一型金刚线切割机控制系统设计

陈玉喜　潘松峰

【摘 要】金刚线切割技术是目前世界上先进的切割加工方法之一。一般的线切割机采用收放两个线轮，对两个电机的同步性有严格的要求，两个电机需采用伺服电机，成本较高。本文中，将两个收放线轮合二为一，收放线轮用一个轮代替，线的缠绕方向不同，从而达到一侧放线一侧收线，采用一个电机控制，这样既节约了成本，便于控制，又减少更换金刚线的频率。

【关键词】金刚线；切割机；伺服电机

【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

金刚线切割机的工作原理是通过一根钢丝线的高速往复运动，将砂浆带入待切割材料的加工区域进行研磨，将切割材料割成薄片，砂浆是碳化硅微粒与轻质油按照一定的比例混合搅拌而成的悬浮液，其中碳化硅微粉是磨料，起到研磨作用，轻质油为碳化硅的载体[1]。钢丝线表面镀金刚粉，使之如锯齿一般切割，工作时，钢丝线的速度由零开始加速，以恒定速度运行一段时间后，再降到零速，之后再反向由零加速，再沿反方向降到零速，这就是一个完整的工作周期。

1 金刚线切割机的机械结构

1.1 一般线切割机的机械结构

图1为一般金刚线切割机的机械结构，左侧为放线一侧，包括放线轮、导线轮和放线张力摆杆，其中（3）为排线轮，（5）为金刚石线，（9）为张力摆杆，（10）为张力电机，右侧称为收线一侧，包括收线轮、收线张力摆杆、导线轮和排线器。中间为机械加工部分，包括工作台和两个加工滚轮。切割之前所有钢丝线全部有规律的缠绕在放线轮（1）上，通过导向轮（2）在张力摆杠的导线轮（11）绕一圈后缠绕到两个加工滚轮（4）上。这两个加工滚轮上按机械设定的切割厚度切割硅片。金刚丝线形成一排数百条间隔相等的钢丝线网，这样两个加工滚轮之间形成了由金刚丝线网组成的切割面，从而切割出厚度相等的多个硅片，然后金刚丝线再通过一系列导向轮回到收线轮（8）。

两个加工滚轮需要两个伺服电机拖动，同步性要求较高。切割开始时，两个加工滚轮高速运转，正向旋转后反向旋转，如此重复运行，其中正转的时间比反转的时间稍微长一些，金钢丝线逐渐由放线轮转移到收线轮上。在两个滚轮运转的同时，放置硅片（6）的工作台（7）将硅片低速带动到金刚丝线网，然后继续作低速运动。硅片和金刚丝线网接触后保持一定的压力，由金钢丝线将砂浆中的碳化硅微粉带入到硅片加工区域进行研磨切割，硅片和钢丝线接触的部分慢慢被磨掉，钢丝线逐渐切入到硅片里面，慢慢完成硅片的切片加工[2]。

1.2 单滚线切割机的机械结构

一般的金刚线切割机采用收放两个线轮，对两个电机的同步性有严格的要求，两个电机需采用伺服电机，成本较高，现将两个收放线轮合二为一，采用一个电机控制，这样既节约了成本，便于控制，同时又减少更换金刚线的频率。设计后的单滚金刚线切割机机械结构即将图1中的收放线轮用一个滚轮代替，线的缠绕方向不同，从而达到一侧放线一侧收线。如图2所示。

2 驱动电机

2.1 收放线电机

前半个周期金刚丝线集中在滚轮的一侧，在硅片被切割的过程中，主电机正转时间比反转时间略长，金刚丝线逐渐由放线轮输送到收线轮。对功率的要求较高，所以采用伺服电机控制比较合适。

2.2 排线电机

金刚线切割机在收线侧和放线侧均有排线电机，排线电机的作用是保证收放线滚轮上的金刚线能够平铺的分布，而不缠绕、重叠在一起。排线电机是保证机械能够正常运转的关键，在金刚线切割机的排线装置中起到重要的作用。因排线电机对同步性要求比收放线电机略低，故排线电机选取步进电机。

2.3 工作台电机

工作台电机通过丝杠将旋转运动转化为直线运动，工作台电机将载着硅片的工作台缓缓推进至工作区。它主要是根据待切割硅片的尺寸，形状等因素来确定线切割机运行过程中工作台上硅片的实时位姿，通过与其他三个电机相互协调工作来完成硅材料的切割加工，对电机的要求精度较高，需采用伺服电机。

3 张力补偿

小型线切割机采用重锤保持张力恒定，张力约等于重锤重量，在张力发生变化时，重锤上下的位置会发生变化。本文设计的单滚线切割机采用重锤取代张力电机，既能满足一般的切割要求，也能降低成本。张力补偿部分如图3所示。

4 PLC通过变频器控制电机

切割机系统的主要组成见图4所示的整体设计框图。系统的执行部件包括收放线电机、进料电机、排线电机。控制系统核心PLC控制器发出控制命令，通过变频器控制三个电机，使其协調运动，完成切割过程。该系统采用西门子200系列程序一体化PLC，通过安装选件板，可进行RS232通信或RS485通信。

5 触摸屏人机界面设计

输入和显示系统是控制系统的重要组成部分，是实现操作人员与机器设备之间双向沟通的“中介”，PLC与触摸屏的通信采用串行口RS232通信方式传达用户指令，根据需要设定系统的运行方式。控制系统主程序流程图如图5所示。

6 结束语

本文设计的单滚金刚线切割机将传统的线切割机的收放线两个滚轮结合成一个滚轮，通过这样的设计，能够在实现硅片的切割工艺要求的基础上，降低了作业成本，减少了金刚线的更换频率，同时因其对电机的同步性要求不高，所以也方便控制。

【参考文献】

[1]彭思齐.LED基片专用遥摆式数控多线切割机系统控制研究及应用[D].湖南大学，2012.

[2]蒋近.太阳能硅片多线切割机张力系统控制机理研究及应用[D].湖南：湖南大学电气与信息工程学院，2011.

[3]陈建魁.非连续卷绕系统动力学建模与张力/位置控制及其应用[D].武汉：华中科技大学机械电子工程，2010.

[4]张义兵，戴瑜兴，袁巨龙，等.多线切割机线张力控制系统设计实现[J].机械工程学报，2009，（45）5：295，300，

[5]张承慧，石庆升，程金.一种基于相邻耦合误差的多轴同步控制策略[J].中国电机工程学报，2007，27（15）：59，63.

[6]张承慧，石庆升，程金.一种多电机同步传动模糊神经网络控制器的设计[J].控制与决策，2007，22（1）：30，34.

[7]刘强.高性能机械伺服系统运动控制技术综述[J].电机与控制学报，2008，12（5）：603-609.

[8]王志成，于东，张晓辉，等.数控系统现场总线可靠通信机制的研究[J].机械工程学报，2011，47（3）：152-158.

[责任编辑：田吉捷]