一種基于多線切割機(jī)的切料搖擺的實(shí)現(xiàn)方法

袁丁　張克佳

摘 要：文章分析了實(shí)現(xiàn)多線切割機(jī)切割材料擺動(dòng)切割的一種自動(dòng)控制方法，此方法為提高切割效率提供了光明的前景，也為其他材料切割機(jī)型提高切割效率提供了清晰地思路。

關(guān)鍵詞：多線切割機(jī)；切料搖擺；PLC

1 材料擺動(dòng)切割在多線切割機(jī)中的應(yīng)用

多線切割機(jī)廣泛應(yīng)用于 IC（集成電路）、IT（信息技術(shù)）、PV（光伏）行業(yè)中，如單晶硅、藍(lán)寶石、石英晶體、磁性材料、光學(xué)玻璃等硬脆性材料精密切片加工，是光電信息產(chǎn)業(yè)核心器件基片制造流程中的關(guān)鍵裝備。多線切割是目前最先進(jìn)的切片加工技術(shù)，其原理是通過金屬線的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入待切割材料加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將待切件同時(shí)切割為數(shù)百或數(shù)千片薄片的創(chuàng)新性切片工藝。[1]

切割材料擺動(dòng)型多線切割機(jī)以其高效率、高精度、低損耗，所切硅片彎曲度小、翹曲度小、表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的多線切割機(jī)成為硅片切割加工的主要設(shè)備。

由多年的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化的實(shí)踐積累，我們已經(jīng)生產(chǎn)出了更成熟的硬脆材料多線切割機(jī)設(shè)備。但隨著LED市場的要求越來越高，固有機(jī)型的升級(jí)改進(jìn)迫在眉睫，多家企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行革新，材料擺動(dòng)切割正是在這樣的背景下研制成功的。

如圖1所示，料擺結(jié)構(gòu)由工作臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)擺動(dòng)電機(jī)，由上到下勻速運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針逆時(shí)針往復(fù)運(yùn)動(dòng)，垂直位置作為homing point。

2 電氣硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，搖擺機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，過擺檢測組成。

HMI與PLC之間使用Ethernet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間使用串口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，PLC中網(wǎng)口串口兼容，使用靈活。

3 PLC簡介

當(dāng)代FA中，自動(dòng)控制領(lǐng)域成熟的技術(shù)莫過于PLC技術(shù)，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器，由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少。PLC控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CPU是PLC的核心，通常由單片機(jī)擔(dān)當(dāng)。它有如下操作：

（1）刷新輸入和輸出。這個(gè)功能允許CPU讀取輸入端狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)輸出端；（2）執(zhí)行算數(shù)和邏輯運(yùn)算。CPU能夠處理包括在PLC中的所有算數(shù)和邏輯運(yùn)算；（3）同存儲(chǔ)器通訊。PLC的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，CPU讀或?qū)懘鎯?chǔ)器存儲(chǔ)單元的內(nèi)容；（4）掃描應(yīng)用程序。應(yīng)用程序是指梯形圖，是用編程器編寫的指令集，掃描程序允許PLC去執(zhí)行又編程人員編寫的專用應(yīng)用程序；（5）多樣的脈沖控制。可從CPU單元內(nèi)置輸出點(diǎn)發(fā)出固定占空比脈沖信號(hào)，脈沖輸入到伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來達(dá)到定位/速度控制。

存儲(chǔ)器單元在PLC中是一個(gè)存儲(chǔ)信息、數(shù)據(jù)和程序的元件。PLC中帶有只讀存儲(chǔ)器ROM和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM。PLC的操作程序存儲(chǔ)在ROM中而梯形邏輯程序存儲(chǔ)在RAM中。根據(jù)控制的復(fù)雜程度和型號(hào)的不同，PLC的RAM存儲(chǔ)器從1K到16K不等。

PLC的輸入模塊包括開關(guān)量、模擬量和特殊用途的模塊。OMRON的開關(guān)量輸入模塊是有源輸入模塊，輸入電壓是直流24V，內(nèi)部采用光電隔離，大大提高了抗干擾能力。輸入點(diǎn)數(shù)是24點(diǎn)，中斷脈沖接收輸入最大8點(diǎn)，高速計(jì)數(shù)器輸入為4軸，頻率為100kHz（單相）/50kHz（相位差）。

本結(jié)構(gòu)所用的PLC輸出為晶體管漏型輸出，程序最大容量20K步，最大輸入輸出點(diǎn)數(shù)為320點(diǎn)，輸入輸出點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)16點(diǎn)。可擴(kuò)展兩個(gè)串行接口RS-232C端口與HMI進(jìn)行通訊。

4 PLC編程語言的優(yōu)點(diǎn)

PLC采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。

PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)梯形圖的時(shí)間比設(shè)計(jì)相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。

PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。

5 控制原理

這種擺動(dòng)結(jié)構(gòu)用到的伺服驅(qū)動(dòng)器可以提供位置、速度、扭矩三種操作模式，經(jīng)分析，此搖擺裝置適于采用位置控制模式。

位置控制模式被應(yīng)用于精密定位的場合，這種控制方式有兩種命令輸入方式：脈沖及內(nèi)部寄存器輸入，具有方向性的命令脈沖輸入可經(jīng)由外界來的脈沖來操縱電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最高可接受高達(dá)4Mpps的脈沖輸入。為了更方便做位置控制，提供64組位置命令寄存器，利用通訊方式來改變命令寄存器的內(nèi)容值 。

5.1 定位方法

5.2 循環(huán)擺動(dòng)原理

根據(jù)順序控制的原理，通過PLC指令來變換脈沖數(shù)值的符號(hào)位，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。當(dāng)開始信號(hào)置1之后，標(biāo)記標(biāo)志位，使內(nèi)存地址記住此時(shí)的狀態(tài)，脈沖輸出一定的值，通過PLC端子通過內(nèi)部輔助繼電器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器指令，電機(jī)以設(shè)定方向開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)脈沖發(fā)出結(jié)束，電機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)束，這時(shí)標(biāo)記標(biāo)志位取反，正轉(zhuǎn)指令置0，反轉(zhuǎn)指令置1，脈沖繼續(xù)發(fā)出，電機(jī)此時(shí)接收到指令，開始反向運(yùn)動(dòng)。

這樣標(biāo)志位的循環(huán)置位，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了料臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，增加了材料與鋼線的摩擦，提高切割效率。部分程序如圖5所示。

5.3 擺動(dòng)停止的計(jì)算方法

6 結(jié)束語

此搖擺結(jié)構(gòu)雖未達(dá)到完美，但已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)際機(jī)型中，在實(shí)踐中再尋找升級(jí)方案，客戶的建議是我們的前進(jìn)動(dòng)力。這是國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)大膽自主研發(fā)國外先進(jìn)技術(shù)的新進(jìn)展，為半導(dǎo)體切割技術(shù)提供了新思路。今后還將會(huì)不斷地通過研究與實(shí)驗(yàn)完善擺動(dòng)切割工藝。

參考文獻(xiàn)

[1]吳學(xué)斌，胡孝偉，陳平，等.淺談一種多線切割機(jī)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013.

作者簡介：袁丁（1988-），女，助理工程師。