大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司 ■ 劉淑華

一 前言

太陽電池的基礎(chǔ)材料是硅晶片，目前，硅晶片的獲得主要依靠多線切割機(jī)（如：多線切斷機(jī)、多線切方機(jī)、多線切塊機(jī)、多線切片機(jī)等）。多線切割機(jī)的工作原理是利用快速運(yùn)行的鋼絲線，運(yùn)行中噴涂大量研磨砂漿（或直接用金剛石線，不噴砂漿）對(duì)工件（單晶棒或多晶體）進(jìn)行多線切割而獲得。

這種切割的特點(diǎn)為：被加工表面質(zhì)量好不需要研磨；切口小，材料消耗少；效率高，多線同時(shí)切割；人機(jī)對(duì)話，操作方便；全防護(hù)，環(huán)境清潔。

多線切割機(jī)由多個(gè)區(qū)域組成，如：切割區(qū)、線管理區(qū)、電機(jī)房、漿液區(qū)等。其中線管理區(qū)是機(jī)器必備的重要部分，承擔(dān)多線切割中的多項(xiàng)功能，結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜。

下面就QFA1250型多線切方機(jī)中的線管理區(qū)進(jìn)行分析。

二 線管理區(qū)的功能

(1)擔(dān)負(fù)切割線的存儲(chǔ)和供給，即回收鋼線和放出鋼線。切割時(shí)，收、放線輥同時(shí)旋轉(zhuǎn)。放線輥旋轉(zhuǎn)，將鋼線送到切割區(qū)進(jìn)行切割；收線輥旋轉(zhuǎn)，將切割區(qū)用過的鋼線有序的排列回收。

(2)切割過程中，切割線上張力的施加；張力的控制和調(diào)節(jié)。

(3)配置斷線和接地保護(hù)裝置使機(jī)器能安全運(yùn)行。

三 布局特點(diǎn)

切方機(jī)線管理區(qū)布置圖如圖1所示，其布局特點(diǎn)為：

(1)線管理區(qū)設(shè)有立式隔板，所有機(jī)構(gòu)都裝在隔板上，隔板前與切割區(qū)相通，切割區(qū)在切割過程中要噴涂大量砂漿，當(dāng)鋼線進(jìn)入線管理區(qū)后，會(huì)帶入砂漿；污物、砂漿會(huì)腐蝕電機(jī)等金屬元件，影響傳動(dòng)件的精度和壽命。設(shè)置隔板將前后嚴(yán)格分開，在隔板前面裝置執(zhí)行部分，如收線輥、放線輥、布線輪、張力輪；隔板后則是收、放線輥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠、軸承等及調(diào)節(jié)張力的氣缸、角度傳感器等。

(2)為了保護(hù)環(huán)境不被污染，線管理區(qū)具有獨(dú)立的開合拉門，并設(shè)置觀察窗。

(3)所有繞線的輪子，如布線輪、張力輪、過輪等，全部設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，嚴(yán)格密封的結(jié)構(gòu)，選用耐腐蝕的聚氨酯材料。

(4)各種輪子、傳動(dòng)軸都裝有氣密封(即輸入低壓氣體)阻止贓物侵入。

(5)由于收、放線是線管理區(qū)的主要功能，所以各獨(dú)立裝置也分別圍繞收、放線輥布置，如左邊是收線輥及其收線輥的布線輪、張力輪、插板裝置；右邊則是放線輥及相連的布線論、張力輪、插板裝置。

(6)鋼線運(yùn)行的路徑是：收線：來自切割區(qū)的鋼線→張力輪→過輪→布線輪→收線；放線：放線輥上的鋼線→布線輪→過輪→張力輪→進(jìn)入切割區(qū)。兩組鋼線互不干涉不能相碰。

四 結(jié)構(gòu)特征

圖2給出了多線切割機(jī)線管理區(qū)收方線裝置。

圖2 線管理區(qū)收放線裝置圖

1 放線輥

擔(dān)負(fù)切割區(qū)鋼線供應(yīng)，此件外購；本機(jī)采用TA100型標(biāo)準(zhǔn)線筒，當(dāng)鋼線直徑為0.25mm時(shí)，存線能力為150km。線輥的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)為N=17.5kW。把在箱體上使重量卸荷在隔板上，電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)支承軸轉(zhuǎn)動(dòng)，又通過錐形套蝶形彈簧使放線輥緊固在支承軸上。

2 收線輥

與放線輥并排，驅(qū)動(dòng)裝置與放線輥相同，裝在左邊，回收由切割區(qū)出來的鋼線。在設(shè)計(jì)中要考慮線輥的裝線量與放線輥的線量相當(dāng)。收線輥的材料采用高強(qiáng)度鋁合金，線輥中間熱壓鋼套，強(qiáng)度高、重量輕，提高載線能力和啟動(dòng)加速度。

收、放線輥采用錐形套定位形式，保證安裝時(shí)有良好的同心度，機(jī)器安裝后要檢查線輥的徑跳。根部≤0.01mm，300mm處≤0.025mm。

收、放線輥都要快速拆裝，在線輥的頭部伸出處加裝蝶簧用以增加鎖緊壓力，拆裝扳手的力矩為180N。

3 線輥的拆裝

在線輥上方裝有插板機(jī)構(gòu)，當(dāng)拆裝線輥時(shí)，首先，停機(jī)將插板機(jī)構(gòu)中的插銷手動(dòng)插入線輥的開口中，由接近開關(guān)控制，線輥不能轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)，方可用力矩扳手?jǐn)Q動(dòng)鎖緊背帽；此后，手動(dòng)拉出插銷，機(jī)器啟動(dòng)由接近開關(guān)控制發(fā)令。如此操作安全可靠。

4 線輥尺寸的控制

為了使切割線運(yùn)行速度一致，對(duì)于新購的放線輥的內(nèi)外徑、重量要認(rèn)真核對(duì)；收線輥的內(nèi)外直徑尺寸、重量準(zhǔn)確記錄，并記入電控系統(tǒng)PLC，使計(jì)算機(jī)能準(zhǔn)確控制線輥驅(qū)動(dòng)電機(jī)和布線電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過計(jì)算，時(shí)時(shí)跟蹤才能確保線速度一致。

5 回收鋼線的處理

收線輥上回收的鋼線最后要取出廢棄。為了取線方便，線輥兩側(cè)留有槽口，可用切斷砂輪順利切斷鋼線。

五 布線裝置

多線切割機(jī)線管理區(qū)布線裝置如圖3所示，作用為實(shí)現(xiàn)鋼線在線輥上有序的纏繞和放出。本機(jī)器是設(shè)計(jì)成一個(gè)箱體結(jié)構(gòu)，把在隔板后蓋有透明蓋板。小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，并轉(zhuǎn)化成布線桿的前后往復(fù)移動(dòng)，布線桿由兩直線軸承支承；布線桿前端連接布線輪拖著剛線在線輥上，按節(jié)距有序布線。收線輥繞線節(jié)距一般為1.5mm，放線輥上的節(jié)距由生產(chǎn)廠家定。拉桿前端用彈性皮腔密封，防止腐蝕。收、放線輥布線裝置相同(布線輪除外)。

圖3 線管理區(qū)布線裝置圖

六 張力控制裝置

1 張力裝置的作用

在切割線上施加張力；調(diào)節(jié)鋼線上張力的大小。鋼線在切割中必須保持恒定的張力才能有效的切割。

2 結(jié)構(gòu)情況

多線切割機(jī)線管理區(qū)張力調(diào)節(jié)裝置如圖4所示。

連接張力臂的轉(zhuǎn)軸垂直穿過隔板固定在隔板上，張力臂下端連接張力輪，轉(zhuǎn)軸通過杠桿連接兩氣缸，軸端聯(lián)有角度傳感器。

3 張力的形成

當(dāng)設(shè)定好切割線上的張力值(一般為80N左右)時(shí)，機(jī)器的控制器PLC就向比例閥提供一個(gè)固定的電壓值，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)發(fā)給比例閥中的電控閥，進(jìn)一步給兩個(gè)執(zhí)行氣缸供氣，氣缸移動(dòng)，使張力臂擺動(dòng)，并帶動(dòng)張力輪壓在切割線上，即產(chǎn)生需要的張力。張力臂的擺動(dòng)角度由兩個(gè)塑料柱限位。

4 張力的調(diào)節(jié)

切割中張力輪擺動(dòng)，通過張力臂帶動(dòng)角位移傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器的PLC即可接到角位移傳感器發(fā)出的信號(hào)，并根據(jù)線導(dǎo)輪主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算切割線目前的運(yùn)行速度并對(duì)兩線輥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出加速或減速的調(diào)節(jié)信號(hào)，僅幾秒即可完成同步線速度的調(diào)節(jié)。機(jī)器出廠時(shí)，要對(duì)張力臂的機(jī)械位置及角位移傳感器的初始零位進(jìn)行設(shè)定。

七 安全切割及鋼線多次使用

1 斷線接地報(bào)警

多線切割機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)是易斷線，其原因是鋼線較細(xì)且同時(shí)切割的鋼線較多，另外在切割過程中，要噴入大量的研磨漿液形成砂漿簾，機(jī)器全防護(hù)，即使通過觀察窗也難看清。因此，設(shè)置斷線接地報(bào)警功能非常必要。

結(jié)構(gòu)原理是：首先在整個(gè)線網(wǎng)上構(gòu)成一個(gè)完整的導(dǎo)電切割回路，即在收、放線輥的轉(zhuǎn)軸上由電損檢測(cè)裝置通過電刷向兩軸注入低壓電源(5V)，并在軸上安裝集流環(huán)，通過軸傳到收、放線輥?zhàn)⑷胝w線網(wǎng)，形成一個(gè)導(dǎo)電回路。支承軸通過絕緣聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(N=17.5kW)絕緣，又通過塑料套、塑料板等與箱體、隔板等絕緣，鋼線接觸的所有導(dǎo)輪過輪均由塑料制成，具有良好的絕緣性，為斷線和接地報(bào)警創(chuàng)造了良好的條件。在切割中若鋼絲斷掉，斷開的鋼絲與機(jī)器任何金屬接觸則使5V電壓接地，機(jī)器報(bào)警，停機(jī)，保證了機(jī)器的安全。

2 鋼線的重復(fù)使用

在切割中鋼線可多次使用，因鋼線沒有方向性，放線和收線可以互換。例如：一次切割放線100m，接著反向切割，放線變收線，收回90m，下次再放線100m，反向再收回90m，經(jīng)過多次變換，放線輥上的線就全部繞到收線輥上，鋼線反復(fù)使用提高了利用率，使用戶增加了經(jīng)濟(jì)效益。

八 結(jié)束語

線管理區(qū)功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在多線切割中起主導(dǎo)作用，合理設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器的切割效果影響很大。當(dāng)前，各種多線切割機(jī)的線管理區(qū)結(jié)構(gòu)形式各不相同，優(yōu)缺點(diǎn)也不同。本機(jī)器的線管理區(qū)經(jīng)過多次改動(dòng)，使結(jié)構(gòu)更趨于合理，性能更加可靠。