多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的研制

蔣 近 戴瑜興 彭思齊

1.湘潭大學(xué),湘潭,411105 2.湖南大學(xué),長(zhǎng)沙,410082

0 引言

隨著集成電路和光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,硅材料加工技術(shù)也越來越受到重視,其中切割是硅材料加工的第一道關(guān)鍵工序,其加工質(zhì)量的好壞將直接影響到后續(xù)的加工效率和成品率。多線切割是通過一根鋼絲線(直徑0.12～0.16mm,長(zhǎng)度600～800km)的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入加工區(qū)域進(jìn)行研磨,將待切割硅材料一次性同時(shí)切割成數(shù)百或數(shù)千片薄片的創(chuàng)新性切片工藝[1-2]。例如瑞士Meyer Burger公司生產(chǎn)的DS262型太陽能硅片多線切割機(jī),它具有同時(shí)切割4根硅棒的功能,一組切片數(shù)最高可達(dá)4400片,這相當(dāng)于50臺(tái)切片機(jī)一天的工作量。多線切割機(jī)以其極高的生產(chǎn)效率和出片率,逐漸取代內(nèi)圓和外圓切割等傳統(tǒng)方式,所切硅片具有彎曲度小,翹曲度小,平行度好,刃口切割損耗小,表面損傷層淺,晶片表面粗糙度值小等優(yōu)點(diǎn)[3]。本文給出了一種多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的研制方法,重點(diǎn)研究了多線切割機(jī)中張力控制和多電機(jī)同步控制的實(shí)現(xiàn)。

1 多線切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

多線切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。開始所有鋼絲全部纏繞在放線輪(3或者4)上,通過一系列導(dǎo)向輪纏繞到兩個(gè)加工輥(1和2)上,這兩個(gè)加工輥上按切割寬度要求平行刻有一定深度的溝槽,鋼絲纏繞在這些溝槽上形成一排數(shù)百或數(shù)千按一定間隔排列的線網(wǎng),溝槽在加工過程中保證了鋼絲始終保持平行而不會(huì)跑偏,這樣兩個(gè)加工輥下端由纏繞的鋼絲組成了切割面,鋼絲再通過一系列導(dǎo)向輪回到收線輪(4或者3),兩個(gè)加工輥通過兩個(gè)交流伺服電機(jī)拖動(dòng),根據(jù)給定的速度指令,該加工輥正反向交替運(yùn)轉(zhuǎn),從而使鋼絲往復(fù)運(yùn)行,逐漸將鋼絲從放線輪轉(zhuǎn)移到收線輪上,同時(shí)根據(jù)給定的位置和速度指令,放置硅棒的工作臺(tái)9由下往上運(yùn)動(dòng),完成硅材料的切割。

圖1 多線切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

2 多線切割機(jī)控制系統(tǒng)組成

多線切割機(jī)的控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示,它是由9個(gè)伺服電機(jī)組成的多電機(jī)伺服系統(tǒng),主控制器采用博世力士樂公司的MLC控制器,伺服驅(qū)動(dòng)選用IndraDrive系統(tǒng),伺服電機(jī)選用MSK和MAF系列,采用SERCOS總線來完成伺服系統(tǒng)和控制器之間的通信。

圖2 多線切割機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

軟件功能主要包括主電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng),主電機(jī)和收放線電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng),收放線電機(jī)與排線電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng),同時(shí)通過轉(zhuǎn)矩模式控制張力電機(jī)的張力,程序?qū)崿F(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 多線切割機(jī)控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)框圖

多線切割機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中兩個(gè)難點(diǎn)問題是張力控制系統(tǒng)和多電機(jī)同步控制系統(tǒng),下面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1 張力控制系統(tǒng)

多線切割機(jī)的張力控制系統(tǒng)是關(guān)系到加工能否順利進(jìn)行和加工質(zhì)量好壞的關(guān)鍵技術(shù)。為了減少硅材料損耗,多線切割大都使用很細(xì)的鋼絲(直徑0.12～0.16mm),如果加工過程中鋼絲的張力過大,會(huì)使鋼絲崩斷,造成整個(gè)加工中斷,則昂貴的硅棒將報(bào)廢;而張力過小則會(huì)引起鋼絲附加低頻振動(dòng),影響到工件的表面加工質(zhì)量,使得加工出來的硅片翹曲度較大、平行度較差、表面粗糙度較差。另外,多線切割工藝要求對(duì)于不同的加工材料設(shè)定不同的張力,甚至同一工件加工的不同階段所要求的鋼絲線張力也不相同。因此一個(gè)好的張力控制系統(tǒng)應(yīng)該具有張力波動(dòng)范圍小、靜態(tài)誤差小、可方便調(diào)節(jié)等特點(diǎn)[4-5]。

2.2.1 傳統(tǒng)重錘的張力控制

多線切割機(jī)中傳統(tǒng)的張力控制系統(tǒng)都是采用重錘來施加張力,下面以放線側(cè)的張力控制為例來進(jìn)行分析,傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構(gòu)

設(shè)切割線的張力為T,張力重錘的質(zhì)量為m,張力擺桿的速度為v,則由圖4所示可得v=(v1-v2)/2,為便于分析對(duì)比,忽略摩擦力、導(dǎo)輪的大小和擺桿的質(zhì)量,設(shè)定張力擺桿在小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),對(duì)張力重錘進(jìn)行受力分析得到：

對(duì)式(1)變形得

對(duì)式(2)分析可知,張力T的波動(dòng)變化由式(2)第二項(xiàng)的波動(dòng)所引起,要降低張力的波動(dòng),就必須減小第二項(xiàng)的值,也就是減小張力重錘的質(zhì)量m,但是這樣又會(huì)減小第一項(xiàng)的值,導(dǎo)致張力的減小,這在切割中是不允許的。由上分析可知：張力重錘本身既產(chǎn)生了切割運(yùn)動(dòng)中需要的張力,同時(shí)又從根本上造成了張力的波動(dòng),并且需要的張力越大,造成的張力波動(dòng)也越大,因此需要尋找更好的張力控制結(jié)構(gòu)。

2.2.2 機(jī)電一體化的張力控制

對(duì)上面的傳統(tǒng)方式進(jìn)行改進(jìn),提出一種機(jī)電一體化的張力控制策略,也就是采用伺服電機(jī)來代替重錘施加張力,改進(jìn)后的機(jī)電一體化的張力控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)電一體化的張力控制結(jié)構(gòu)

設(shè)伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為M,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J,切割線的張力為 T,張力擺桿的角速度為ω,張力擺桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng),由圖5可得v=ωL=(v1-v2)/2,為便于分析對(duì)比,忽略摩擦力、導(dǎo)輪的大小和擺桿的重量,由電機(jī)軸力矩平衡方程得到：

對(duì)式(4)分析可知,張力T的波動(dòng)變化就是式(4)第二項(xiàng)的波動(dòng)所引起,要降低張力波動(dòng),就必須減小第二項(xiàng)的值,而L是不變的,因此只能減小J,可以選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J較小的伺服電機(jī)來產(chǎn)生張力,這樣式(4)第二項(xiàng)的張力波動(dòng)可以盡量降低。如果要提高切割線的張力,只要提高張力電機(jī)的扭矩M即可,對(duì)式(4)的第二項(xiàng)并沒有影響,在保持張力波動(dòng)不變的情況下,增大張力可以保持切割線的平穩(wěn)運(yùn)行,使得切割出來的硅片翹曲度較小、平行度較好、表面粗糙度值較小。機(jī)電一體化的張力控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)重錘的張力控制結(jié)構(gòu)相比,具有張力波動(dòng)范圍小、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 張力的設(shè)置

在多線切割機(jī)開始運(yùn)行前,首先通過張力電機(jī)使用轉(zhuǎn)矩控制來改變和施加張力,在靜止?fàn)顟B(tài)下根據(jù)式(3)可得到轉(zhuǎn)矩和張力的關(guān)系T=M/(2L),根據(jù)轉(zhuǎn)矩值和張力擺桿的長(zhǎng)度就可以得到張力值,再根據(jù)需要的線速度運(yùn)行多線切割機(jī),在多線切割機(jī)運(yùn)行過程中,通過張力伺服電機(jī)的絕對(duì)值編碼器反饋張力擺桿的實(shí)時(shí)位置,調(diào)整收放線電機(jī)的速度,保持張力擺桿盡量處于水平位置,就可以保證切割線的張力穩(wěn)定。

2.2 多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

多線切割機(jī)是由9個(gè)伺服電機(jī)組成的多電機(jī)系統(tǒng),其中包括兩個(gè)主電機(jī),兩個(gè)收放線電機(jī),兩個(gè)排線電機(jī),兩個(gè)張力電機(jī)和一個(gè)工作臺(tái)電機(jī),它們之間的關(guān)系如圖6所示。主電機(jī)1、2通過電機(jī)直連負(fù)載驅(qū)動(dòng)兩個(gè)加工輥工作,需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng),主電機(jī)是多電機(jī)系統(tǒng)的核心,收放線電機(jī)、排線電機(jī)和張力電機(jī)的速度都直接或間接地受其控制;收放線電機(jī)3、4進(jìn)行鋼絲的收線和放線,實(shí)時(shí)跟隨主電機(jī)保持速度同步;排線電機(jī)5、6跟隨收放線電機(jī)運(yùn)動(dòng),使切割線均勻地繞在收放線輪上;張力電機(jī)7、8通過轉(zhuǎn)矩控制分別對(duì)放線處和收線處的鋼絲施加恒張力,并通過張力擺桿的位置反映主電機(jī)和收放線電機(jī)的同步情況;工作臺(tái)電機(jī)9根據(jù)待切割材料的硬度、幾何形狀和尺寸等因素來確定每個(gè)時(shí)刻工作臺(tái)的位置和速度。

圖6 多電機(jī)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

通過以上分析可知,多電機(jī)同步控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是以下兩點(diǎn)：①兩個(gè)主電機(jī)分別直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)加工輥運(yùn)動(dòng),必須保證兩個(gè)主電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度同步,否則鋼絲容易斷裂,不能完成切割;②收放線電機(jī)實(shí)時(shí)跟隨主電機(jī)的運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中,隨著放線輪的鋼絲逐步轉(zhuǎn)移到收線輪上,收放線輪徑不斷發(fā)生變化,將導(dǎo)致收放線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、線速度等發(fā)生變化,必須實(shí)時(shí)調(diào)整收放線電機(jī)跟隨主電機(jī)的速度,并使其保持不變[6-7]。下面僅以一個(gè)主電機(jī)和放線電機(jī)的同步控制為例來說明(收放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同),基于虛擬主軸和無模型自適應(yīng)控制的多電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)模型如圖7所示。

圖7 基于虛擬主軸和無模型自適應(yīng)控制的多電機(jī)同步運(yùn)動(dòng)模型

通過虛擬主軸生成運(yùn)動(dòng)軌跡,沒有理論偏差,沒有轉(zhuǎn)速波動(dòng),所以當(dāng)多軸運(yùn)動(dòng)存在同步關(guān)系時(shí),通過設(shè)定虛擬主軸,讓所有參與運(yùn)動(dòng)的實(shí)際軸以虛擬主軸為參考,實(shí)現(xiàn)多軸同步。

無模型自適應(yīng)控制(model free adaptive control,MFAC)是一種無需建立過程模型的自適應(yīng)控制方法,MFAC兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的優(yōu)點(diǎn),具有無需精確系統(tǒng)模型、無需過程辨識(shí)、無需復(fù)雜人工整定等特點(diǎn),控制效果良好,算法簡(jiǎn)單[8-10]。其具體控制步驟如下：

(1)得到虛擬主軸的速度值和實(shí)際電機(jī)的輸出值;

(2)通過偽 偏導(dǎo)數(shù)算法 ?φ(k)= ?φ(k-1)+-?φ(k-1)Δu(k-1))得到偽偏導(dǎo)數(shù) ?φ(k),其中 ,μ是權(quán)重因子,ηk是步長(zhǎng)序列;

作用于系統(tǒng)得到新的輸出y(k+1),于是得到一組新的數(shù)據(jù)(u(k),y(k+1)),其中 p k是步長(zhǎng)序列,λ是權(quán)重系數(shù)。

在這組新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)即可得到新的數(shù)據(jù)(u(k+1),y(k+2)),如此繼續(xù)下去,系統(tǒng)的輸出y(k)將逼近期望值y*。

3 實(shí)驗(yàn)

張力控制系統(tǒng)采用圖5的結(jié)構(gòu)(收、放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同),在主加工輥和放線輪之間加一個(gè)張力電機(jī),多線切割機(jī)運(yùn)行時(shí),張力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)切割線施加張力,張力擺桿的兩邊分別是主電機(jī)和放線電機(jī),當(dāng)二者線速度不同步時(shí),將拖動(dòng)張力擺桿運(yùn)動(dòng),當(dāng)二者線速度同步時(shí),張力擺桿處于水平位置保持不變,此時(shí)切割線上的張力保持恒定。

控制系統(tǒng)選用博世力士樂公司的MLC控制器和伺服系統(tǒng),選用 FMS公司的RMGZ121A.H14+EMGZ306A張力傳感器,切割線的直徑為0.15mm,張力設(shè)定為25N,在走線速度為300m/min的情況下,分別采用傳統(tǒng)重錘的張力控制和筆者所提控制方法來實(shí)現(xiàn)多線切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

為了衡量系統(tǒng)的控制性能,利用主控制器開發(fā)工具IndraWorks Engineering得到主電機(jī)的速度、切割線張力的變化和張力擺桿的位置,將采樣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB軟件中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知,使用傳統(tǒng)重錘的張力控制時(shí),在加減速階段,張力擺桿的位置 P移動(dòng)范圍在±5°,張力 T的變化在25±1N,穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中張力的波動(dòng)比較明顯,放線電機(jī)和主電機(jī)的同步效果不是很好。使用筆者所提張力和多電機(jī)同步的控制方法時(shí),在加減速階段,張力擺桿的位置P移動(dòng)范圍在±2°,張力 T的變化在25±0.5N,穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中張力的變化幅度都很小,放線電機(jī)和主電機(jī)的同步效果較好。

圖8 多線切割機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

提出一種采用伺服電機(jī)代替重錘的機(jī)電一體化張力控制方法,使得張力波動(dòng)小,斷線率低,張力調(diào)節(jié)方便;使用基于虛擬主軸和無模型自適應(yīng)控制的控制策略保證多電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng),保持張力擺桿處于水平位置,保證切割線上的張力保持恒定。

筆者開發(fā)了切割硅材料的多線切割機(jī)控制系統(tǒng),樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所采用的張力控制和多電機(jī)同步控制方法是正確可行的,本文的研究成果同樣可以應(yīng)用于紡織、印刷等領(lǐng)域。

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