林日磊

（浙江鼎威科技有限公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

隨著我國壓電、光伏產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，水晶片、硅片的市場需求量日益增長，多線切割機(jī)以其高精度、高效率、低損耗的特點(diǎn)逐漸取代了舊式切割機(jī)，成為硅棒、水晶棒切割加工的主要方式。多線切割是一種通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動把磨料帶入硅棒（水晶棒）加工區(qū)域進(jìn)行研磨，最終把待切割材料切割成薄片的一種脆硬材料切割的創(chuàng)新性工藝。在該工藝中，切割線被纏繞在一個導(dǎo)向軸上，走線時可以進(jìn)行數(shù)百個切割，一次性獲得數(shù)百個切片，其主要切割優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在切割速度快、切割損耗低。

多線切割機(jī)是屬于大型精密數(shù)控機(jī)床，因其精度高、控制系統(tǒng)復(fù)雜、制造難度大，國際上只有少數(shù)幾個國家的型機(jī)械制造公司掌握數(shù)控多線切割機(jī)床技術(shù)，如HTC 公司和MeyerBurger 公司、Takatori 公司和NTC 公司。近年來，不少研究機(jī)構(gòu)在這方面進(jìn)行深入的研究，并取得了豐碩的成果，其中湖南宇晶機(jī)器實(shí)業(yè)有限公司與湖南大學(xué)合作先后開發(fā)出XQ120 小型切割機(jī)和XQ300中型切割機(jī)，還有一些公司開發(fā)出NWS-6x2、DXQ-601、X07 250 多線切割機(jī)。

但是，多線切割機(jī)在切割線在切割過程中，切割線抖動幅度和頻度造成線切割加工造成翹曲度、彎曲度、總厚度誤差和中心厚度誤差等參數(shù)值的質(zhì)量問題[1]。另外，存在由于走線過程中的斷線，造成整根硅棒（水晶棒）將報廢, 造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過研究，發(fā)現(xiàn)上述的兩個問題可以通過控制加工過程中切割線張力波動來加以解決。

本系統(tǒng)的設(shè)計以西門子S7-200PLC 為基礎(chǔ)，通過張力傳感器，扭矩電機(jī)，收/放線筒共同組成的恒張力控制系統(tǒng)。

1 多線切割機(jī)鋼絲張緊力的控制機(jī)構(gòu)動作原理

圖1 多線切割機(jī)走線示意圖

圖1 是多線切割機(jī)的鋼絲線張緊力的控制機(jī)構(gòu)示意圖，使用鋼絲的最佳切割張緊力為20N。伺服電機(jī)帶動左右兩邊的收/放線筒及羅拉三者來回作高速運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)使鋼絲起到切割脆硬材料的功能。通過張力傳感器對鋼絲張緊力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將信號反饋給PLC，PLC通過控制扭矩電機(jī)來調(diào)節(jié)拉桿的行程進(jìn)而調(diào)節(jié)鋼絲的張緊力，當(dāng)調(diào)節(jié)范圍超過拉桿行程時，通過調(diào)節(jié)收/放線筒對鋼絲線的收/放量，同時驅(qū)動拉桿回到中間位，來調(diào)節(jié)鋼絲張緊力，直至張緊力達(dá)到設(shè)定值20N 為止，如圖2 所示。

圖2 張力調(diào)節(jié)流程圖

2 張力控制系統(tǒng)的電氣硬件選型策略

整個控制系統(tǒng)的組成部分中，張力控制系統(tǒng)的驅(qū)動是非常重要的一部分，它是執(zhí)行控制器的控制信號的部分。而其中的電氣硬件是對電機(jī)實(shí)施控制任務(wù)的主要承擔(dān)者，所以硬件選型至關(guān)重要，主要考慮如下因素：

（1）介于經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。選擇的張力傳感器輸出的是模擬量信號，在PLC 中需要添加模擬量輸入擴(kuò)展模塊。在此過程中，選用EM235 模擬量擴(kuò)展模塊，此模塊有四路模擬量輸入，保證兩路模擬量使用。

（2）從張力調(diào)節(jié)過程可看出，扭矩電機(jī)對拉桿行程的調(diào)節(jié)時通過步進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，因此選用高分辨率的交流伺服電機(jī)，通過交流伺服電機(jī)的位置Pt 控制模式來達(dá)到恒扭矩的控制，用PLC 輸出PWM 信號對電機(jī)的行程進(jìn)行精確的控制。

（3）鋼絲收/放量通過控制收/放線筒的旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此，選用交流伺服電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動控制，采用位置Pr 控制模式，利用外部模擬量輸入的變化來調(diào)節(jié)電機(jī)行程，在此選用西門子的EM232 模擬量輸出模塊

（4）拉桿行程需要進(jìn)行精確測量，采用具有高分辨率的光柵尺是符合測量要求。

（5）用于扭矩電機(jī)的每個交流伺服電機(jī)控制需要3根線（伺服ON 輸入，PWM 輸入，方向控制輸入），用于羅拉以及收/放線筒交流伺服電機(jī)也需要3 根線（伺服ON 輸入,模擬+輸入，模擬-輸入），每個直線編碼器有2 個數(shù)字輸出口，因此PLC 需要至少9 個數(shù)字量輸出地址，4 個數(shù)字量輸入地址，綜合優(yōu)化一下數(shù)字地址，將扭矩電機(jī)的伺服ON 并用一個地址，羅拉和收/放線伺服電機(jī)的伺服ON 并用一個地址，最后我們只要6 個數(shù)字量輸出地址，對于未來的生產(chǎn)發(fā)展, 選用性能高、價格合適的CPU222 型PLC, 該主機(jī)單元可進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。擴(kuò)展時系統(tǒng)中可加裝數(shù)字和模擬量擴(kuò)展單元、通訊單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及人機(jī)界面等模板, 充分利用PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)勢, 使所設(shè)計控制系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大, 而系統(tǒng)的設(shè)計過程和操作卻越來越簡便[2]。表1 是PLC 外圍地址的詳細(xì)定義。

表1 CPU222模塊I/O口地址功能定義

圖3 電氣連線示意圖

3 電氣硬件的控制實(shí)現(xiàn)

3.1 CPU222 讀取直線編碼器

光柵尺因運(yùn)動速度的差異，脈沖信號輸出頻率可以從幾赫茲到幾千赫茲不等，而在此系統(tǒng)中，由于拉桿調(diào)節(jié)張力的速度非常緩慢，脈沖信號一般在100Hz 以下，為了對信號的精確測量，利用CPU222 中的高速計速器功能[3]。它能測量頻率在20KHz 以內(nèi)的脈沖信號。光柵尺脈沖信號輸出僅有兩根線，分別為A 相和B 相。在PLC中選擇高速計速器HSC0 和HSC4，工作都選擇A/B 相正交計數(shù)器下的模式9。

（1）HSC0 高速計數(shù)器程序：

LD SM0.0

MOVB 16#F8, SMB37 //設(shè)置控制位：增計數(shù)；4X速率；已使能。

MOVD +0, SMD38 //裝載當(dāng)前值。

HDEF 0, 9 //選擇高速計速器0 模式9。

ENI

HSC 0

（2）HSC4 高速計數(shù)器程序：

LD SM0.0

MOVB 16#F8, SMB147 //設(shè)置控制位：增計數(shù)；4X速率；已使能。

MOVD +0, SMD148 //裝載當(dāng)前值。

HDEF 4, 9 //選擇高速計數(shù)器4 模式9。

ENI

HSC 4

3.2 CPU222 控制交流伺服驅(qū)動器

扭矩電機(jī)的交流伺服驅(qū)動器采用PWM 脈沖控制，利用CPU222 模塊中的PWM 功能，能夠輸出頻率在20KHz 以內(nèi)的脈沖信號[4，5]。而羅拉、收/放線電機(jī)采用外部模擬量控制，西門子的模擬量擴(kuò)展模塊的分辨率能達(dá)到1/32000V,對于羅拉、收/放線電機(jī)的旋轉(zhuǎn)量控制完全可以滿足。在程序中只要對相應(yīng)的模擬量寄存器進(jìn)行賦值就可以輸出相應(yīng)值。

（1）扭矩電機(jī)1PWM 程序：

LD SM0.0

MOVW +2000, SMW68 //PWM 周期數(shù)值范圍。

MOVW 6, SMW70 //PWM 脈寬數(shù)值范圍。

MOVB 16#D3, SMB67 //工作在PWM 方式并開啟，PWM 允許更新周期和脈寬時間，采用同步更新，脈寬周期為1μs。

PLS 0 //選擇地址Q0.0。

（2）扭矩電機(jī)2PWM 程序：

LD SM0.0

MOVW +2000, SMW78 //PWM 周期數(shù)值范圍。

MOVW 6, SMW80 //PWM 脈寬數(shù)值范圍。

MOVB 16#D3, SMB77 //工作在PWM 方式并開啟，PWM 允許更新周期和脈寬時間，采用同步更新,脈寬周期為1μs。

PLS 1//選擇地址Q0.1。

（3）羅拉及收/放電機(jī)模擬量控制程序：

LD SM0.0

MOVW VW0, AQW0 //VW0,VW2,VW4 存放相應(yīng)速度的模擬量值

MOVW VW2, AQW2

MOVW VW4, AQW4

（4）讀取張力傳感器值程序：

LD SM0.0

MOVW AIW0, VW6 //VW6,VW8 存放讀取的張力傳感器值

MOVW AIW2, VW8

上述程序是多線切割機(jī)張力控制中傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的使能程序，本系統(tǒng)選用了西門子S7-200 系列可編程序控制器的STEP7-Micro/WIN32 編程軟件,可在個人計算機(jī)上進(jìn)行可視化編程及程序調(diào)試。

4 結(jié)論

通過模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了使用扭矩電機(jī)進(jìn)行微調(diào)的全閉環(huán)恒張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)波動性小，精度高，反應(yīng)靈敏。降低了切割設(shè)備張力控制對收/放線、羅拉電機(jī)的高控制性的依賴。滿足高精度加工的同時，降低了生產(chǎn)成本，更具市場競爭力，經(jīng)過擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的研發(fā)，具有較強(qiáng)的借鑒意義。

[1]蔣近，戴瑜興，郜克存.多線切割機(jī)的速度同步控制[J].控制理論個與應(yīng)用，2011，2.

[2]羅麥豐，丁延松.基于西門子S7-200 系列PLC 的旋轉(zhuǎn)量檢測[J].制造業(yè)自動化，2009，9.

[3]蔣近，等.多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].中國機(jī)械工程，2010，15.

[4]張義兵，戴瑜興，袁巨龍，等.多線切割機(jī)線張力控制系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報，2009，5.

[5]金建華，林海波，蔡文輝.高精度石英晶體多線切割機(jī)的研制[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010，8.