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《電子工業專用設備雜志》2016年第Z1期

摘要：

針對超硬材料的切割特點，提出了擺動式單線切割機控制系統的設計方案，結合不同材料的工藝研究，不斷完善和增強了線切割機的應用范圍和切割效率。

關鍵詞：

擺動單線切割機；同步控制；PID控制

傳統上晶錠切片的方式是采用內圓切片機，這種切片機加工效率較低，材料損耗大，出片率低，加工晶片表面質量較低，且難以加工硬度大，脆性高以及耐磨性好的材料。而伴隨著藍寶石、碳化硅、石英晶體、磁性材料、光學玻璃等超硬脆性材料行業的發展，傳統內圓切片機已經不能滿足要求。目前，單線切割機是目前最先進的切片加工技術，其原理是通過電機帶動金剛石線的高速往復運動，用金剛石線超強的切割能力，來達到快速切片的目的。切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關鍵技術指標上均明顯優于傳統的加工設備。在此基礎上，本文研究開發的擺動式單線切割機，采用點切割方式，由于接觸面積很小，壓強變大，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鍵設備。

1單線切割機系統構成

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

2單線切割機控制部分

單線切割機電氣控制系統綜合了分布式控制、模糊控制、PID控制等多種技術。

2.1電氣控制

系統構成擺動單線切割機電氣控制系統的構成如圖2所示，控制系統主要由主控制器、電機模塊、I/O模塊、電源模塊、流量控制模塊、斷線監測模塊、觸摸屏等組成。本系統選用運算單元與軸控制單元相結合的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，并最高可連接16個電機，在內部構建虛軸及外部編碼器主軸，配備高速浮點運算處理器，可勝任本系統需要的復雜運動控制程序。軸控制卡和驅動器通信采用的是CANopen總線，CANopen總線是現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，它的特點是傳輸時間可調、傳輸速率快，分布式控制，抗干擾能力比較強。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，加上總線收發器具有高靈敏度，所以數據傳輸的路徑可達千米。

2.2收放線輪的同步控制

收放運轉由兩個大功率電機帶動，并在控制過程中采用主從控制結構，將放線輪電機作為主動電機，收線輪作為從動電機。在運行過程中，放線輪電機以用戶給出的速度給定值作為參考值，在運行過程中緊密跟蹤系統給定值，而收線輪電機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償，并采用了先進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。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。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定，負載變化較小，因此引入了PID控制。如圖3所示為本系統的PID控制框圖。其中張力臂平衡位置P0為輸入值，張力臂的轉角通過編碼器獲得，為系統反饋值，兩者之差經過PID控制器轉化為速度，同時把放線輪補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PID控制規律用如下方程表示：V(Ki)=KP(Pi-P0)+Ki+Kd(Pi-Pi-1)(1)V收線輪(t)=V(Ki)+KV(t)(2)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；Ki為累計張力臂位置和平衡位置差值的積分系數；Kd是采樣周期之間位置差值的微分系數；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據傳輸中，把計算速度傳遞給收線輪。

2.3擺動輪的同步控制

圖4是傳統導輪切割示意圖，先前單線機切割的左右切割導輪位置是固定的，在切割超硬材料時，非常容易產生很大的線弓，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。在本系統中，采用如圖5所示的擺動導輪切割方式，切割線由左右擺動輪帶動做往復運動，擺相對位置和速度都可調。在切割超硬材料時，金剛石線與材料的接觸面積非常小，壓強很大，切割能力大大加強。

3上位機控制

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

4結束語

除去以上列舉的電控部分的研究，同時進行了切割過程中斷線監測方法等研究。在擺動單線切割機切割工藝中，控制系統的每一部分都根據權重的不同，在系統中起著重要作用。在切割工藝實驗中，根據硅片的切割質量，確定控制系統的各個部分是否滿足使用要求，并根據實驗結果，相應地進行控制系統各個部分的改進，最終使切割的產品滿足用戶要求。

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作者:丁彭剛 陳煜 單位:中國電子科技集團公司第四十五研究所