王堅鑌

摘要：目前，多線切割機廣泛應用在電子信息行業(yè)，主要用來加工單晶硅、藍寶石和SiC等材料。生產過程中，由纏繞在切割軸上的金剛線將工件切割成片，通過控制金剛線的直徑和線間距可切割出不同厚度及不同數量的切片。這個工藝具有生產效率較高、材料損耗率低等優(yōu)點，因此代替了之前的內圓切割機等成為SiC晶片切割的關鍵設備。但多線切割機系統(tǒng)比較復雜，包括走線系統(tǒng)、張力控制、速度同步控制和主軸系統(tǒng)等，且影響切片精度的因素較多，需要對每個系統(tǒng)進行精確建模分析。

關鍵詞：多線切割機;伺服電機控制系統(tǒng);設計與試驗

引言

伺服控制系統(tǒng)是一個整體，其主要組成元素包含了驅動、控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)還有電力的電子原件等，是從步進向直流進步，與數字脈寬調制技術、微電子技術等共同發(fā)展進步。同時，伺服控制技術又從直流發(fā)展到了交流，與特種電機材料技術和現代控制技術等同步發(fā)展。硬件服務控制系統(tǒng)為加工技術提供了推動力，實現了軟件伺服控制系統(tǒng)的轉變，提高了伺服系統(tǒng)運行的性能。

1伺服控制系統(tǒng)含義

伺服電控系統(tǒng)是現代信息化發(fā)展的一種產物，是比較常見的一種負反饋系統(tǒng)，從屬于自控系統(tǒng)之中，也可將其稱之為動態(tài)隨動系統(tǒng)，即控制對象隨著給定信號變化而發(fā)生改變。受控體、制動器、控制器以及傳感器等是伺服控制系統(tǒng)中最重要的幾個組成部分，在眾多構件中，制動器由功率放大器、馬達構成;被控的物件則稱之為受控體，而控制器、被控制對象、執(zhí)行器和檢測變速器等則也是其不可缺少的成分。但電液伺服系統(tǒng)也存在多種弊端，如體積龐大、運行中產生噪音大以及漏油現象時有發(fā)生等。從控制理論上來說，電氣伺服系統(tǒng)不但包括開環(huán)伺服系統(tǒng)，還包括閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，一共三種類型。

（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單、調試維護容易，內部沒有運動反饋的控制回路，工作穩(wěn)定、成本低，沒有檢測的反饋裝置。當運動有錯誤時，電動機也會隨著裝置發(fā)出脈沖指令進行工作，并且還會修正錯誤，作出信息錯誤反饋。在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，步進電動機是主要驅動部件，其步距角精度、機械的傳動精度能夠影響開環(huán)系統(tǒng)的精度。一般情況下，一些對精度和速度要求不高的設備中，開環(huán)伺服系統(tǒng)都會用到步進電動機。

（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)安裝調試比較方便，主要由無刷旋轉變壓器、測量速度的發(fā)電機構成。其中，無刷轉變壓器最主要的器件還是裝載內部的脈沖編碼器，不會受一些非線性因素的影響，系統(tǒng)能夠實現機械傳動的控制。在數控機床中，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的應用非常廣泛，在機械轉動裝置精度不高的情況下，機械轉動裝置的精度可以作為整個半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度，為了達到要求的高度，數控裝置內部的誤差補償功能和間隙補償功提升加工的精度。

（3）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是由各種裝置組成，即：比較環(huán)節(jié)、伺服驅動放大器、機械傳動裝置、進給伺服電動機以及直線位移測量裝置等。其中，全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的驅動部件能夠監(jiān)測、反饋修正機床運動部件的移動量，即：直流伺服電動機或者交流伺服電動機。在測量機床部件時，能夠構成一個較高精度的全閉環(huán)控制位置系統(tǒng)，可以直接利用安裝在工作臺的光棚或者感應同步器。在整個全閉環(huán)系統(tǒng)中，可以在移動的部件上，安裝直線位移檢測器。但機械傳動裝置之間的一些非線性因素，會影響整體的穩(wěn)定性，如：摩擦阻尼、裝置剛度以及反響間隙等。

2多線切割機伺服電機控制系統(tǒng)設計與試驗

2.1多線切割機整體設計

多線切割機主要包括控制系統(tǒng)、走線系統(tǒng)、主軸傳動系統(tǒng)、工作臺、循環(huán)冷卻系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)等，其中控制系統(tǒng)以PLC為核心，將各執(zhí)行元件的狀態(tài)信息收集，通過邏輯運算輸出控制指令，走線系統(tǒng)主要包含放線部件、收線部件、張力擺桿和主軸部件，張力擺桿電機對始末兩端電機轉速和金剛線張力起調節(jié)作用。為了保證設備有較好的穩(wěn)定性，以及高精度和高效率等性能，主要把以下幾項指標作為目標條件，進行設計，見表1。

正面視圖中為三個加工輪，如圖1所示，加工輪電機為伺服電機，是系統(tǒng)的主動部分，其電機需要滿足速度同步的要求。走線系統(tǒng)主要包括放線輪、導輪及擺桿，放線輪和收線輪為隨動部分，擺桿部分通過角度的調節(jié)，使金剛線上的張力保持恒定，各導輪將金剛線繞線方向進行改變，從送線輪輸出經過加工輪最終到達收線輪，整個過程保證送線的均勻性。

2.2 SiC晶片切割試驗

通過對SiC晶片的切割試驗，測試伺服電機控制系統(tǒng)及整機的性能。經過多次試切試驗后，選取與設備相匹配，切割性能較好的工藝參數，按照相關工藝參數進行切割，在試驗過程中觀察并記錄各項主要參數，其中金剛線張力值保持在35士2N范圍內，張力擺桿擺動幅度在+3°以內，切割完成后，晶片的表面光潔度較高，一致性好。對晶片的表面質量，主要考察晶片的TTV、BOW和Warp等參數，參數越小，表明切割的質量越好，用平坦度測量儀對上述參數進行測量，TTV在20m以內，BOW在20m以內，Warp在30m以內。對比國內外文獻數據，數據都在較好的范圍內，經過后續(xù)的研磨工藝可將TTV、Bow和Warp值進一步改善，最終滿足SiC器件或襯底的參數要求。

3結語

分析了切割走線系統(tǒng)中輸入量、輸出量之間的關系，進而建立了張力擺桿電機和伺服電機控制系統(tǒng)模型。為了改善控制系統(tǒng)的性能，設計了兩輸入三輸出模糊FID控制器，并在試驗樣機上進行了SiC晶片切割試驗，放線輪電機與收線輪電機的轉速踉隨性很好，誤差較小，SiG晶片表面質量較好，表明采用此控制策略能得到很好的控制效果，切割機能達到很高的精度。

參考文獻：

[1]孫斌.伺服電機的應用及技術控制研究[J].自動化應用，2017，（8）：67-68.

[2]劉揚.淺析伺服電機在自動控制系統(tǒng)中的應用[J].科技視界，2014，（18）：75.

（作者單位：煙臺力凱數控科技有限公司）