王顯術(shù)

（大連連城數(shù)控機器股份有限公司，遼寧大連 116000）

硅棒切割是硅片加工中的一道重要工序，其加工質(zhì)量的好壞將直接影響后續(xù)的加工效率和成品率，硅片作為光伏和半導(dǎo)體領(lǐng)域的主要生產(chǎn)材料，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中。隨著集成電路和光伏產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對硅片的要求越來越高，這主要表現(xiàn)在兩個方面：①為了提高硅片產(chǎn)量在切割時不斷地提高走線速度，使多線切割機朝著高速的方向發(fā)展；②為了提高切割硅片的精度和質(zhì)量，就要使金剛線更細(xì)更堅韌，使多線切割機朝著金剛線直徑更細(xì)的方向發(fā)展[1]?，F(xiàn)如今，多線切割機遵循的研發(fā)方向是切割晶硅棒料尺寸更大，切割厚度更薄，產(chǎn)量更大，質(zhì)量更好。對于多線切割機來說，加工輥軸伺服和收、放線輪軸伺服間同步控制以及鋼絲線間的張力控制是此類設(shè)備的控制關(guān)鍵點，文章中采用的力士樂MLC 運動控制器，通過SERCOS Ⅲ總線連接多套伺服電機，正是解決此類設(shè)備控制關(guān)鍵點的最佳組合。

1 多線切割機的發(fā)展趨勢

作為硅片切割的專用設(shè)備，多線切割機是太陽能光伏、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。多線硅切割機的發(fā)展趨勢如下。

（1）切割效率的提高。多線硅切割機的一個重要趨勢是提高切割效率。在光伏、半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展帶動下，我國硅片市場的產(chǎn)量需求不斷增加，對多線切割機的切割速度要求越來越高。未來的多線硅切割機將采用更高的切割線速度，來提高硅片切割的效率，從而降低硅片生產(chǎn)成本。

（2）精度的提升。除了切割速度的提高，多線硅切割機還將追求更高的切割精度。高精度的切割可以減少硅片的浪費，提高太陽能電池、半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)出率。未來的多線硅切割機將采用先進的控制算法和切割技術(shù)，實現(xiàn)更高的切割精度。

（3）異型硅片的切割。隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，越來越多的異型硅片被應(yīng)用于太陽能電池。傳統(tǒng)的多線硅切割機主要適用于標(biāo)準(zhǔn)形狀的硅片切割。未來的多線硅切割機將致力于切割各種異型硅片，滿足不同光伏產(chǎn)品的需求。

（4）自動化和智能化。多線硅切割機將趨向于更高的自動化和智能化水平。通過引入自動化裝載和卸載系統(tǒng)、自動托盤更換系統(tǒng)、自動切割參數(shù)調(diào)整等技術(shù)，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。智能化方面，多線硅切割機將采用先進的傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制，提高切割質(zhì)量和穩(wěn)定性。

（5）節(jié)能環(huán)保。多線硅切割機在未來也將注重節(jié)能和環(huán)保方面的發(fā)展。采用節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)、能源回收技術(shù)等手段，減少能耗。同時，多線硅切割機也將采用環(huán)保材料和工藝，減少對環(huán)境的影響。

2 力士樂MLC控制器介紹

IndraMotion MLC 系列控制器是德國博世力士樂公司最新推出的新一代自動化運動控制器，其將運動控制、機器人控制和邏輯控制與各種功能融合在一起，讓多軸同步更容易，可使用各種功能部件，如導(dǎo)向軸、電子變速箱、凸輪、復(fù)雜插補動作等，最多可實現(xiàn)64個伺服軸的同步控制。其內(nèi)置了EtherNet/IP 和SERCOS Ⅲ總線端口，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高速控制，工程編輯調(diào)試軟件IndroWorks 符合IEC61131-3 和PLCopen標(biāo)準(zhǔn)的可擴展的軟件函數(shù)庫，使伺服軸的控制設(shè)定更為便捷。力士樂MC 控制器的主要特點和功能。

（1）高性能運動控制。IndraMotion MLC 提供了強大的運動控制功能，能夠精確控制各種類型的運動設(shè)備，如機器人、驅(qū)動器、伺服系統(tǒng)等。其支持多軸、多通道和高速運動控制，可以實現(xiàn)高精度、高速度的運動操作。

（2）靈活的編程環(huán)境。IndraMotion MLC 提供了一個靈活的編程環(huán)境，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的編程語言，如IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)語言、C/C++、Structured Text 等，用戶可以根據(jù)自己的喜好和經(jīng)驗選擇合適的編程語言進行開發(fā)。

（3）高級運動控制算法。IndraMotion MLC 內(nèi)置了一系列先進的運動控制算法，如軌跡生成、插補、同步控制等。這些算法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運動控制任務(wù)，如直線、圓弧、螺旋運動等，滿足各種復(fù)雜運動需求。

（4）實時系統(tǒng)和分布式控制。IndraMotion MLC采用實時操作系統(tǒng)，具有快速的響應(yīng)能力和高度可靠性，還支持分布式控制架構(gòu)，可以實現(xiàn)多個控制單元之間的協(xié)同工作，實現(xiàn)更大規(guī)模的系統(tǒng)控制。

（5）開放性和集成性。Indra MotionMLC 具有良好的開放性，可以與其他設(shè)備和系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成，支持多種通信接口和協(xié)議，如EtherCAT、Profibus、Profinet 等，方便與其他設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換。

（6）可擴展性。IndraMotion MLC 是一個高度可擴展的控制系統(tǒng)，其可以根據(jù)需求擴展多個軸，添加更多的I/O 模塊，以及添加其他附加功能模塊，如視覺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等，以滿足不斷變化的應(yīng)用要求。

3 多線切割機工作原理

多線切割技術(shù)是目前比較先進的硅片加工工藝技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的鋸片、砂輪等切割方式，也不同于其他的激光切割和內(nèi)圓切割，其工作原理是使混合有碳化硅微粉的砂漿被鋼絲送到切割區(qū)域內(nèi)，鋼絲在高速運轉(zhuǎn)時不斷摩擦壓在線網(wǎng)上的工件，從而達到切割效果，完成切割過程。在整個過程中，鋼絲由幾個過度導(dǎo)輪引導(dǎo)，在主切割輥上形成絲網(wǎng)，待加工工件由工作臺下降進給。與其他技術(shù)相比，硅片多線切割技術(shù)具有效率高、生產(chǎn)率高、精度高等優(yōu)點，目前應(yīng)用較為廣泛的硅片切割技術(shù)。

依據(jù)多線切割技術(shù)研制的多線切割機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機型在結(jié)構(gòu)上左右兩側(cè)完全對稱，左側(cè)被稱為放線側(cè)，包括放線輪、放線排線、放線導(dǎo)線輪和放線張力臂。右側(cè)被稱為收線側(cè)，包括收線輪、收線排線、收線導(dǎo)線輪和收線張力臂。設(shè)備中間的部分則是切割硅片的部位，包括工作臺和3個加工輥，加工的晶硅棒料固定在工作臺上。

圖1 多線切割機總體結(jié)構(gòu)

晶硅棒料在切割之前，所有金剛線全部均勻排布在放線輪上，通過放排輪、導(dǎo)線輪、放線張力臂后纏繞到3個加工輥上。這3個加工輥上按照切割硅片厚度的要求而平行刻有一定深度的V 型槽，金剛線纏繞在這些V 型槽上形成一排數(shù)百或數(shù)千按照一定間隔平行排列的金剛線線網(wǎng)，這個線網(wǎng)就組成了切割面，然后金剛線再通過導(dǎo)線輪、收線張力臂和收排線回到收線輪上，3個加工輥通過3個伺服電機拖動，根據(jù)設(shè)定的線速度正、反向交替運轉(zhuǎn)，從而使金剛線往復(fù)運行，逐漸將金剛線從放線輪轉(zhuǎn)移到收線輪上，同時固定放置晶硅棒料的工作臺根據(jù)給定的位置和速度指令，由上向下緩慢移動，使得金剛線能夠進入晶硅棒料里面，最終完成切割加工。

4 基于MLC控制器的解決方案

4.1 控制系統(tǒng)硬件方案

在本方案中控制系統(tǒng)硬件主要由觸摸屏、運動控制器、伺服電機、I/O 模塊、傳感器等組成，如圖2所示。觸摸屏選用嵌入式PC 觸摸屏，主控制單元采用力士樂公司推出的MLC L65運動控制器，收放排線、收放張力臂伺服驅(qū)動器選用IndraDrive 系列的雙軸控制驅(qū)動器，其它軸選用IndraDrive 系列的單軸控制驅(qū)動器，伺服電機選用異步伺服電機MAF 和同步伺服電機MSK 系列，采用SERCOS Ⅲ現(xiàn)場總線來完成伺服系統(tǒng)和運動控制器之間的通信。

圖2 多線切割機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基于MLC L65運動控制器為核心，通過觸摸屏、伺服電機、I/O 模塊和傳感器等組件實現(xiàn)對多線切割機的控制和監(jiān)測功能。MLC L65運動控制器提供了高性能的運動控制能力，使得系統(tǒng)可以進行復(fù)雜的運動控制，并通過與其他硬件組件的協(xié)作實現(xiàn)多線切割機的控制運行。

4.2 控制系統(tǒng)多軸同步耦合關(guān)系

多線切割機的多軸同步耦合關(guān)系是指多個伺服電機軸之間協(xié)調(diào)運動，以實現(xiàn)切割線的準(zhǔn)確位置和速度控制。本方案中的多線切割機是由10個伺服電機組成的多電機系統(tǒng)，其中包括3個主電機，兩個收放線電機，2個收放排線電機，2個張力控制電機和1個工作臺進給電機，其基本關(guān)系如圖3所示。主電機、收放線電機分別與虛擬主軸同步，收排電機跟隨收線電機速度，放排電機跟隨放線電機速度，收臂電機和放臂電機工作在轉(zhuǎn)矩模式下輸出一定的力矩來維持金剛線鋸張力恒定，并通過張力擺桿的位置反映主電機和收放線電機的同步情況，工作臺進給電機根據(jù)切割工件的位置來調(diào)整其速度。

4.3 主電機和收、放線電機的同步、張力控制

在多線切割機中，主電機和收、放線電機的同步和張力控制至關(guān)重要，方案中通過虛擬主軸生成運動軌跡，沒有理論偏差，沒有轉(zhuǎn)速波動，3個主電機分別使用PLCopen 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)MC_GearIN（電子齒輪比）指令與虛擬主軸建立1 ∶1傳動比例關(guān)系，通過使用力士樂的MB_WinderDancerCtrlType01函數(shù)指令實現(xiàn)對收、放線電機、主電機之間的同步，張力臂電機控制，下面僅用一個主電機和收線電機的同步控制為例來說明（收放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同），程序如圖4所示。

圖4 主電機和收線電機的同步、張力控制程序

4.4 排線電機控制方法

將同側(cè)的排線電機和線輪電機的轉(zhuǎn)速設(shè)定成主從關(guān)系，既線輪每轉(zhuǎn)一圈，對應(yīng)的排線電機控制排線機構(gòu)向里或向外運動一定的距離，使排線導(dǎo)輪始終精確跟隨同側(cè)線輪，當(dāng)排線機構(gòu)運行到極限位置或同側(cè)線輪換向運行時，排線電機就會驅(qū)動排線機構(gòu)換向。通過使用力士樂的MB_TraverseControlType01函數(shù)指令能較為便捷地實現(xiàn)對多線切割機的排線控制，下面用放線電機和放排電機為例來說明（收放線側(cè)結(jié)構(gòu)相同），程序如圖5所示。

圖5 收排電機的控制程序

5 結(jié)束語

本方案系統(tǒng)中，采用了力士樂MLC L65 運動控制器通過SERCOS Ⅲ總線的方式連接的多套伺服電機，很好地解決了多線切割機的同步控制問題。SERCOS Ⅲ總線采用了以太網(wǎng)的傳輸機制，通信速率可達到100 Mbit/sec，伺服的同步精度小于20 ns，且最小循環(huán)時間可縮短為31.25 μs，刷新時間和不超過1μs 的時基誤差保證了各軸之間的同步[2]。此外，MLC L65的編程軟件IndroWorks 通過簡單設(shè)置就可以完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服電機等現(xiàn)場設(shè)備的配置，軟件中擁有豐富的函數(shù)功能塊庫，這些函數(shù)功能塊庫包含了各種常用的運動控制算法、運動規(guī)劃算法、軸控制函數(shù)等，這些函數(shù)通常已經(jīng)經(jīng)過測試和驗證，可靠性較高，可以直接在項目中使用，而無需重新編寫和調(diào)試復(fù)雜的控制邏輯，加快了軟件開發(fā)的速度，縮短了工程人員的編程調(diào)試時間，從而大幅縮短了設(shè)備的研發(fā)周期。這種軟件開發(fā)的模塊化方法極大提高了開發(fā)效率，使得設(shè)備能夠更迅速地投入使用和商業(yè)化。