[发明专利]高精度多线脆硬材料切片机自动控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶硅、石英晶体、陶瓷、稀土磁性材料、宝石等脆硬材料的高精度切片机的电气控制系统，广泛应用于航空、航天、机械、电子等领域。

背景技术

近年来切片装备的技术发展有这样几个方面：①切割液与回收。在硅片等贵重材料的精密切割中，切割液与回收对减少切缝损失、提高表面质量非常重要。理想的切割液应具有粘度适中、化学性质稳定、清洁力强、易处理、可生物降解、无害、价格低等特点，其总体趋势是使用粒度更小的金刚石磨料。切割液的回收重用则满足了绿色制造和降低成本的要求。HCL公司的ARM系统能去除70%以上的切屑，达到90%金刚石磨粒回收率。②为满足大截面切片和提高产量的需求，导轮间距、导轮槽数和锯丝长度不断增大，提高了大尺寸硅锭的多件、多片同时切割能力。目前，MEYERBURGER公司生产的DS262型线锯能同时切割4根长520mm、截面为153mm153mm的硅棒，一次切出4400片。③罗拉槽加工。多线切割时，片厚由罗拉上的线槽间距决定。目前的趋势是切片面积越来越大，厚度越来越薄，促进了新的开槽技术的发展。以前的罗拉槽底部圆弧曲率半径大，切割丝定位不准确，增大了总厚度偏差。另外，槽的表面不够光滑，切割液中的金刚砂易于渗入。新的开槽技术使槽底部半径为50m，槽的斜面粗糙度达到Ra0.2～0.4m，整个槽为一次加工成形，精度较高。

开发多线切片机的控制有相当大的技术难度，其主要难点是：①稳定可靠的走线机构及精密张力控制系统的研制。使Ф0.16mm～Ф0.18mm的金属切割线在恒张力状态下，实现高速往复运动；②高精度的罗拉旋转系统和工作台升降系统的研制，实现高精度的切割；③锯切工艺参数优化。走线速率、工件进给速率、金刚砂磨料粒度的选择及切割液的配方配比、金属线进给速率、切割液的温度等各种参数的优化组合。

国外生产多线切割机的主要公司有：日本高鸟（Takatori）公司、NTC公司和瑞士HCT等公司。我国有少数几家公司引进多线切割设备。而用于脆硬非金属材料的多线切割设备的生产厂商还很少。国内已有4家企业开始研发多线切割机设备，但都尚未达到应有的可靠性和稳定，且设备未能采用自动控制。

发明内容

本发明针对上述几个目的采用的技术方案是：本发明涉及一种单晶硅、石英晶体、陶瓷、稀土磁性材料、宝石等脆硬材料的高精度切片机的电气控制系统，广泛应用于航空、航天、机械、电子等领域。本发明包括伺服电机、调频电机、PLC控制系统，以实现不同于进口机的走线机构和精密张力控制系统，满足了高精度脆硬材料快速切割的要求。伺服电机作为罗拉的驱动主电机，驱动罗拉高速正反向有节奏地旋转，使切割线往复运动。调频电机作为放线筒的驱动主电机，驱动放线筒高速正反向有节奏地旋转，使切割线往复运动。伺服电机、调频电机PLC控制系统通过PLC程序控制，主控PLC（可编程控制器）对主电机、收、放线电机进行控制，同时根据张力传感器的反馈信号对磁粉离合器的磁力进行调节（PLC控制信号经过自行研制的电流放大器后送至磁粉离合器）。对工作台的控制及对排线装置的控制由副控PLC实现。彩色人机界面和操作键能够完成所有操作以及切割、绕线的数据设定。本发明通过采用伺服电机、调频电机PLC控制系统，以实现钢线的张力控制技术：一卷钢线在使用过程中，不断从放线轮走向收线轮，因此放线轮的线包直径不断缩小，收线轮的绕线直径不断增大。在罗拉转速恒定时，为保持张力恒定，放线轮和收线轮的转速必须不断变化，加上摩擦力的随机变化也造成钢线张力的变化，张力过大会导致钢线拉断，钢丝张力变化直接会使晶片表面粗糙度达不到要求。特别是在运动方向翻转时，钢丝张力控制特别困难。本发明采用伺服电机、调频电机分别带动旋转罗拉及收、放线筒作往复回转，使切割线作高速（300m/min～400m/min）往复运动，同时工作台带动工件（晶棒）上升，接触到金属线的切割平面后，以进给速度缓慢上升。当含有金刚砂磨料的切割液喷洒到工件和锯丝之间时，锯丝的快速运动将金刚砂切割液带入工件切缝，产生切削作用。由于金属切割线在切割脆硬材料的同时，自己也被磨损。通过PLC程序控制，使金属切割线的正向行程大于逆向行程，将磨损的切割线逐渐离开切割面而被收线筒收集。本发明采用不同于进口机的走线机构和精密张力控制系统，满足了高精度脆硬材料快速切割的要求。

本发明与国内同类产品相比的优势主要体现在：