高精度多線脆硬材料切片機自動控制系統的製作方法

2023-10-19 10:03:07 1

高精度多線脆硬材料切片機自動控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種單晶矽、石英晶體、陶瓷、稀土磁性材料、寶石等脆硬材料的高精度切片機的電氣控制系統，廣泛應用於航空、航天、機械、電子等領域。本發明使得切片機切具有加工精度高、切割效率高、原材料利用率高、晶片質量好的優點。
【專利說明】高精度多線脆硬材料切片機自動控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種單晶矽、石英晶體、陶瓷、稀土磁性材料、寶石等脆硬材料的高精度切片機的電氣控制系統，廣泛應用於航空、航天、機械、電子等領域。
【背景技術】
[0002]近年來切片裝備的技術發展有這樣幾個方面:①切割液與回收。在矽片等貴重材料的精密切割中，切割液與回收對減少切縫損失、提高表面質量非常重要。理想的切割液應具有粘度適中、化學性質穩定、清潔力強、易處理、可生物降解、無害、價格低等特點，其總體趨勢是使用粒度更小的金剛石磨料。切割液的回收重用則滿足了綠色製造和降低成本的要求。HCL公司的ARM系統能去除70%以上的切屑，達到90%金剛石磨粒回收率。②為滿足大截面切片和提高產量的需求，導輪間距、導輪槽數和鋸絲長度不斷增大，提高了大尺寸矽錠的多件、多片同時切割能力。目前，MEYERBURGER公司生產的DS262型線鋸能同時切割4根長520mm、截面為153mml53mm的矽棒，一次切出4400片。③羅拉槽加工。多線切割時，片厚由羅拉上的線槽間距決定。目前的趨勢是切片面積越來越大，厚度越來越薄，促進了新的開槽技術的發展。以前的羅拉槽底部圓弧曲率半徑大，切割絲定位不準確，增大了總厚度偏差。另外，槽的表面不夠光滑，切割液中的金剛砂易於滲入。新的開槽技術使槽底部半徑為50m，槽的斜面粗糙度達到Ra0.2~0.4m，整個槽為一次加工成形，精度較高。
[0003]開發多線切片機的控制有相當大的技術難度，其主要難點是:①穩定可靠的走線機構及精密張力控制系統的研製。使Φ0.16mm~Φ0.18mm的金屬切割線在恆張力狀態下，實現高速往復運動；②高精度的羅拉旋轉系統和工作檯升降系統的研製，實現高精度的切割鋸切工藝參數優化。走 線速率、工件進給速率、金剛砂磨料粒度的選擇及切割液的配方配比、金屬線進給速率、切割液的溫度等各種參數的優化組合。
[0004]國外生產多線切割機的主要公司有:日本高鳥(Takatori)公司、NTC公司和瑞士HCT等公司。我國有少數幾家公司引進多線切割設備。而用於脆硬非金屬材料的多線切割設備的生產廠商還很少。國內已有4家企業開始研發多線切割機設備，但都尚未達到應有的可靠性和穩定，且設備未能採用自動控制。

【發明內容】

[0005]本發明針對上述幾個目的採用的技術方案是:本發明涉及一種單晶矽、石英晶體、陶瓷、稀土磁性材料、寶石等脆硬材料的高精度切片機的電氣控制系統，廣泛應用於航空、航天、機械、電子等領域。本發明包括伺服電機、調頻電機、PLC控制系統，以實現不同於進口機的走線機構和精密張力控制系統，滿足了高精度脆硬材料快速切割的要求。伺服電機作為羅拉的驅動主電機，驅動羅拉高速正反向有節奏地旋轉，使切割線往復運動。調頻電機作為放線筒的驅動主電機，驅動放線筒高速正反向有節奏地旋轉，使切割線往復運動。伺服電機、調頻電機PLC控制系統通過PLC程序控制，主控PLC (可編程控制器)對主電機、收、放線電機進行控制，同時根據張力傳感器的反饋信號對磁粉離合器的磁力進行調節(PLC控制信號經過自行研製的電流放大器後送至磁粉離合器)。對工作檯的控制及對排線裝置的控制由副控PLC實現。彩色人機界面和操作鍵能夠完成所有操作以及切割、繞線的數據設定。本發明通過採用伺服電機、調頻電機PLC控制系統，以實現鋼線的張力控制技術:一卷鋼線在使用過程中，不斷從放線輪走向收線輪，因此放線輪的線包直徑不斷縮小，收線輪的繞線直徑不斷增大。在羅拉轉速恆定時，為保持張力恆定，放線輪和收線輪的轉速必須不斷變化，加上摩擦力的隨機變化也造成鋼線張力的變化，張力過大會導致鋼線拉斷，鋼絲張力變化直接會使晶片表面粗糙度達不到要求。特別是在運動方向翻轉時，鋼絲張力控制特別困難。本發明採用伺服電機、調頻電機分別帶動旋轉羅拉及收、放線筒作往復迴轉，使切割線作高速(300m/min?400m/min)往復運動，同時工作檯帶動工件(晶棒)上升,接觸到金屬線的切割平面後，以進給速度緩慢上升。當含有金剛砂磨料的切割液噴灑到工件和鋸絲之間時，鋸絲的快速運動將金剛砂切割液帶入工件切縫，產生切削作用。由於金屬切割線在切割脆硬材料的同時，自己也被磨損。通過PLC程序控制，使金屬切割線的正向行程大於逆向行程，將磨損的切割線逐漸離開切割面而被收線筒收集。本發明採用不同於進口機的走線機構和精密張力控制系統，滿足了高精度脆硬材料快速切割的要求。
本發明與國內同類產品相比的優勢主要體現在:
[0006]1、羅拉軸主軸由伺服電機驅動，收放線輪各由調頻電機帶動，並設計了一套可靠的、高靈敏度電腦PLC控制系統，把主要電機與各相關的輔助電機的速度準確無誤地進行著適應控制之下，軟體的靈敏度控制在1/10秒之內，達到了保持張力恆定的目的；2、選用高質材料、高精度的進口軸承、高精度直線導軌、高精度滾珠絲杆，確保加工零件達到設計要求，整機裝配達到設計精度要求；
[0007]2、設計了高精度拖板置於工作檯下面，安裝了光柵測距裝置，精度0.005_，數字顯示工作檯的準確位置。
[0008]3、本發明使得切片機切具有加工精度高、切割效率高、原材料利用率高、晶片質量好的優點。切出的晶片表面光潔度高，可省略分選、粗磨工序。且由於金屬切割線柔性大，減少了切割時的殘餘應力，使石英晶片表面的微裂紋和嚴重畸變、損傷層厚度明顯小於多刀機。
[0009]進口多線切片機因價格昂貴(約25萬美元/臺)，一般中小企業難以承受，只有較大型企業才少量使用。所以本發明具有明顯的社會效益和經濟效益。
【專利附圖】

【附圖說明】圖1是多線脆硬材料切片機的控制框圖。
【具體實施方式】說明
[0010]主要技術方案:採用進口伺服電機驅動旋轉羅拉主軸，由兩臺調頻電機通過磁粉離合器驅動收線輪和放線輪，並採用滑輪組及拉簧緩衝，在程序設計使鋼線在運行方向翻轉時刻速度降低，達到緩衝的目的，以防速度突變造成張力過衝拉斷鋼線。在鋼線高速運行時，程序控制磁粉離合器磁力使收放線輪轉速和驅動電機轉速產生滑差，以達到自適應控制、保持鋼線張力恆定的目的。調頻電機由進口西門子變頻器驅動，西門子PLC (可編程控制器)，對系統進行在線監測，控制和數據顯示。
[0011]切割液的回收利用控制:在主機功率足夠的前提下，提高工件進給速度，可提高切割效率，但進給速度太快，晶片表面光潔度無法達到要求，表面還會出現劃痕。採用晶片粗磨工序用的W14金剛砂(比W28粒度細了一倍)，在保證切割速率的前提下，大大提高了晶片表面光潔度，省略了晶片加工的粗磨工序；通過選擇切割液配方配比，滿足了金剛砂的懸浮度要求；用下位機控制砂漿機的運行，溫度與流量的檢測通過RS232串行口和主機交換數據，顯示在主控顯示屏上；一次切割完成後，利用回收裝置分離回收金剛砂等磨料再利用，降低加工成本。
[0012]精密張力控制系統的實施方式:該多線切割機是將Φ0.16mm~Φ0.18mm的一根金屬線纏繞在三個呈等腰三角形布置的旋轉羅拉上，在等腰三稜柱的底面形成一個由幾百條平行金屬線組成的切割面，鋼絲兩頭分別由放線機構與收線機構拉緊。採用一臺伺服電機作為羅拉的驅動主電機，驅動羅拉高速正反向有節奏地旋轉，使切割線往復運動。切割線在切割過程中既要保持張力不變又要前進後退。由於金屬切割線在切割脆硬材料的同時，自己也被磨損，在計算機控制下，金屬切割線的正向行程大於逆向行程，使磨損了的切割線逐漸離開切割面而被收線筒收集。切割線的張力一般控制在2.5~3.0kg,每分鐘最大往復15次(可設)。多線機對放線筒和收線筒的同步性要求很高，放線筒放多長的線，收線筒得收多長的線。收、放線筒分別由二臺普通交流感應電機驅動，用SIEMENS變頻器調速，在收放線機構與羅拉之間裝有若干張力控制輪，用以控制鋼絲的剛度。當切割線的張力有變化時，通過張力傳感器反饋信號由PLC可編程控制器調節磁粉離合器的磁力，實現精密調節張力，保持張力穩定。張力控制精度5%以內，控制靈敏度0.1秒。滿足了切割線張力的控制要求。一般情況下，增大鋸絲的張緊力，可減小鋸絲的振幅；但張緊力過大，又會使鋸絲變形過大，減短其使用壽命。因此必須定量控制鋸絲張緊力大小。
[0013]走線機構控制系統的實施方式:為了減短鋸絲受拉長度，在切割工件附近還有兩個輔助支承輪也有利於減小鋸絲的振幅。走線速度300m/min~400m/min,達到進口機的技術水平，而製造成本大大下降。走線系統還包括收線側的排線裝置。收線筒收線時，整齊地排線非常重要，由於切割線是來回往復運動的，如果排線不好會造成切割線重疊卡死，反轉放線時就會斷線。 除了切割線排繞到收線輪兩側時需要改變排線方向外，反轉時原來的收線筒成為放線筒，原來的放線筒成為收線筒，也要改變排線方向，這給排線控制帶來了困難。當改變運轉方向的控制信號發出時，切割線在收線輪上的位置是變化的，有可能在某一時刻與切割線到達收線筒兩側時的信號重疊。通過一套算法解決該控制問題。
[0014]切割液溫度自動調節系統的工作方法:通過溫度傳感器，溫控儀表，製冷系統等，來實現砂漿溫度的恆定。由步進電機、諧波減速器、滾珠絲杆、高精度光柵尺組成的工作檯升降與進給系統，採用PLC可編程控制器控制，在工作檯滿行程(IOOmm)內，偏差0.03mm。在正常切割行程內，偏差0.01mm。
[0015]工作檯水平位置和垂直位置的確定:由光柵尺測定後通過顯示屏顯示，精度
0.005mm。在切割鋼絲線作高速往復運動時，工件隨工作檯上升至接觸到鋼絲線切割平面後，以進給速度緩慢上升，工件被切割。工作檯進給速度、進給量等參數可通過顯示屏設定。為適應不同用戶的加工要求，還專門設計了角度可調工作檯面，在保證工作檯面精度的同時水平方位角可以在8範圍內任意調節。石英音叉的切割有時需要二次切割，即切割到一定深度後，讓工件退出切割線的切割平面，往水平方向移動一定距離後，再切割第二次。研製的高精度拖板裝置滿足了二次切割的要求。
【權利要求】
1.本發明涉及一種單晶矽、石英晶體、陶瓷、稀土磁性材料、寶石等脆硬材料的高精度切片機的電氣控制系統，廣泛應用於航空、航天、機械、電子等領域。本發明包括伺服電機、調頻電機、PLC控制系統，以實現不同於進口機的走線機構和精密張力控制系統，滿足了高精度脆硬材料快速切割的要求。
2.根據權利要求1所述的高精度切片機的電氣控制系統，其特徵在於所述的伺服電機作為羅拉的驅動主電機，驅動羅拉高速正反向有節奏地旋轉，使切割線往復運動。
3.根據權利要求1所述的高精度切片機的電氣控制系統，其特徵在於所述的調頻電機作為放線筒的驅動主電機，驅動放線筒高速正反向有節奏地旋轉，使切割線往復運動。
4.根據權利要求1所述的高精度切片機的電氣控制系統，其特徵在於所述的伺服電機、調頻電機PLC控制系統通過PLC程序控制，主控PLC (可編程控制器)對主電機、收、放線電機進行控制，同時根據張力傳感器的反饋信號對磁粉離合器的磁力進行調節(PLC控制信號經過自行研製的電流放大器後送至磁粉離合器)。對工作檯的控制及對排線裝置的控制由副控PLC實現。
5.根據權利要求1所述的高精度切片機的電氣控制系統，其特徵在於所述彩色人機界面和操作鍵能夠完成所 有操作以及切割、繞線的數據設定。
【文檔編號】B28D5/04GK104015267SQ201310065847
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年3月1日 優先權日:2013年3月1日
【發明者】郭志年 申請人:寧夏嘉翔自控技術有限公司