丁彭剛，陳 煜

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

?

擺動單線切割機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

丁彭剛，陳 煜

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

針對超硬材料的切割特點(diǎn)，提出了擺動式單線切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，結(jié)合不同材料的工藝研究，不斷完善和增強(qiáng)了線切割機(jī)的應(yīng)用范圍和切割效率。

擺動單線切割機(jī)；同步控制；PID控制

傳統(tǒng)上晶錠切片的方式是采用內(nèi)圓切片機(jī)，這種切片機(jī)加工效率較低，材料損耗大，出片率低，加工晶片表面質(zhì)量較低，且難以加工硬度大，脆性高以及耐磨性好的材料。而伴隨著藍(lán)寶石、碳化硅、石英晶體、磁性材料、光學(xué)玻璃等超硬脆性材料行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)內(nèi)圓切片機(jī)已經(jīng)不能滿足要求。目前，單線切割機(jī)是目前最先進(jìn)的切片加工技術(shù)，其原理是通過電機(jī)帶動金剛石線的高速往復(fù)運(yùn)動，用金剛石線超強(qiáng)的切割能力，來達(dá)到快速切片的目的。切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的加工設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，本文研究開發(fā)的擺動式單線切割機(jī)，采用點(diǎn)切割方式，由于接觸面積很小，壓強(qiáng)變大，極大地增加了切割效率，逐漸成為硬脆性材料切片加工的關(guān)鍵設(shè)備。

1　單線切割機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

圖1所示的是擺動單線切割機(jī)的走線系統(tǒng)示意圖，放線輪上的切割線（金剛石線）通過導(dǎo)向輪過渡到擺動輪，然后再通過另一側(cè)擺動輪和導(dǎo)向輪，收卷到收線輪。單線切割機(jī)進(jìn)行切片加工時，進(jìn)給系統(tǒng)帶動高速往返運(yùn)動的金剛石線向下運(yùn)動進(jìn)行切割。

圖1　擺動單線切割機(jī)的走線系統(tǒng)

2　單線切割機(jī)控制部分

單線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)綜合了分布式控制、模糊控制、PID控制等多種技術(shù)。

2.1電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

擺動單線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，控制系統(tǒng)主要由主控制器、電機(jī)模塊、I/O模塊、電源模塊、流量控制模塊、斷線監(jiān)測模塊、觸摸屏等組成。本系統(tǒng)選用運(yùn)算單元與軸控制單元相結(jié)合的PLC控制器作為整個控制部分的核心，它通過高速總線（CANopen）控制各個電機(jī)，并最高可連接16個電機(jī)，在內(nèi)部構(gòu)建虛軸及外部編碼器主軸，配備高速浮點(diǎn)運(yùn)算處理器，可勝任本系統(tǒng)需要的復(fù)雜運(yùn)動控制程序。軸控制卡和驅(qū)動器通信采用的是CANopen總線，CANopen總線是現(xiàn)在國際上比較流行的分布式總線，通信模式采用的是等時通訊模式，它的特點(diǎn)是傳輸時間可調(diào)、傳輸速率快，分布式控制，抗干擾能力比較強(qiáng)。觸摸屏與控制器之間通訊采用的是RS-485總線，它采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有控制共模干擾的能力，加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂娇蛇_(dá)千米。

2.2收放線輪的同步控制

收放運(yùn)轉(zhuǎn)由兩個大功率電機(jī)帶動，并在控制過程中采用主從控制結(jié)構(gòu)，將放線輪電機(jī)作為主動電機(jī)，收線輪作為從動電機(jī)。在運(yùn)行過程中，放線輪電機(jī)以用戶給出的速度給定值作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值，而收線輪電機(jī)以放線輪的輸出速度作為自己的參考值，并實時檢測擺動輪編碼器的實際位置作為速度補(bǔ)償，并采用了先進(jìn)PID算法，使收放線輪做到速度基本一直，保持了切割線上的張力，使張力的波動在較小范圍內(nèi)。這種控制方式不僅降低了斷線率，又降低了晶片的表面粗糙度。

圖2　單線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)

圖3　主從線輪同步控制

為了比較精確匹放線輪速度和收線輪速度，使之線速度趨于一致，使張緊路輪擺動的幅度盡量最小，最終使張力臂上鋼線張力趨于穩(wěn)定，負(fù)載變化較小，因此引入了PID控制。如圖3所示為本系統(tǒng)的PID控制框圖。其中張力臂平衡位置P0為輸入值，張力臂的轉(zhuǎn)角通過編碼器獲得，為系統(tǒng)反饋值，兩者之差經(jīng)過PID控制器轉(zhuǎn)化為速度，同時把放線輪補(bǔ)償速度作為一個前饋，共同作用值傳遞給收線輪。在控制器中設(shè)定采樣周期，Pi表示第i次采樣周期張力臂擺動位置，本系統(tǒng)PID控制規(guī)律用如下方程表示：

V（Ki）為放線輪第i次采樣周期計算速度；

KP為張力臂位置和平衡位置差值的比例系數(shù)；

Ki為累計張力臂位置和平衡位置差值的積分系數(shù)；

Kd是采樣周期之間位置差值的微分系數(shù)；

V線輪（t）為放線輪的計算速度。

在控制器的每次等時模式數(shù)據(jù)傳輸中，把計算速度傳遞給收線輪。

2.3擺動輪的同步控制

圖4是傳統(tǒng)導(dǎo)輪切割示意圖，先前單線機(jī)切割的左右切割導(dǎo)輪位置是固定的，在切割超硬材料時，非常容易產(chǎn)生很大的線弓，切割線與料接觸面積很大，不僅使切割能力大大下降，而且容易夾線、斷線。在本系統(tǒng)中，采用如圖5所示的擺動導(dǎo)輪切割方式，切割線由左右擺動輪帶動做往復(fù)運(yùn)動，擺相對位置和速度都可調(diào)。在切割超硬材料時，金剛石線與材料的接觸面積非常小，壓強(qiáng)很大，切割能力大大加強(qiáng)。

圖4　傳統(tǒng)導(dǎo)輪切割示意圖

3　上位機(jī)控制

人機(jī)交互界面選用目前流行的WINCC組太軟件。在切割材料時，首先需要設(shè)定切割零位，如圖6所示。在圖7中設(shè)定工件的切割高度，切割工藝曲線，需要設(shè)定的切割段數(shù)，切割的走線速度，每分鐘新線進(jìn)給量，工作臺進(jìn)刀速度，工作臺的擺動頻率，擺動角度，切割液的檔位等工藝參數(shù)。在切割主界面（見圖6）中，要實時顯示各個參數(shù)的狀態(tài)，以供操作人員監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)不同的工藝，切割的開始時間，采用復(fù)雜的算法，能夠比較精確的計算出剩余時間和結(jié)束時間。使操作人員不用一直守在機(jī)器旁邊，當(dāng)材料切割完成時，直接取料即可。根據(jù)不同的切割料，采用復(fù)雜的PID控制算法，實時去調(diào)節(jié)冷水的供給流量大小，自動控制水溫，使水溫的實際值與設(shè)定值誤差在正負(fù)1℃以內(nèi)。切割線的張力不僅通過讀數(shù)的方式顯示

圖5　擺動導(dǎo)輪切割示意圖

圖6　切割主界面

出來，還可以形成溫度曲線，使操作人員能夠觀察整個切割過程中張力的變化。

圖7　切割工藝界面

4　結(jié)束語

除去以上列舉的電控部分的研究，同時進(jìn)行了切割過程中斷線監(jiān)測方法等研究。在擺動單線切割機(jī)切割工藝中，控制系統(tǒng)的每一部分都根據(jù)權(quán)重的不同，在系統(tǒng)中起著重要作用。在切割工藝實驗中，根據(jù)硅片的切割質(zhì)量，確定控制系統(tǒng)的各個部分是否滿足使用要求，并根據(jù)實驗結(jié)果，相應(yīng)地進(jìn)行控制系統(tǒng)各個部分的改進(jìn)，最終使切割的產(chǎn)品滿足用戶要求。

［1］ 張義兵，戴瑜興，湯睿，等.多線切割機(jī)速度同步系統(tǒng)的自適應(yīng)逆控制及實現(xiàn)［J］.控制理論與應(yīng)用，2008，25（6）：1007-1010.

［2］ 管力明，林劍.無軸單張紙輸紙機(jī)的同步控制［J］.控制理論與應(yīng)用，2009，26（5）：573-577.

［3］ 趙希梅，郭慶鼎.數(shù)控機(jī)床多軸聯(lián)動伺服電機(jī)的零相位自適應(yīng)魯棒交叉耦合控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（12）：129-133.

［4］ 何金保，郭帥，何永義，等.基于遺傳優(yōu)化的張力模糊控制［J］.控制理論與應(yīng)用，2009，26（3）：243-248.

Research on Electric Control of Single_Wire Dicing Saw Equipment

DING Penggang，CHEN Yu
（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

For the cutting of hard materials，the control system design of swing_Single_Wire Dicing Saw is brought out.Based on the cutting technics of materials，the Single_Wire Dicing Saw cutting ability is stronger.

Single_wire dicing saw；Multi_axis synchronous control；PID control

TN305

B

1004-4507（2016）09-0019-04

丁彭剛（1981-），男，河北保定人，工程師，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體材料加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計。

2016-08-10