林日磊

（浙江鼎威科技有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

隨著我國(guó)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(chǎng)需求量日益增長(zhǎng)，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(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(gè)導(dǎo)向軸上，走線時(shí)可以進(jìn)行數(shù)百個(gè)切割，一次性獲得數(shù)百個(gè)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(guó)際上只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)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(lái)，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(kāi)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(kāi)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(guò)程中，切割線抖動(dòng)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(wèn)題[1]。另外，存在由于走線過(guò)程中的斷線，造成整根硅棒（水晶棒）將報(bào)廢, 造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)上述的兩個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)控制加工過(guò)程中切割線張力波動(dòng)來(lái)加以解決。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以西門子S7-200PLC 為基礎(chǔ)，通過(guò)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(dòng)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(dòng)左右兩邊的收/放線筒及羅拉三者來(lái)回作高速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)使鋼絲起到切割脆硬材料的功能。通過(guò)張力傳感器對(duì)鋼絲張緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將信號(hào)反饋給PLC，PLC通過(guò)控制扭矩電機(jī)來(lái)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(guò)拉桿行程時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)收/放線筒對(duì)鋼絲線的收/放量，同時(shí)驅(qū)動(dòng)拉桿回到中間位，來(lái)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(gè)控制系統(tǒng)的組成部分中，張力控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)是非常重要的一部分，它是執(zhí)行控制器的控制信號(hào)的部分。而其中的電氣硬件是對(duì)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(hào)，在PLC 中需要添加模擬量輸入擴(kuò)展模塊。在此過(guò)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(guò)程可看出，扭矩電機(jī)對(duì)拉桿行程的調(diào)節(jié)時(shí)通過(guò)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(guò)交流伺服電機(jī)的位置Pt 控制模式來(lái)達(dá)到恒扭矩的控制，用PLC 輸出PWM 信號(hào)對(duì)電機(jī)的行程進(jìn)行精確的控制。

（3）鋼絲收/放量通過(guò)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(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，采用位置Pr 控制模式，利用外部模擬量輸入的變化來(lái)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(cè)量，采用具有高分辨率的光柵尺是符合測(cè)量要求。

（5）用于扭矩電機(jī)的每個(gè)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(gè)直線編碼器有2 個(gè)數(shù)字輸出口，因此PLC 需要至少9 個(gè)數(shù)字量輸出地址，4 個(gè)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(gè)地址，羅拉和收/放線伺服電機(jī)的伺服ON 并用一個(gè)地址，最后我們只要6 個(gè)數(shù)字量輸出地址，對(duì)于未來(lái)的生產(chǎn)發(fā)展, 選用性能高、價(jià)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(shí)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(shì), 使所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大, 而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和操作卻越來(lái)越簡(jiǎn)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(dòng)速度的差異，脈沖信號(hào)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(hào)一般在100Hz 以下，為了對(duì)信號(hào)的精確測(cè)量，利用CPU222 中的高速計(jì)速器功能[3]。它能測(cè)量頻率在20KHz 以內(nèi)的脈沖信號(hào)。光柵尺脈沖信號(hào)輸出僅有兩根線，分別為A 相和B 相。在PLC中選擇高速計(jì)速器HSC0 和HSC4，工作都選擇A/B 相正交計(jì)數(shù)器下的模式9。

（1）HSC0 高速計(jì)數(shù)器程序：

LD SM0.0

MOVB 16#F8, SMB37 //設(shè)置控制位：增計(jì)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(jì)速器0 模式9。

ENI

HSC 0

（2）HSC4 高速計(jì)數(shù)器程序：

LD SM0.0

MOVB 16#F8, SMB147 //設(shè)置控制位：增計(jì)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(jì)數(shù)器4 模式9。

ENI

HSC 4

3.2 CPU222 控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器

扭矩電機(jī)的交流伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)[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(duì)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(duì)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(kāi)啟，PWM 允許更新周期和脈寬時(shí)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(kāi)啟，PWM 允許更新周期和脈寬時(shí)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(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行可視化編程及程序調(diào)試。

4 結(jié)論

通過(guò)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(dòng)性小，精度高，反應(yīng)靈敏。降低了切割設(shè)備張力控制對(duì)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(shí)，降低了生產(chǎn)成本，更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(cè)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009，9.

[3]蔣近，等.多線切割機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)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(jì)實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(dòng)化加工技術(shù)，2010，8.