針對(duì)線切割機(jī)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(dòng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

1引言

多線切割技術(shù)（MWS: Multi-Wire-Slicen）是進(jìn)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(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將半導(dǎo)體等硬脆材料一次同時(shí)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(jī)，可全面實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)：

（1）經(jīng)濟(jì)效益高，一次可切割幾百個(gè)晶片；
（2）可切割直徑至300mm的硅錠；
（3）晶體缺陷深度??；
（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(duì)于線切割機(jī)來(lái)說(shuō)，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(lèi)機(jī)械的控制關(guān)鍵點(diǎn)。歐姆龍NJ501型控制器，通過(guò)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(jī)工作原理

線切割機(jī)主要由機(jī)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(jī)、鍵盤(pán)、變頻檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，具有間隙補(bǔ)償、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、斷絲自動(dòng)處理等主要功能。機(jī)床由床身、儲(chǔ)絲機(jī)構(gòu)、線架、XY工作臺(tái)、油箱等部件組成。繞在儲(chǔ)絲筒上的金屬絲經(jīng)過(guò)線架作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。加工工件固定在XY工作臺(tái)上。X、Y兩方向的運(yùn)動(dòng)各由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就走一步，并通過(guò)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩方向的絲杠旋轉(zhuǎn)，分別使得X、Y工作臺(tái)進(jìn)給。典型的線切割機(jī)工藝流程圖如圖1所示。

多線切割機(jī)對(duì)于控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高，為保證加工質(zhì)量，需要對(duì)切割過(guò)程中的鋼絲張力進(jìn)行控制。準(zhǔn)確控制張力值，減小張力的波動(dòng)是多線切割機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于提高加工質(zhì)量及切割過(guò)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(xiàng)目中，采用歐姆龍NJ501型控制器，通過(guò)EtherCAT總線連接多套伺服進(jìn)行同步控制，有效地減少了張力的波動(dòng)。

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(tái)SYSMAC NJ機(jī)器控制器帶7軸伺服控制組成整個(gè)控制系統(tǒng)，一臺(tái)主伺服帶動(dòng)羅拉旋轉(zhuǎn)切割硅塊，兩臺(tái)伺服交替用于正反向的收放線控制，一臺(tái)伺服用于首先端排線（單排線機(jī)型），兩臺(tái)伺服控制收放線側(cè)張力并反饋擺桿位置偏差值，一臺(tái)伺服用于硅塊進(jìn)給，另外有包括溫度控制在內(nèi)的輔助控制?？刂葡到y(tǒng)硬件解決方案如圖2所示。

SYSMAC NJ系列機(jī)器控制器是歐姆龍最新推出的新一代機(jī)器自動(dòng)化控制器，它無(wú)與倫比的高速性與可靠性并重，集運(yùn)動(dòng)、邏輯、視覺(jué)控制于一體，擁有直線、圓弧等的插補(bǔ)動(dòng)作功能和電子齒輪、電子齒輪的同步動(dòng)作功能，通過(guò)電子齒輪FB實(shí)現(xiàn)同步以及張力調(diào)整 ，可執(zhí)行最小500μs的高速運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)4至64軸的運(yùn)動(dòng)控制。尤其是內(nèi)置EtherNet/IP與EtherCAT主站，可實(shí)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(jiǎn)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(jí)的性能，可幫助用戶(hù)有效縮短生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)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(dòng)主軸，以后PID微調(diào)的MV輸出可通過(guò)改變基本電子齒輪比實(shí)現(xiàn)對(duì)主，從軸之間的同步，張力控制，程序如圖3所示。

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(guò)SYSMAC STUDIO凸輪編輯器（見(jiàn)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(diǎn)之間的距離，還可以選擇不同模式凸輪曲線類(lèi)型來(lái)減少在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊。并且主軸的方式有多種，可以是實(shí)軸，虛擬軸，編碼器軸，虛擬編碼器軸。滿(mǎn)足各種設(shè)備和應(yīng)用的需求。

4結(jié)束語(yǔ)

在本系統(tǒng)中，歐姆龍NJ501型控制器通過(guò)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(shí)鐘機(jī)構(gòu)，以100μs的刷新時(shí)間和不超過(guò)1μs的時(shí)基誤差保證各軸之間的同步，當(dāng)仁不讓地成為市場(chǎng)上最快的網(wǎng)絡(luò)。此外，NJ501的編程軟件SYSMAC STUDIO，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)定，即可完成對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置，通過(guò)內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，并可利用先進(jìn)的順序和運(yùn)動(dòng)控制仿真功能在3D環(huán)境下預(yù)測(cè)試運(yùn)動(dòng)軌跡，縮短了工程師在現(xiàn)場(chǎng)的反復(fù)調(diào)試時(shí)間，基于對(duì)變量的操作也大幅提高了生產(chǎn)性。