[发明专利]一种线锯切割过程的闭环速度控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，通过测力仪实时采集工件受力信息，由控制单元对当前采集力和预先设定的参考力进行比较，计算线锯速度的调节量，控制电机驱动模块调整滚筒电机的输出转速，从而实现线锯切割过程中线锯速度控制。本发明还公开了该方法所用的控制系统。本发明能对线锯切割过程的锯丝速度进行实时调控，实现线锯切割过程中切割力的恒定控制，既能避免切割离过大发生锯丝断裂，又能避免机床的微小振动造成的切片裂纹，保证切割加工过程中切片表面质量的稳定性与精度。

技术领域

本发明属于线锯切割技术领域，具体涉及一种线锯切割过程的闭环速度控制系统，还涉及了其控制方法。

背景技术

近年来，现代信息产业飞速发展，硅以及碳化硅等半导体材料作为集成电路产业的重要材料应用日趋广泛，对半导体材料的纯度、表面质量、精度要求也越来越严格。

线锯切割机是目前最广泛应用的切割设备，该设备只能在进给速度和线锯速度等工艺参数恒定的情况下进行切片的加工，但在线锯速度恒定的切割过程中，切削量一般少于进给量，切割直径一直在发生变化，工件与线锯之间的接触弧长以及切割力呈持续变化趋势，机床的微小振动可能会导致晶片裂纹，并快速发展使得晶片周边裂纹增多。切割过程中线锯一直与晶片摩擦，导致晶片沿裂纹碎成多块，无法得到完整的后续工艺可用于切片。另外，对于往复式线锯切割，线锯切割机床切割工件材料时，锯丝在运动过程中存在频繁换向，切割力突变；线锯在换向期间受到瞬间冲击力而产生绷断，切片易崩碎；线锯切割过程中，线锯与工件材料的接触弧长时刻发生变化，切割力波动，切片表面平整度不足。在整个切割过程中由于多种因素，如线锯的磨损、机床的振动、切削液的浓度、线锯的张紧力等一些未知因素等都有可能导致锯切力发生变化。

根据施工要求，切片的精度必须保持在一定的范围内，而现有线锯切割对于切割力的控制都不能达到理想的状态。切割力过大会使晶片崩碎、线锯易磨损甚至绷断，影响工件材料的表面质量，加大线锯切割加工的总体成本。切割力过小会造成切割时间过长，影响切割加工的整体效率。因此，如何使控制切割过程中的切割力保持稳定是保证工件材料切割质量的亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，对锯丝速度进行实时调控以维持恒定切割力，解决目前线锯切割过程无法控制切割力的问题。

本发明的另一目的是提供一种线锯切割过程的闭环速度控制系统。

本发明的原理是通过测力仪将工件所受力的信息传送到控制单元，控制单元对当前采集力和预先设定的参考力进行比较，确定是否需要调整线锯速度，然后控制电机驱动模块调整滚筒电机的转速，进而实现对切割力的控制。

因此，本发明所采用的第一个技术方案是，一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，包括以下步骤：

步骤1，启动控制系统，设定参考切割力Fr以及允许的误差n。

步骤2，启动线锯切割机对工件进行线锯切割，切割过程中，每间隔一定时间由测力仪采集切割过程中工件所受的法向力Fn，并传送给控制单元。

步骤3，控制单元接收到测力仪的数据后，计算切割力偏差e(k)，e(k)＝Fn-Fr，若│e(k)│≤n，则维持当前线锯速度不变；若e(k)＞n，控制单元计算出线锯速度调整值Vs，然后控制线锯切割机的滚筒电机的转速升高至Vs(k)，从而使切割力降低至允许的范围内；反之，控制滚筒电机的转速降低至Vs(k)，从而使切割力升高至允许的范围内。

其中，线锯速度调整值Vs(k)的计算方法有两种，一种为PID控制法，一种为最小方差自适应控制法。

(1)PID控制的计算过程如下：

e(k)＝F_n(k)-F_r