多线切割机线张力控制系统设计实现

mM )L0
dωቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdt
=
1 (m′ 6
+
mM )
dω L0 dt
=
1 (m′ + 6
mM
)
dvG dt
(9)
假设机械改进前后加速度相同(即跟随误差相 同，下同)，将式(9)与式(3)中的张力波动项相除， 得改进前后的张力波动幅度比系数为
α
=
(m′
+ mM ) / m/2
6
=
(m′ + mM ) 3m
0 前言*
多丝切割是一种通过金属丝的高速往复运动 把磨料带入硬脆性材料加工区域进行研磨，最终把 待切割材料切割成薄片的一种脆硬材料切割的创新 性工艺。在该工艺中，切割线被缠绕在一个导向轴 上，走线时可以同时进行几百个切割，一次性获得 几百个切片；所以多线切割机与传统的内圆切割机
20080529 收到初稿，20090302 收到修改稿
2.1 机械结构的改进
改进的方法是：用一个质量相对较轻的张力摆
杆来代替张力锤，用一个交流伺服电动机作为张力
电动机对其进行直接转矩控制来代替重力锤的施加
张力作用。改进后的结构采如图 2 所示。设张力摆 杆长度为 L0 、角速度为 ω 、质量为 m′ ，张力摆杆 与电动机转子的等效转动惯量为 I ，摆杆重心距张 力电动机轴心距离为 L ,张力电动机施加的转矩为 M ，角速度 ω 对时间 t 进行求导数得加速度。则在 忽略线自身弹性伸缩及摩擦力的情况下，张力摆杆
和多刀切割机相比，其优点一方面体现在切割速度 快、切割损耗低的特性上，一台中型多线切割机的 切割速度相当于 7 台多刀切割机，且出片率多出了 30%；另一方面体现在切片高精度上，例如厚度公 差、表面粗糙度、平行度公差都提高了 1～2 个数量 级。因此多线切割机的使用对半导体的成本下降具 有明显作用，多线切割技术已逐渐取代传统的半导 体切割加工方式成为半导体加工的主流。
I
=
1 3
m′L0
2
+
IM
(6)
式(6)中 IM 为电动机转子的转动惯量，将 IM 等效成
张力摆杆，对应等效摆杆的质量为 mM ，设
IM
=
1 3
mM
L02
(7)
将式(7)代入式(6)得
I
=
1 (m′ 3
+
mM )L02
(8)
根据式(8)，对式(5)中张力波动项进行变换
I 2L0
dω dt
=
1 (m′ + 6
Design and Implement of Wire Tension Control System for Multi-wire Saw
ZHANG Yibing1, 2 DAI Yuxing2, 3 YUAN Julong3 XIONG Wanli3
(1. College of Information Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105; 2. College of Electric and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082; 3. National Engineering Research Center for High Efficiency Grinding, Hunan University, Changsha 410082)
多丝切割机中切割线在走线过程中，切割线抖 动幅度和频度直接决定了线切割加工的质量[3]，如 切片的平行度允差、切痕的最小宽度、角度允差等。 另外在走线过程中不允许断线[4]，否则价格昂贵的 半导体材料将报废。上述两个方面问题实际上可以 通过控制加工过程中切割线张力波动来加以解决， 所以张力控制是多线切割机的核心技术之一。
1 采用张力锤调节张力时存在的问题
2F
−
mg
=
m
d dt
vG
+
Ff
(2)
摩擦力 Ff 与张力锤的重力相比可以忽略不计；所以 张力可写成
F
=
mg 2
+
m 2
d dt
vG
(3)
式中右边第一项是定值，第二项由张力锤质量 m 和
运行过程中张力锤运动的加速度来共同决定。
切割机在走线过程中要求张力保持恒定,分析 不难看出，张力波动的原因是由式(3)右边第二项决 定，如果单纯减小 m 则降低张力波动，则第一项也
第 45 卷第 5 期 2009 年 5 月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vo l . 4 5 N o . 5
May
2009
DOI：10.3901/JME.2009.05.295
多线切割机线张力控制系统设计实现
张义兵 1, 2 戴瑜兴 2, 3 袁巨龙 3 熊万里 3
L20 =0.337 kg。设改进后张力波动幅度下降百分比为 γ ，则
γ = (1− α )100%
(11)
根据式(10)，以 m 为自变量，绘制百分比系数 γ
的曲线，如图 3 所示的曲线。
图 3 改进前后张力下降的百分比曲线
从图 3 中可以看出，当切割线所需的张力越大
时，用伺服电动机施加转矩的张力控制效果越理想， 张力锤的控制方式相比，当张力为 14.7 N 时(对 应 m=3 kg)，张力波动幅度下降了近 93%，张力为 24.7 N 时(对应 m=5 kg)，张力波动幅度下降了近下 降了 96%。
(10)
2.2 XQ300A 张力控制机械结构设计
根据上文的理论分析结果，笔者在湖南宇晶公
司设计了 XQ300A 中型多线切割机的张力控制系 统，其主要参数如下 XQ300A 的机械参数 m' = 0.25 kg、L0=0.168 m；张力电动机选用 YASKAWA 的 SGMGH-12Axxx ， 其 转 子 转 动 惯 量 [5] 为 IM = 3.17 × 10−3 kgim2 ；对应等效摆杆的质量为 mM=3IM/
(1. 湘潭大学信息工程学院 湘潭 411105； 2. 湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082； 3. 湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心 长沙 410082)
摘要：分析多线切割机张力控制机械原理，针对传统的线张力控制方式局限性，从运动学角度对放线系统数学模型的理论研 究，探讨多线切割机走线过程中影响线张力的各种因素，提出一种机电一体化的张力控制系统方案，该方案用转矩电动机代 替张力锤施加张力，并运用自适应逆算法设计智能控制器以降低多电动机系统速度同步系统的跟踪误差，极大地降低线张力 波动的强度。设计并实现基于现场总线的张力控制系统硬件平台，XQ300A 多线切割机产品测试结果证明该系统的可行性、 可靠性，该控制方案不仅张力控制精度高、易于实现，而且具有断线故障率低、张力调整方便的优点。 关键词：多线切割机 张力控制 自适应逆控制 伺服控制 现场总线 中图分类号：TP242
Abstract：Based on the analysis of the mechanical structure principle of multi-wire saw, the wire-supplying system model is studied from a point of view of kinematics and factors that influence wire tension is investigated to overcome the deficiency in traditional multi-wire saw tension control system. A mechanical and electrical wire tension control scheme is proposed, in which torque motor is used to produce tension on wire instead of hammer, and intelligent controller is designed by using adaptive inverse algorithm to reduce the speed synchronization trace error of multi-motor system; The scheme reduces the wire vibration intensity greatly. The hardware platform of tension control system based on field bus is designed and realized. The test results of XQ300A multi-wire saw prove the feasibility and reliability of the system. The control scheme features high precision and easy realization of tension control， low wire-broken fault rate and convenient tensioning. Key words：Muti-wire saw Tension control Adaptive inverse control Servo control Field bus
随之减小，显然这种方法是不可行的；而加速度受
跟随系统控制精度的制约，现有技术条件下其值降
低极为有限，所以这种张力控制机械结构成为张力
控制精度提高的瓶颈。必须对此结构进行改进。
2 伺服电动机施加转矩的张力控制
图 1 所示的是多线切割机放线侧机械结构等效 示意图，国内湖南宇晶机器实业有限公司的 XQ120、 国外同类产品，都采用与此类似的结构。其控制张 力的原理是：在放线轮和收线轮之间加一个张力锤， 张力锤可以在垂直的滑槽内上下自由滑动，通过张 力锤自身的重力施加张力，并且在切割机走线过程 中，由张力锤的位置、速度来调节主电动机与放线 电动机之间的速度同步。