摘要：針對線切割機的控制技術(shù)要求，本文提出了采用歐姆龍NJ控制器和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)型伺服組成的控制系統(tǒng)，有效地減少了張力的波動，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性。

　　關(guān)鍵詞：NJ控制器 多線切割 太陽能線切割機

　　1引言

　　多線切割技術(shù)(MWS: Multi-Wire-Slicen)是進行脆硬材料(如硅錠等)切割的一種創(chuàng)新性工藝。它是一種通過金屬絲的高速往復(fù)運動，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進行研磨，將半導(dǎo)體等硬脆材料一次同時切割為數(shù)百片薄片的一種新型切割加工方法。基于高精度高速低耗切割控制關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的高精度數(shù)控多線高速切割機，可全面實現(xiàn)對半導(dǎo)體材料及各種硬脆材料的高精度、高速度、低損耗切割，目前已逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割，成為硅片切割加工的主要方式。

　　多線切割技術(shù)可被用于切割脆硬材料，如硅錠等，此外也可用于分割難切削的材料。該工藝具有以下的優(yōu)點：

　　(1)經(jīng)濟效益高，一次可切割幾百個晶片

　　(2)可切割直徑至300mm的硅錠

　　(3)晶體缺陷深度小

　　(4)幾何缺陷少(TTV，弓曲，偏差等)

　　(5)適合于分割硬脆或難以切削的材料

　　(6)損耗率低，分割誤差小

　　對于線切割機來說，主軸伺服和收、放卷軸間同步控制以及金屬絲線間的張力控制總是此類機械的控制關(guān)鍵點。歐姆龍NJ501型控制器，通過EtherCAT總線連接多套伺服，正是解決同步控制的最佳組合。

　　2 多線切割機工作原理

　　線切割機主要由機床、數(shù)控系統(tǒng)和高頻電源這三部分組成。數(shù)控系統(tǒng)由單片機、鍵盤、變頻檢測系統(tǒng)構(gòu)成，具有間隙補償、直線插補、圓弧插補、斷絲自動處理等主要功能。機床由床身、儲絲機構(gòu)、線架、XY工作臺、油箱等部件組成。繞在儲絲筒上的金屬絲經(jīng)過線架作高速往復(fù)運動。加工工件固定在XY工作臺上。X、Y兩方向的運動各由一臺步進電機控制。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個信號，步進電機就走一步，并通過中間傳動機構(gòu)帶動兩方向的絲杠旋轉(zhuǎn)，分別使得X、Y工作臺進給。典型的線切割機工藝流程圖如圖1所示。

圖1 典型的線切割機工藝流程圖

　　多線切割機對于控制系統(tǒng)的可靠性和實時性要求較高，為保證加工質(zhì)量，需要對切割過程中的鋼絲張力進行控制。準(zhǔn)確控制張力值，減小張力的波動是多線切割機的一項關(guān)鍵技術(shù)，對于提高加工質(zhì)量及切割過程中不斷線以及提高設(shè)備的可靠性具有重要意義。在本項目中，采用歐姆龍NJ501型控制器，通過EtherCAT總線連接多套伺服進行同步控制，有效地減少了張力的波動。

　　3基于NJ控制器的解決方案

　　3.1控制系統(tǒng)硬件解決方案

　　在本方案中，采用一臺SYSMAC NJ機器控制器帶7軸伺服控制組成整個控制系統(tǒng)，一臺主伺服帶動羅拉旋轉(zhuǎn)切割硅塊，兩臺伺服交替用于正反向的收放線控制，一臺伺服用于首先端排線(單排線機型)，兩臺伺服控制收放線側(cè)張力并反饋擺桿位置偏差值，一臺伺服用于硅塊進給，另外有包括溫度控制在內(nèi)的輔助控制。控制系統(tǒng)硬件解決方案如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件解決方案

　　SYSMAC NJ系列機器控制器是歐姆龍最新推出的新一代機器自動化控制器，它無與倫比的高速性與可靠性并重，集運動、邏輯、視覺控制于一體，擁有直線、圓弧等的插補動作功能和電子齒輪、電子齒輪的同步動作功能，通過電子齒輪FB實現(xiàn)同步以及張力調(diào)整 ，可執(zhí)行最小500μs的高速運算，實現(xiàn)4至64軸的運動控制。尤其是內(nèi)置EtherNet/IP與EtherCAT主站，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速控制，SYSMAC STUDIO還有MC功能軸設(shè)定功能，使伺服軸設(shè)定非常簡單。而系統(tǒng)中采用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)型伺服，其憑借業(yè)界最高等級的性能，可幫助用戶有效縮短生產(chǎn)節(jié)拍時間。

　　3.2主軸和收、放線軸之間的同步、張力控制

　　主旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定為主軸，收、放線軸做從軸。首先建立從軸與主軸的基本電子齒輪比，使用MC_GearIN指令建立連接，再使用MC_MoveVelocity啟動主軸，以后PID微調(diào)的MV輸出可通過改變基本電子齒輪比實現(xiàn)對主，從軸之間的同步，張力控制，程序如圖3所示。

圖3 主軸和收、放線軸之間的同步、張力控制程序

　　3.3收線軸和排線軸之間的凸輪控制

　　收線軸為主軸，排線軸為從軸建立凸輪控制，完成收線輪排線。通過SYSMAC STUDIO凸輪編輯器(見圖4)，能夠非常方便創(chuàng)建凸輪曲線，并且能非常方便的調(diào)節(jié)所創(chuàng)建凸輪點之間的距離，還可以選擇不同模式凸輪曲線類型來減少在運動過程中的沖擊。并且主軸的方式有多種，可以是實軸，虛擬軸，編碼器軸，虛擬編碼器軸。滿足各種設(shè)備和應(yīng)用的需求。

圖4 SYSMAC STUDIO凸輪編輯器

　　4結(jié)束語

　　在本系統(tǒng)中，歐姆龍NJ501型控制器通過EtherCAT總線連接多套伺服，形成了解決同步控制的最佳組合。EtherCAT采用分布式時鐘機構(gòu)，以100μs的刷新時間和不超過1μs的時基誤差保證各軸之間的同步，當(dāng)仁不讓地成為市場上最快的網(wǎng)絡(luò)。此外，NJ501的編程軟件SYSMAC STUDIO，通過簡單的設(shè)定，即可完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場設(shè)備的配置，通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運動控制，并可利用先進的順序和運動控制仿真功能在3D環(huán)境下預(yù)測試運動軌跡，縮短了工程師在現(xiàn)場的反復(fù)調(diào)試時間，基于對變量的操作也大幅提高了生產(chǎn)性。