四种多线切割机器的张力轮机构分析

大连连城数控机器股份有限公司 ■ 刘淑华 郑家坤

一 引言

多线切割机器是利用连续快速移动的钢丝线(切割中喷涂大量的研磨浆液)，对工件进行多线切割的机器。在切割中，执行切割任务的钢线，要保持恒定的张力，才能有效切割。张力轮机构就是使钢丝线上形成张力并加以控制和调节的机构，是多线切割中不可缺少的重要组成部分。目前，不同机器张力机构的布置形式、摆放位置、尺寸等各不相同。而施加张力的动力基本有用气缸和伺服电机两种。用气缸，通过比例阀接通机器的PLC经过控制得到张力；而用伺服电机直接驱动，使张力轮摆动获得张力。一般，伺服电机驱动精确度较高。

二 四种多线切割机介绍

1 QFA1250型多线切方机

(1)结构形式

QFA1250型多线切方机设有两套张力机构，分别布置在收线辊和放线辊下面，如图1所示。张力臂的转轴垂直穿过立式隔板，并通过法兰盘固定在隔板上，张力臂装在隔板的前面，下端装有张力轮。张力轮上缠绕钢线，能将砂浆带入切割区。在转轴的后端(即在隔板的后面)，装有两个同步气缸，轴末端装有角度传感器。放线辊下面的张力轮将放线辊上的钢线传出到切割区。收线辊下面的张力轮接受来自切割区的钢线，传送到收线辊上进行缠绕。

图1 QFA1250型切方机张力调节装置

(2)张力的形成

当设定好切割线上的张力值后，机器的PLC控制器将提供一个固定的电压值，并转化为电信号，发给机器比例阀中的电控阀，进一步给两个执行气缸供气，气缸通过杠杆使转轴旋转，张力臂/张力轮摆动，张力轮压在钢线上，则在钢线上形成张力。张力的下限值10N，上限值80N。张力臂摆角由两个塑料柱限位。

(3)张力的控制

当线网上的张力发生变化时，张力轮、张力臂摆动，并带动角度传感器转动，角度传感器发出信号给机器控制器PLC。PLC将按机器线导轮主电机的转速计算钢线目前运行速度，并对线管理区的两个线辊电机(N=17.5kW)发出加速或减速调节信号，仅几秒钟即可完成机器同步线速度的调节。

(4)零位定标

张力臂与角度传感器的初始零位定标很重要，定标过程为：放开两个联动气缸松开角度传感器的紧固螺钉张力臂垂直向下状态，使两气缸保持在行程的中间位置上，角度传感器示值为0V位置，当张力臂推到左右两定位挡柱时传感器的示值分别为−5.7V、5.7V，并反复校正。紧固好气缸及角度传感器螺钉。此时，张力轮便可准确施加及调整好钢线上的张力。

2 QDB2320型切断机

QDB2320型切断机张力轮机构如图2所示，这是一台采用金刚石线进行多线切割晶硅棒的机器。金刚石线就是在钢丝线上镀一层金刚石微粉(代替喷涂的砂浆)，这是一种新的切割方式，具有诸多优点，如省去了切割砂浆液、切割速度增加、被切割表面损伤层浅等。

图2 QDB2320型切断机张力调节图

(1)结构特点

张力机构布置在立式隔板两侧，收放线各有一套，本机没有采用角度传感器，而是选用CEJL13-150L-J79L气缸，这种气缸具有内置直线传感器，张力轮的移动不是通过张力臂的摆动实现，而是通过连接板使张力轮与气缸连接，并在直线导轨上，同步直线移动。张力轮的直线移动，比由张力臂带动实现的摆动更有优势，即钢线避免了由于摆动带来的高度位置的变化，减少了钢线的波动，也较易布置过轮。

(2)张力的调节

当钢线上的张力发生变化时，张力轮沿直线导轨移动，同时也推动与其相连的气缸移动，于是，气缸内置的直线传感器便发出信号给机器的PLC，PLC立即进行计算，并对管理区两个线辊的驱动电机发出加减速的信号，瞬间即完成了与主电机同步速度的调节。

3 进口切片机

图3为进口切片机张力控制图，这是线管理区的一个独立部分，另一部分结构相同，并列布置在左侧(即收线与放线)。

图3 进口切片机张力控制图

(1)作用原理

伺服电机9转动，驱动张力臂，张力轮摆动，而传递张力轮摆动信号的角度传感器，安装在过轮6上。放线过程是由布线轮带钢线有序放出，依次经过轮5、张力轮、过轮6，送到切割区。

(2)张力的形成

当设定张力值后，伺服机9转动，直接驱动张力臂，张力轮摆动，在切割线上施加压力，即可获得要求的张力。张力的范围为10～40N，张力臂长为300mm，伺服电机9的参数是N =5.5kW，扭矩30N·m。当切割线上的张力为40N时，此时，伺服电机付出扭矩为24N·m，在伺服电机最大扭矩(30N·m)范围内。

(3)张力的调节

当切割线上的张力变化时，张力轮摆动，相邻的过轮6同步摆动，其上的角度传感器便有信号传到机器的PLC。经过计算，并对伺服电机9、12的转速及布线节距进行调节，张力轮重新回到平衡位置，确保切割线上有恒定的张力，使机器进行稳定有效的切割。

4 QP1654型多线切片机

QP1654型多线切片机张力控制图如图4所示。这是一台在切割区有4个切割辊的晶硅切片机，有时4个辊要同时工作，钢线的途径较长，切割时，1→2切割辊互相绕线，3→4切割辊互相绕线，而两组绕线辊中间是单线连接，且这段线张力易变化，影响整机的切割张力，所以，只在钢线的入口(收线处)及出口(放线处)控制张力不足时，需要在切割轮的中间位置增加张力控制，如图4中3张力轮机构（7、10、12）。张力轮的结构形式及控制过程与上述切方机类似。切割中，3个张力轮中任何一个位置发生变化，对应的角度传感器都要发出信号给机器控制器，进行调节。

图4 QP1654型多线切片机张力控制图

三 结束语

通过以上对四种多线切割机张力的形成及调节的详细介绍，可根据不同机器张力机构的布置形式、摆放位置、尺寸等合理地对硅片进行加工和设计，有利于硅片切割质量的提高。

[1] 张厥宗. 硅片加工技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[2] Sugawara J, Hara H, Mizoguchi A. Development of fixedabrasive-grain wire saw with less cutting loss [J]. SEI Technical Review, 2004, 58: 7－11.

[3] 吴宗泽. 机械设计师手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.