汪世益，阮超波，丁 衛(wèi)

（安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

1 問(wèn)題的提出

多線切割機(jī)是一種通過(guò)切割線的快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入半導(dǎo)體材料加工區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行研磨加工，將半導(dǎo)體材料一次性同時(shí)加工成幾百枚薄片的一種新型切片加工設(shè)備［1，2］。相比傳統(tǒng)的內(nèi)圓切片機(jī)，多線切割機(jī)具有加工精度高、切片速度快、能滿足大尺寸切片加工等突出優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體切片加工設(shè)備行業(yè)中已逐步取代了內(nèi)圓切片機(jī)。

典型多線切割加工示意如圖1所示：待加工材料自上而下，跟隨進(jìn)給機(jī)構(gòu)至由數(shù)百根切割線組成的切割網(wǎng)并與其接觸，同時(shí)在砂漿中的磨料跟隨切割線的運(yùn)動(dòng)被帶入加工區(qū)域?qū)εc其接觸的待加工材料展開研磨加工。在多線切割機(jī)加工過(guò)程中，切割線上的張力控制尤為重要，張力過(guò)大容易斷線，造成整個(gè)加工過(guò)程停滯，張力過(guò)小使切片加工精度降低，造成原材料的浪費(fèi)。針對(duì)各種不同的加工材質(zhì)，其張力值通常設(shè)定在15N～40N，且張力波動(dòng)不能超過(guò)1N。

圖1 多線切割加工示意圖

2 多線切割機(jī)收線輥半徑擾動(dòng)分析

在多線切割機(jī)加工過(guò)程中，收／放線電機(jī)反復(fù)不斷變換角色，所以收放線輥很難將切割線均勻、整齊地排列在收／放線輥上。因此，收／放線輥?zhàn)拥那懈罹€在加工過(guò)程中會(huì)隨機(jī)地發(fā)生徑向跳動(dòng)，導(dǎo)致其在某一段時(shí)間段內(nèi)形成沿徑向未知高度的凸起，會(huì)對(duì)張力控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。

在多線切割機(jī)加工過(guò)程中，凸起的形成是沒(méi)有規(guī)律的。為了便于在仿真中添加半徑擾動(dòng)，現(xiàn)假定半徑擾動(dòng)為正弦信號(hào)，其振幅為切割線直徑的n倍（n為整數(shù)）。分別取n＝2，5，仿真后可得速度誤差和張力波動(dòng)，如圖2所示［3］。此處的速度誤差是指加工輥和收線輥線速度之差。

從仿真結(jié)果可以看出，實(shí)際加工過(guò)程中收線輥發(fā)生的半徑跳動(dòng)現(xiàn)象對(duì)切割線上張力波動(dòng)的影響隨著凸起高度的增大而變大，尤其在切割線運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)階段對(duì)張力波動(dòng)的影響表現(xiàn)更為明顯。雖然張力的波動(dòng)都在可控范圍內(nèi)，但較大的張力波動(dòng)會(huì)對(duì)切片加工的表面質(zhì)量產(chǎn)生極其不利的影響。為改善多線切割機(jī)切片的表面質(zhì)量，通常在收／放端各設(shè)置一個(gè)排線機(jī)構(gòu)。排線導(dǎo)輪由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠使其沿收／放線輥的軸線方向運(yùn)動(dòng)，排線電機(jī)運(yùn)動(dòng)角速度的大小跟收／放線電機(jī)的角速度呈線性比例關(guān)系，其比例大小與切割線直徑、收線輥?zhàn)拥挠行чL(zhǎng)度及滾珠絲杠的節(jié)距等因素有關(guān)。

圖3和圖4分別為排線電機(jī)／收線電機(jī)運(yùn)動(dòng)角速度曲線圖和排線導(dǎo)輪的位移曲線圖，可以看出，在收線電機(jī)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)排線電機(jī)能夠有效跟隨收線電機(jī)的速度，且當(dāng)排線導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)至收線輥兩端的極限位置時(shí)能夠及時(shí)換向并重復(fù)前面的運(yùn)動(dòng)使切割線沿著輥?zhàn)拥妮S線方向均勻地排列在收／放線輥上，可以在一定程度上避免切割線在輥?zhàn)由系膹较蛱鴦?dòng)。

3 多線切割機(jī)走絲換向?qū)埩Σ▌?dòng)的影響

多線切割機(jī)的走線速度曲線和其對(duì)應(yīng)的加速度曲線如圖5所示，這種梯形的走線速度曲線在走絲換向的開始和結(jié)束兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)會(huì)造成張力波動(dòng)幅度過(guò)大，在實(shí)際的加工過(guò)程中不僅會(huì)影響切片的表面質(zhì)量而且可能造成斷線導(dǎo)致生產(chǎn)停滯。

圖2 半徑擾動(dòng)對(duì)線速度誤差及張力波動(dòng)的影響

圖3 排線電機(jī)與收線電機(jī)角速度

采用梯形走線方式造成張力波動(dòng)過(guò)大的根本原因在于走絲換向階段速度變化不夠平滑，加速度變化過(guò)于迅速。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)傳統(tǒng)的多線切割機(jī)的走線速度曲線進(jìn)行優(yōu)化，采用余弦曲線作為加速度曲線來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加速度曲線［4］。優(yōu)化后速度及其加速度曲線如圖6所示，優(yōu)化后的走線速度曲線在走絲換向階段能夠平滑過(guò)渡。

圖4 排線導(dǎo)輪位移曲線

圖7為走絲換向優(yōu)化后切割線的走線速度誤差（速度誤差是指加工輥和收線輥線速度之差）和張力波動(dòng)圖，優(yōu)化后的走線速度誤差曲線在走絲換向階段能夠平滑過(guò)渡，走絲換向開始和結(jié)束時(shí)切割線上張力的大幅度波動(dòng)基本被消除，只有在速度曲線經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)有較明顯的張力波動(dòng)。因此，對(duì)走線速度曲線的走絲換向優(yōu)化基本能夠降低張力波動(dòng)幅度和頻率。

4 導(dǎo)向輪對(duì)張力影響的分析

在一整套多線切割機(jī)加工設(shè)備中，導(dǎo)向輪的數(shù)目多達(dá)20多個(gè)，而且每個(gè)導(dǎo)向輪安裝方式也不完全相同，致使每段包繞在導(dǎo)向輪上切割線所受到的的包繞張力不同，所以有必要就導(dǎo)向輪對(duì)切割線張力影響進(jìn)行分析研究。瑞士科學(xué)家Euler在建立切割線的導(dǎo)向輪包繞張力模型方面進(jìn)行相關(guān)研究并提出了張力遞增定律。切割線包繞導(dǎo)向輪的張力分析模型如圖8所示［5］，其中，β為切割線在導(dǎo)向輪上的包繞角，F(xiàn)i為左側(cè)切割線張力，F(xiàn)o為右側(cè)切割線張力，μ為切割線和導(dǎo)向輪的摩擦系數(shù)。設(shè)ρ為切割線的單位長(zhǎng)度質(zhì)量、r為導(dǎo)向輪的半徑、ω為導(dǎo)向輪角速度、J為切割線相對(duì)于導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖5 多線切割機(jī)走線速度及其加速度曲線

假設(shè)圖8中導(dǎo)向輪沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)包繞在導(dǎo)向輪上的切割線取包角為dα的一段進(jìn)行研究，dP、μdP分別為導(dǎo)向輪對(duì)切割線的彈力和摩擦力［6］。

在dP方向有：

其中，dF、dα均趨向于0，可將式（1）簡(jiǎn)化為：

取切割線與導(dǎo)向輪材料（聚氨酯）的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.03，切割線上的張力為20N，可得導(dǎo)向輪兩側(cè)切割線張力差與導(dǎo)向輪包繞角關(guān)系，如圖9所示。

圖6 優(yōu)化后走線速度及其加速度曲線

圖7 優(yōu)化后的速度誤差及張力波動(dòng)圖

導(dǎo)向輪左、右兩側(cè)的張力差值是由切割線和導(dǎo)向輪的摩擦系數(shù)μ、切割線在導(dǎo)向輪上的包繞角β共同決定的。其中μ通常情況下是定值，導(dǎo)向輪兩側(cè)張力差隨包繞角β增大而增大。所以，為了滿足高速多線切割機(jī)的張力控制要求，在不改變多線切割機(jī)切割線傳遞、導(dǎo)向性能的前提下，可以適當(dāng)減少導(dǎo)向輪的數(shù)量，而且在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施盡量減少包繞角。如果條件許可，也可以減小導(dǎo)向輪的半徑和質(zhì)量，都可以起到改善張力波動(dòng)的效果。

圖8 切割線包繞導(dǎo)向輪張力分析模型

圖9 導(dǎo)向輪兩側(cè)張力差與導(dǎo)向輪包繞角關(guān)系

5 結(jié)論

收線輥半徑發(fā)生徑向跳動(dòng)對(duì)張力波動(dòng)雖然沒(méi)有明顯的影響，但在走線平穩(wěn)階段會(huì)有較小幅度且頻率較高的張力波動(dòng)，這會(huì)降低切片的表面質(zhì)量，因此可以通過(guò)安裝排線裝置來(lái)避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。導(dǎo)向輪兩側(cè)切割線的張力差隨包繞角度的增大而增大，可以通過(guò)對(duì)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化來(lái)降低導(dǎo)向輪對(duì)張力的影響。

［1］王琮.半導(dǎo)體材料加工設(shè)備的新秀——多線切割機(jī)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2004（1）：63－65.

［2］王琮.多線切割機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（11）：11－15.

［3］邵鵬.多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2010：57－59.

［4］張義兵，戴瑜興，湯睿.多線切割機(jī)走線速度換向過(guò)程控制［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，37（7）：39－41.

［5］張義兵.高精度多線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009：15－16.

［6］Seung Ho Song，Seung Ki Su.Design and control of multi－span tension simulator［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2000 36（2）：640－648.