太陽能硅片多線切割張力控制改進研究

管永強，林羅剛，朱 陽

（臺州廣播電視大學高職學院，浙江 臺州318000）

太陽能電池以其不消耗燃料和水等物質，使用中對環境無污染的優勢，有望成為2l世紀的重要新能源之一。近年來，光伏電池產業發展迅速，塊狀光伏電池（一般指晶體硅光伏電池）作為目前市場上的主導產品，可分為單晶硅和多晶硅兩種太陽能電池[1]。傳統的硅片切割機效率低、損耗大的缺點嚴重制約了硅片加工行業的發展。多線切割同時可以進行幾百個切片的加工，它通過纏繞在導向軸上的切割線的運動，采用研磨原理，速度快、精度高、損耗低。多線切割時，重點考慮斷線故障率外，另一個質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]。如果對切割線的張力控制得當，將在很大程度上解決上述問題。因此，有必要對多線切割的張力進行建模分析，找到張力控制中的問題并加以改進，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，當考慮阻力等各項因素時，如圖1所示，將在材料上產生張力。假設切割線張力為F0，左側收料卷上線速度為ω1，右側放料卷上線速度為ω2，當材料處于線彈性范圍內時，可以由胡克定理得到F0[3]，F0對傳送時間t求導，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，因此要想實現張力的控制，可以通過對速度差的調節即可，當張力需要恒定時，即調節速度差為0.

1.2 切割線的張力模型

切割機走線系統的控制目標是如何使切割線工作時具有恒定的張力。切割線繞在導線輪上，取包角為dα的任一段研究，卷輥對其產生的彈力為dp，對其產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

根據張力遞增定律，在dP方向上有

在μdP方向上有

聯立（2）和（3）可得

計算表明，摩擦系數μ與包角β是決定卷輥兩側張力差的主要因素。

2 切割線張力的特點分析

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

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

表1 常用切割線張力設置

（2）張力設置要求精確。多線切割機工作時，由于切割線與工件之間的接觸應力隨切割線的曲率增大而增大，因此，操作時，首先要根據工件的力學強度來設置張力。其次，還要根據工件的尺寸來調整切割線的進給速度，這就需要控制切割線張力與進給速度之間的合理對應關系[5]。如果切割線張力偏大，會導致斷線故障加劇，甚至有可能損壞切割機的機械系統，如果張力偏小，則效率低下，導致成本偏高。所以，多線切割機使用時，需要多方面綜合考慮，精確設置合理張力。

（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，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。

（4）張力波動的頻率較高。多線切割機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而產生相應波動，通過對切割線張力進行信號頻譜圖分析，如圖3所示，除了在低頻段外，張力信號的衰減在全頻域內都很小，信號的頻帶也比較寬。

圖3 切割線張力信號頻譜分析

3 常用張力控制方法缺陷

國內外同類產品對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為多線切割機放線側機械結構示意圖。其原理是將一個可以在滑槽內上下移動的張力錘加在收/放線軸和加工軸間，通過張力錘的重力產生壓力，并用來協調主電機與放線電機的轉速。這實際上是一種開環控制。

圖4 多線切割機放線側機械結構示意圖

如果張力錘的質量為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系統控制，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頻率較低的大張力場合，如絞車等，都有許多成功的案例。但多線切割機中，由于系統的運動誤差、機械相關機構的跳動誤差及負載效應，切割過程中張力電機產生各種不穩定現象如鳴叫、來回震蕩等。

4 張力控制改進方案

由于張力錘開環控制的抗干擾能力差，直接控制的穩定性又不可靠，因此可以考慮通過機電一體化設計，降低執行機構的慣性從而降低張力振幅，實現對張力的高精度控制[8]。

4.1 結構的改進

圖6所示為改進結構，用一個長為L0、角速度為ω的相對質量較小的張力擺桿（質量設為mL）替換了原來較重的張力錘，原來的張力電機換成交流伺服電機，可以對張力擺桿實施直接的轉矩控制。

圖6 結構改進示意圖

根據動力學方程計算得到改進后的切割線張力為

式中，mL為張力擺桿質量；L為張力電機軸線到擺桿重心的距離；L0為張力擺桿長度；I為擺桿與轉子的等效轉動慣量；M為張力電機產生的力矩；ω0為張力電機角速度。

如果將電機轉子的轉動慣量等效成張力擺桿，設等效質量為mM，假定改進前后系統的加速度相同，則得到改進后切割線的張力振幅比例系數為

4.2 樣機測試

以XQ300A中型多線切割機為測試樣機，伺服電機采用YASKAWA公司的∑Ⅲ系列，改進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 改進后張力下降的百分比曲線

試驗切割單晶硅、藍寶石等材料時，原重錘質量為6 kg左右，張力為29.3 N左右，改進后，在加速度相同的情況下，張力振幅下降了96.7%，克服了開環控制的缺陷。因此，改進方案能夠保證多線切割機高效、穩定地工作，同時實現成本低、精度高的要求。

5 結束語

雖然在結構上的改進能有效控制切割線張力，但后續的檢測手段還需進一步完善，如張力傳感器的初始化設置問題、如何調整張力偏差等。此外，多線切割機的多電機系統如何協調控制、排線機構如何均勻收線等，對多線切割機來說均非常重要。本設計謹為后續更為完善的多線切割機設計開一先河。

參考文獻：

[1]李海濤.太陽能利用研究進展[J].科技創新與應用，2016（9）：38-39.

[2]汪世益，阮超波，丁 衛.多線切割機張力擾動因素分析研究[J].機械工程與自動化，2013（1）：4-6，9.

[3]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（17）：6-8，13.

[4]張 悅.基于DSP的多線切割機張力控制系統的設計與開發[D].沈陽：東北大學，2012.

[5]朱 廣.超聲波振動輔助多線鋸加工設備開發及實驗研究[D].杭州：浙江工業大學，2015.

[6]樊尚春，喬少杰.檢測技術與系統[M].北京：航空航天大學出版社，2005.

[7]吳高華.多線切割機控制系統的設計與研究[D].北京：北京印刷學院，2014.

[8]張 鵬，楊瑞峰，張學良，等.復合張力模糊控制系統設計[J].計算機測量與控制，2014（6）：1766-1769.