一型金剛線切割機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉喜　潘松峰

【摘 要】金剛線切割技術(shù)是目前世界上先進(jìn)的切割加工方法之一。一般的線切割機(jī)采用收放兩個(gè)線輪，對(duì)兩個(gè)電機(jī)的同步性有嚴(yán)格的要求，兩個(gè)電機(jī)需采用伺服電機(jī)，成本較高。本文中，將兩個(gè)收放線輪合二為一，收放線輪用一個(gè)輪代替，線的纏繞方向不同，從而達(dá)到一側(cè)放線一側(cè)收線，采用一個(gè)電機(jī)控制，這樣既節(jié)約了成本，便于控制，又減少更換金剛線的頻率。

【關(guān)鍵詞】金剛線；切割機(jī)；伺服電機(jī)

【Abstract】King kong line knifing technology is one of the most advanced knifing method.Traditional cutter bar have a pull line wheel and a push line wheel，it emphasize two motors synchronism，and two motors are all servo motor，the cost is huge.in this paper，we make one wheel replace two wheels，but line twine direction is different from the traditional cutterbar，and the wheel can achieve both pull and push line.this method has three advantages，first， the cost is not huge，second，it can be easily controlled，third，we can reduce frequency of changing king kong line.

【Key words】King kong line；Cutter bar；Servo motor

0 引言

金剛線切割機(jī)的工作原理是通過一根鋼絲線的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將砂漿帶入待切割材料的加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將切割材料割成薄片，砂漿是碳化硅微粒與輕質(zhì)油按照一定的比例混合攪拌而成的懸浮液，其中碳化硅微粉是磨料，起到研磨作用，輕質(zhì)油為碳化硅的載體[1]。鋼絲線表面鍍金剛粉，使之如鋸齒一般切割，工作時(shí)，鋼絲線的速度由零開始加速，以恒定速度運(yùn)行一段時(shí)間后，再降到零速，之后再反向由零加速，再沿反方向降到零速，這就是一個(gè)完整的工作周期。

1 金剛線切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 一般線切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1為一般金剛線切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，左側(cè)為放線一側(cè)，包括放線輪、導(dǎo)線輪和放線張力擺桿，其中（3）為排線輪，（5）為金剛石線，（9）為張力擺桿，（10）為張力電機(jī)，右側(cè)稱為收線一側(cè)，包括收線輪、收線張力擺桿、導(dǎo)線輪和排線器。中間為機(jī)械加工部分，包括工作臺(tái)和兩個(gè)加工滾輪。切割之前所有鋼絲線全部有規(guī)律的纏繞在放線輪（1）上，通過導(dǎo)向輪（2）在張力擺杠的導(dǎo)線輪（11）繞一圈后纏繞到兩個(gè)加工滾輪（4）上。這兩個(gè)加工滾輪上按機(jī)械設(shè)定的切割厚度切割硅片。金剛絲線形成一排數(shù)百條間隔相等的鋼絲線網(wǎng)，這樣兩個(gè)加工滾輪之間形成了由金剛絲線網(wǎng)組成的切割面，從而切割出厚度相等的多個(gè)硅片，然后金剛絲線再通過一系列導(dǎo)向輪回到收線輪（8）。

兩個(gè)加工滾輪需要兩個(gè)伺服電機(jī)拖動(dòng)，同步性要求較高。切割開始時(shí)，兩個(gè)加工滾輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，正向旋轉(zhuǎn)后反向旋轉(zhuǎn)，如此重復(fù)運(yùn)行，其中正轉(zhuǎn)的時(shí)間比反轉(zhuǎn)的時(shí)間稍微長一些，金鋼絲線逐漸由放線輪轉(zhuǎn)移到收線輪上。在兩個(gè)滾輪運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，放置硅片（6）的工作臺(tái)（7）將硅片低速帶動(dòng)到金剛絲線網(wǎng)，然后繼續(xù)作低速運(yùn)動(dòng)。硅片和金剛絲線網(wǎng)接觸后保持一定的壓力，由金鋼絲線將砂漿中的碳化硅微粉帶入到硅片加工區(qū)域進(jìn)行研磨切割，硅片和鋼絲線接觸的部分慢慢被磨掉，鋼絲線逐漸切入到硅片里面，慢慢完成硅片的切片加工[2]。

1.2 單滾線切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

一般的金剛線切割機(jī)采用收放兩個(gè)線輪，對(duì)兩個(gè)電機(jī)的同步性有嚴(yán)格的要求，兩個(gè)電機(jī)需采用伺服電機(jī)，成本較高，現(xiàn)將兩個(gè)收放線輪合二為一，采用一個(gè)電機(jī)控制，這樣既節(jié)約了成本，便于控制，同時(shí)又減少更換金剛線的頻率。設(shè)計(jì)后的單滾金剛線切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)即將圖1中的收放線輪用一個(gè)滾輪代替，線的纏繞方向不同，從而達(dá)到一側(cè)放線一側(cè)收線。如圖2所示。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

2.1 收放線電機(jī)

前半個(gè)周期金剛絲線集中在滾輪的一側(cè)，在硅片被切割的過程中，主電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)間比反轉(zhuǎn)時(shí)間略長，金剛絲線逐漸由放線輪輸送到收線輪。對(duì)功率的要求較高，所以采用伺服電機(jī)控制比較合適。

2.2 排線電機(jī)

金剛線切割機(jī)在收線側(cè)和放線側(cè)均有排線電機(jī)，排線電機(jī)的作用是保證收放線滾輪上的金剛線能夠平鋪的分布，而不纏繞、重疊在一起。排線電機(jī)是保證機(jī)械能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，在金剛線切割機(jī)的排線裝置中起到重要的作用。因排線電機(jī)對(duì)同步性要求比收放線電機(jī)略低，故排線電機(jī)選取步進(jìn)電機(jī)。

2.3 工作臺(tái)電機(jī)

工作臺(tái)電機(jī)通過絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)電機(jī)將載著硅片的工作臺(tái)緩緩?fù)七M(jìn)至工作區(qū)。它主要是根據(jù)待切割硅片的尺寸，形狀等因素來確定線切割機(jī)運(yùn)行過程中工作臺(tái)上硅片的實(shí)時(shí)位姿，通過與其他三個(gè)電機(jī)相互協(xié)調(diào)工作來完成硅材料的切割加工，對(duì)電機(jī)的要求精度較高，需采用伺服電機(jī)。

3 張力補(bǔ)償

小型線切割機(jī)采用重錘保持張力恒定，張力約等于重錘重量，在張力發(fā)生變化時(shí)，重錘上下的位置會(huì)發(fā)生變化。本文設(shè)計(jì)的單滾線切割機(jī)采用重錘取代張力電機(jī)，既能滿足一般的切割要求，也能降低成本。張力補(bǔ)償部分如圖3所示。

4 PLC通過變頻器控制電機(jī)

切割機(jī)系統(tǒng)的主要組成見圖4所示的整體設(shè)計(jì)框圖。系統(tǒng)的執(zhí)行部件包括收放線電機(jī)、進(jìn)料電機(jī)、排線電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)核心PLC控制器發(fā)出控制命令，通過變頻器控制三個(gè)電機(jī)，使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成切割過程。該系統(tǒng)采用西門子200系列程序一體化PLC，通過安裝選件板，可進(jìn)行RS232通信或RS485通信。

5 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

輸入和顯示系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)操作人員與機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的“中介”，PLC與觸摸屏的通信采用串行口RS232通信方式傳達(dá)用戶指令，根據(jù)需要設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行方式?？刂葡到y(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的單滾金剛線切割機(jī)將傳統(tǒng)的線切割機(jī)的收放線兩個(gè)滾輪結(jié)合成一個(gè)滾輪，通過這樣的設(shè)計(jì)，能夠在實(shí)現(xiàn)硅片的切割工藝要求的基礎(chǔ)上，降低了作業(yè)成本，減少了金剛線的更換頻率，同時(shí)因其對(duì)電機(jī)的同步性要求不高，所以也方便控制。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]