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)SiC晶片的切割試驗(yàn)，測(cè)試伺服電機(jī)控制系統(tǒng)及整機(jī)的性能。經(jīng)過(guò)多次試切試驗(yàn)后，選取與設(shè)備相匹配，切割性能較好的工藝參數(shù)，按照相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行切割，在試驗(yàn)過(guò)程中觀察并記錄各項(xiàng)主要參數(shù)，其中金剛線張力值保持在35士2N范圍內(nèi)，張力擺桿擺動(dòng)幅度在+3°以?xún)?nèi)，切割完成后，晶片的表面光潔度較高，一致性好。對(duì)晶片的表面質(zhì)量，主要考察晶片的TTV、BOW和Warp等參數(shù)，參數(shù)越小，表明切割的質(zhì)量越好，用平坦度測(cè)量?jī)x對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，TTV在20m以?xún)?nèi)，BOW在20m以?xún)?nèi)，Warp在30m以?xún)?nèi)。對(duì)比國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都在較好的范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)后續(xù)的研磨工藝可將TTV、Bow和Warp值進(jìn)一步改善，最終滿足SiC器件或襯底的參數(shù)要求。

3結(jié)語(yǔ)

分析了切割走線系統(tǒng)中輸入量、輸出量之間的關(guān)系，進(jìn)而建立了張力擺桿電機(jī)和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)模型。為了改善控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了兩輸入三輸出模糊FID控制器，并在試驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了SiC晶片切割試驗(yàn)，放線輪電機(jī)與收線輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速踉隨性很好，誤差較小，SiG晶片表面質(zhì)量較好，表明采用此控制策略能得到很好的控制效果，切割機(jī)能達(dá)到很高的精度。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉揚(yáng).淺析伺服電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技視界，2014，（18）：75.

（作者單位：煙臺(tái)力凱數(shù)控科技有限公司）