新型多線切割機張力控制系統研究

姜家宏，陳學森，丁鵬剛

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京， 101601)

近年來，隨著集成電路和太陽能光伏產業的飛速發展，用于對單晶硅、多晶硅、藍寶石等硬脆材料進行前期高效率，高精度，低成本加工的多線切割技術一直受到國內外的關注。多線切割技術不僅能夠降低硅片的制造成本，滿足硅片直徑大，超薄厚度的發展趨勢，而且加工后的硅片在彎曲度、翹曲度、平行度、晶片表面粗糙度等各項指標均優于傳統的硅片加工技術，目前已成為硅材料切割加工領域的主流技術。多線切割技術原理是一種通過金屬絲的高速往復運動把磨料帶入硬脆材料加工區域進行研磨，最終把待切割材料切割成薄片的一種新型的加工方法[1，2]。

在多線切割機走線過程中，準確控制張力值，減小張力波動既能保證切割過程中不斷線，又能提高切割材料成片率，提高設備的可靠性。因此，對多線切割機張力控制系統進行研究，掌握切割過程中張力變化的特點及控制方法，具有十分重要的意義[3]。

1 多線切割機加工機理

多線切割機主要由收放線輪系統，恒張力控制系統，橫移架布線系統，加工主輥線網組，工作臺進給系統及砂漿切削液供給系統參與硅片的成型加工。圖1為多線切割機加工機理示意圖，其中左半部分為放線系統，右半部分為收線系統，中間部分為切割加工組網。

首先放線輥上纏有滿足切割要求的一定規格鋼絲線，工作時，鋼絲線由放線輥釋放，經過橫移架布線系統，導向輪系走到放線端的張力臂，然后

圖1 多線切割機加工機理示意圖

再經過導向輪系導入四個加工主輥。進入加工主輥后，鋼絲線均勻地排布在刻有一定間隔的主輥槽內，整齊排列的鋼絲線組成了切割面，鋼絲線又由導向輪系導出加工輥組，走過收線端張力臂，最后再經過導向輪系進入收線輥。四個加工主輥由兩臺電機同步驅動，從而帶動切割組網按一定的速度正常運行。同時將放置多晶硅錠的工作臺由電機驅動，經減速器勻速向下運動，與此同時，砂漿供應站提供一定黏度的砂漿，切削液均勻地噴灑在主輥鋼絲組網上，在每一根鋼絲線上形成均勻的砂漿薄膜，最終實現對多晶硅錠的均勻切削。

2 多線切割機總體控制方案

多線切割機屬于高速精密機床，為了保證材料的切割精度，要求多臺電機在工作過程中具有高度協調同步性，這對于控制系統的控制精度提出了更高的標準，因此，本新型多線切割機采用西門子PLC+運動控制模塊同時驅動多臺電機同時工作，采用高分辨率的保盟編碼器對鋼絲線張力值實時在線監測、反饋，實現本系統的閉環控制。傳統的張力臂采用電機驅動，電機控制時張力突變大，反應不靈敏。本方案中采用氣缸驅動張力臂，控制時緩沖力強，柔性好，張力無突變。具體控制框圖如圖2所示。

由圖2可見，整個控制系統的核心為PLC+運動控制模塊。通過數模轉化，同時實現對多臺伺服電機驅動。多線切割機在工作過程中，收放線輪電機與加工主輥電機速度不一致導致速度差使得張力臂發生偏轉，通過安裝編碼器將偏轉信號反饋PLC，PLC收到反饋信號后與理論值做比較，并在下一個掃描周期輸出，控制收放線輪速度，從而保證設備正常運行。

如果加工過程中鋼絲線的張力過大，走線系統則會斷線，導致整個加工系統中斷，影響加工出片率；鋼絲線張力過小，則會引起鋼絲線的低頻振動，影響硅片的表面質量。因此，恒張力控制技術是切割成片率的核心技術。我們有必要對張力控制系統做進一步研究，掌握切割過程中張力變化的特點及控制方法。

圖2 控制系統總體框圖

3 多線切割機張力控制系統研究

上述介紹了多線切割機的加工機理及總體控制方案設計。控制方案的前提就是要正確分析整個工藝工程，建立控制系統的理論模型，這樣既能夠從理論上深入分析整個系統，找出最優方案；而且能夠縮短后續工藝試驗周期，降低成本，提高效率。

由圖1可見，以4個加工主輥為界限，左側放線系統與右側收線系統運動學原理相同，因此，選取放線系統端的張力臂作為研究對象，得出的理論模型同樣適用于收線系統。張力臂機械結構見圖3。

圖3 張力臂機械結構

由圖3可得：

式中：

V3為張力臂的線速度；

L—張力臂長；

W3—為張力臂的角速度；

V1為加工主輥主電機的線速度；

V2為放線輪的線速度。

忽略摩擦力，當張力臂轉過微小角度θ時，可得張力臂運動學力矩平衡方程：

式中：

T為鋼絲線的張力；

J為張力臂的轉動慣量；

G為張力臂重力；

θ為張力臂轉動的角度；

M為氣缸相對于回轉軸中心的轉矩。

式（2）變形后可得：

由式（3）可知，工作時氣缸恒壓控制，張力臂質量，臂長及轉動慣量一旦優化設計后不再改變，只有轉角θ變化與張力T大小密切相關。

又由：

式中：R1為加工主輥半徑；W1為加工主輥的線速度；

R2為放線輪半徑；W2為放線輪的線速度。

將式（4）式（5）代入式（1）中變形可得：

在一定掃描周期T內，對式（6）兩邊取積分可得：

式（6）表明張力臂角速度W3是放線輪與加工主輥的速度同步跟隨誤差，式（8）表明張力臂角位移θ反映的是放線輪與加工主輥在整個走線過程中速度同步跟隨誤差的積分，即速度同步跟隨的累積誤差。

因此，通過在張力臂的轉動軸上安裝編碼器反饋角位移的變化量，進一步控制放線輪的電機轉速，保證放線輪與加工主輥的速度同步跟隨控制。具體過程為:當編碼器反饋的角位移值大于零時，表明放線輪的線速度慢于加工主輥的線速度，因此需要放線輪電機加速來減小速度差，使張力臂回到平衡位置；當編碼器反饋的角位移值小于零時，表明放線輪的線速度快于加工主輥的線速度，因此需要放線輪電機減速來減小速度差，使張力臂回到平衡位置。

圖4為多線切割機控制系統運動學模型，由于在放線的過程中，放線輪直徑實時變化，所以，放線輪線速度V2與反饋的角位移θ需要用PID控制器表達二者之間的函數關系，從而保證放線輪與加工主輥之間的速度同步控制。

圖4 多線切割機運動學模型

4 結 論

通過開展多線切割機的工藝試驗，得出了以下結論：采用高分辨率的編碼器對張力臂角度變化值進行實時監測，可以有效地保證收放線輪與加工主輥之間的速度同步控制。實現多線切割機恒張力控制，提高切割材料的成片率，設備的可靠性。本文的研究成果對其它領域的張力控制具有一定的參考價值。

：

[1]賀敬良，杜開勛，王學軍.高速線切割系統張力控制研究[J].制造業自動化，2011，33(9):6-13.

[2]蔣近，戴瑜興，彭思齊.多線切割機控制系統的研制[J].機械工程學報，2010，21(15):1780-1783.

[3]蔣近，戴瑜興，郜克存，等.多線切割機走線系統的張力控制[J].機械工程學報，2011，47(5):183-187.