CN102049816A - 无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及板材切割机械领域，具体为一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机。一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，包括底盘、机架、台车、工作台、切割辊、切割头架、导线轮、排丝绕线部和电器柜，其特征是：底盘上有两条滑轨，台车置于滑轨上，滑轨之间固定有工作台，底盘后固定机架，工作台上方是切割头架，切割头架固定在机架的横梁上，切割头架下固定有切割辊，切割辊后部连接有排丝绕线部，排丝绕线部固定在机架的底座上，切割丝连接排丝绕线部的绕线轮和切割辊，机架后固定有电器柜。本发明是一种高加工能力、高加工精度、高材料利用率的硅片切割机械。
Description
技术领域
本发明涉及板材切割机械领域，具体为一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机。
背景技术
硅片切割是太阳能光伏产业主导材料晶体硅片生产的上游关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产。随着我国光伏发电和信息产业特别微电子产业的飞速发展，对硅片的需求量日益增大，加工的工件直径越来越大，加工产品的技术要求也不断提高。目前，硅片切片较多采用内圆切割和自由磨粒的多丝切割。内圆切割是传统的加工方法，材料的利用率仅为40％～50％左右，同时，由于结构限制，内圆切割无法加工200mm以上的大中直径硅片。多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片。和传统的内圆切割相比，多丝切割具有切割效率高、材料损耗小、成本降低、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点。作为硅片生产工艺的关键设备——钢丝线切方锯以其高精度、高速度、高效率、低能耗的特点取代传统的钢锯带切割加工方法。要保证切割硅锭的加工质量，恒张力控制是该设备的稳定、可靠、高速的保证。加工过程中，如果张力不稳定，将会使钢丝在加工中震动，线弓过大。在产品切割面造成不规则深浅不匀的线痕、尺寸偏差过大的现象，最终成为废品。如果张力严重不稳定，将造成加工过程中断线。因此，一个理想的张力控制系统应是动态的波动小，偏差小的张力系统，也称为恒张力控制系统。但目前，多丝切割技术还存在着由于多丝切割的刀损在材料加工损耗中所占比例大，可达50％以上；材料的切屑粒微小、共存于研磨液中，分离成本高，切割效率下降；张力控制不稳定等缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种高加工能力、高加工精度、高材料利用率且能恒张力控制的硅片切割机械，本发明公开了一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，包括底盘、机架、台车、工作台、切割辊、切割头架、导线轮、排丝绕线部和电器柜，其结构为：底盘上有两条滑轨，台车置于滑轨上，滑轨之间固定有工作台，底盘后固定机架，工作台上方是切割头架，切割头架固定在机架的横梁上，切割头架下固定有切割辊，切割辊后部连接有排丝绕线部，排丝绕线部固定在机架的底座上，切割丝连接排丝绕线部的绕线轮和切割辊，机架后固定有电器柜。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其结构为：对绕有切割丝的排丝绕线部的绕线轮的张力差采用无压力传感器的恒张力控制系统进行PID动态运算，无压力传感器的恒张力控制系统由伺服电机、张力臂、摆轮、导轮组成。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其结构为：排丝绕线部摆轮的摆动范围为°0～65.0°。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其结构为：切割头架中安装伺服电机，通过多楔带传动带动切割主轴与切线轮旋转，切割丝由排丝绕线部经导入线轮导入，由导出线轮导出回排丝绕线部。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其结构为：切割辊上刻有十条的V形槽，切割丝嵌在V形槽内。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其结构为：切割辊共有40个，每10个共用一条主轴。
所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：无压力传感器的恒张力控制系统的张力控制流程为：读出张力臂值→判断钢丝是否断线→如钢丝未断线则计算张力臂角度偏差值→作PID运算→计算收/放卷转速→正常运行→判断切割是否完成，
当钢丝行走时，由于给定张力和钢丝张力发生偏差时，收/放线张力臂摆动发生变化，编码器角度发生变化，当角度发生变化的值在某个范围时，PID进行运算并将PID运算的结果递加到收/放卷转速上，使收/放线张力臂摆动回到平衡位，PID运算分不完全微分和完全微分，
不完全微分的PID运算公式在微分项的输入中加了一个一次延时过滤器的PID控制，其计算公式为：
正向动作：EVn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVn-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-Pven-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
Dn-1：上一个采样周期的微分项
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数
Kd：微分增益
完全微分的PID运算是使用微分项的输入PID控制，其计算公式为：
正向动作：
Evn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVfn-2)
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-PVn-2)
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数。
本发明使用时，将待切割的硅棒用台车送至工作台，由无压力传感器的恒张力控制系统进行PID动态运算控制切割丝的张力，实施平稳、高精度的切割。
本发明的有益效果：是通过无压力传感器的恒张力控制系统达到了切割滚轮的主轴同步运行、主轴和放线轴、收线轴同步运行、切割丝张力在运行过程中保持一致、切割速度保持稳定的目的，同时具有良好的动态响应和高度可靠性，是一种高加工能力、高加工精度、高材料利用率的硅片切割机械。本发明具有响应快，稳定误差小，张力波动范围小等优点。可以较好地满足切方锯对张力控制的要求。本发明控制系统采用全数控技术，实现高精度超平稳地自上而下的切割方式。切割区电机，张力收放线地地电机全选用高性能伺服电机，响应快，调节反应灵敏。本发明采用超大人机界面清晰明亮，操作方式凸现人性化，简便明确，简单易学。工作状态和故障显示一幕了然，方便维护管理。工作加工位置设计合理，装卸快捷，高灵敏的质量流量设计为研磨液的温度，流量，浓度提供保证。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中张力控制程序的流程图；
图3是用本发明切割后的晶锭其各部位尺寸示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，包括底盘1、机架2、台车3、工作台4、切割辊5、切割头架6、导线轮7、排丝绕线部8、电器柜9，如图1所示，具体结构是：底盘1上有两条滑轨，台车3置于滑轨上，滑轨之间固定有工作台4，底盘1后固定机架2，工作台4上方是切割头架6，切割头架6固定在机架2的横梁上，切割头架6下固定有切割辊5，切割头架6中安装伺服电机，通过多楔带传动带动切割主轴与切线轮旋转，切割丝由排丝绕线部8经导入线轮导入，由导出线轮导出回排丝绕线部8，切割辊5后部连接有排丝绕线部8，排丝绕线部8固定在机架2的底座上，切割丝连接排丝绕线部8的绕线轮和切割辊5，机架2后固定有电器柜9。
对绕有切割丝的排丝绕线部8的绕线轮的张力差采用无压力传感器的恒张力控制系统进行PID动态运算，无压力传感器的恒张力控制系统由伺服电机、张力臂、摆轮、导轮组成。排丝绕线部8摆轮的摆动范围为0°～65.0°。
无压力传感器的恒张力控制系统的张力控制流程为：读出张力臂值→判断钢丝是否断线→如钢丝未断线则计算张力臂角度偏差值→作PID运算→计算收/放卷转速→正常运行→判断切割是否完成，流程图如图2所示。
当钢丝行走时，由于给定张力和钢丝张力发生偏差时，收/放线张力臂摆动发生变化，编码器角度发生变化，当角度发生变化的值在某个范围时，PID进行运算并将PID运算的结果递加到收/放卷转速上，使收/放线张力臂摆动回到平衡位，PID运算分不完全微分和完全微分，
不完全微分的PID运算公式在微分项的输入中加了一个一次延时过滤器的PID控制，其计算公式为：
正向动作：EVn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVn-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-Pven-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
Dn-1：上一个采样周期的微分项
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数
Kd：微分增益
完全微分的PID运算是使用微分项的输入PID控制，其计算公式为：
正向动作：
Evn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVfn-2)
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-PVn-2)
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数。
本发明使用时，将待切割的硅棒用台车送至工作台，由无压力传感器的恒张力控制系统进行PID动态运算控制切割丝的张力，实施平稳、高精度的切割。切割后晶锭的上中下尺寸偏差≤±0.2mm。如图3所示的晶锭，其水平方向即x方向上、中、下的尺寸分别为X1、X2和X3，垂直方向即y方向上、中、下的尺寸分别为Y1、Y2和Y3，任选25片，各尺寸具体数值如表一所示：
表一：切割后晶锭尺寸偏差(单位：mm)
| 序号 | X1 | X2 | X3 | Y1 | Y2 | Y3 |
| 1 | 156.52 | 156.50 | 156.48 | 156.52 | 156.58 | 156.60 |
| 2 | 156.68 | 156.60 | 156.60 | 156.62 | 156.46 | 156.46 |
| 3 | 156.66 | 156.58 | 156.58 | 156.58 | 156.56 | 156.50 |
| 4 | 156.48 | 156.54 | 156.54 | 156.46 | 156.48 | 156.48 |
| 5 | 156.42 | 156.48 | 156.50 | 156.46 | 156.58 | 156.50 |
| 6 | 156.60 | 156.50 | 156.50 | 156.54 | 156.68 | 156.62 |
| 7 | 156.60 | 156.56 | 156.56 | 156.50 | 156.48 | 156.48 |
| 8 | 156.50 | 156.48 | 156.50 | 156.56 | 156.50 | 156.52 |
| 9 | 156.46 | 156.48 | 156.46 | 156.50 | 156.40 | 156.46 |
| 10 | 156.50 | 156.50 | 156.50 | 156.44 | 156.64 | 156.48 |
| 11 | 156.50 | 156.58 | 156.48 | 156.58 | 156.70 | 156.62 |
| 12 | 156.50 | 156.58 | 156.52 | 156.56 | 156.54 | 156.48 |
| 13 | 156.54 | 156.54 | 156.48 | 156.56 | 156.54 | 156.48 |
| 14 | 156.50 | 156.54 | 156.50 | 156.44 | 156.50 | 156.44 |
| 15 | 156.54 | 156.54 | 156.50 | 156.54 | 156.68 | 156.60 |
| 16 | 156.54 | 156.58 | 156.46 | 156.60 | 156.68 | 156.64 |
| 17 | 156.58 | 156.48 | 156.44 | 156.54 | 156.54 | 156.50 |
| 18 | 156.56 | 156.54 | 156.48 | 156.60 | 156.6 | 156.50 |
| 19 | 156.50 | 156.48 | 156.40 | 156.42 | 156.44 | 156.42 |
| 20 | 156.58 | 156.52 | 156.48 | 156.48 | 156.70 | 156.50 |
| 21 | 156.62 | 156.62 | 156.64 | 156.60 | 156.60 | 156.60 |
| 22 | 156.50 | 156.62 | 156.58 | 156.42 | 156.48 | 156.42 |
| 23 | 156.52 | 156.66 | 156.62 | 156.54 | 156.54 | 156.50 |
| 24 | 156.52 | 156.68 | 156.60 | 156.48 | 156.48 | 156.40 |
| 25 | 156.58 | 156.66 | 156.60 | 156.56 | 156.64 | 156.58 |
实施例2
一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，切割辊5上刻有十条的V形槽，切割丝嵌在V形槽内，其他结构都和实施例1同。
Claims (7)
1.一种无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，包括底盘(1)、机架(2)、台车(3)、工作台(4)、切割辊(5)、切割头架(6)、导线轮(7)、排丝绕线部(8)和电器柜(9)，其特征是：底盘(1)上有两条滑轨，台车(3)置于滑轨上，滑轨之间固定有工作台(4)，底盘(1)后固定机架(2)，工作台(4)上方是切割头架(6)，切割头架(6)固定在机架(2)的横梁上，切割头架(6)下固定有切割辊(5)，切割辊(5)后部连接有排丝绕线部(8)，排丝绕线部(8)固定在机架(2)的底座上，切割丝连接排丝绕线部(8)的绕线轮和切割辊(5)，机架(2)后固定有电器柜(9)。
2.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：对绕有切割丝的排丝绕线部(8)的绕线轮的张力差采用无压力传感器的恒张力控制系统进行PID动态运算，无压力传感器的恒张力控制系统由伺服电机、张力臂、摆轮、导轮组成。
3.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：排丝绕线部(8)摆轮的摆动范围为0°～65.0°。
4.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：切割头架(6)中安装伺服电机，通过多楔带传动带动切割主轴与切线轮旋转，切割丝由排丝绕线部(8)经导入线轮导入，由导出线轮导出回排丝绕线部(8)。
5.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：切割辊(5)上刻有十条的V形槽，切割丝嵌在V形槽内。
6.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：切割辊(5)共有40个，每10个共用一条主轴。
7.如权利要求1所述的无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机，其特征是：无压力传感器的恒张力控制系统的张力控制流程为：读出张力臂值→判断钢丝是否断线→如钢丝未断线则计算张力臂角度偏差值→作PID运算→计算收/放卷转速→正常运行→判断切割是否完成，
当钢丝行走时，由于给定张力和钢丝张力发生偏差时，收/放线张力臂摆动发生变化，编码器角度发生变化，当角度发生变化的值在某个范围时，PID进行运算并将PID运算的结果递加到收/放卷转速上，使收/放线张力臂摆动回到平衡位，PID运算分不完全微分和完全微分，
不完全微分的PID运算公式在微分项的输入中加了一个一次延时过滤器的PID控制，其计算公式为：
正向动作：EVn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVn-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-Pven-2)+Dn-1
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
Dn-1：上一个采样周期的微分项
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数
Kd：微分增益
完全微分的PID运算是使用微分项的输入PID控制，其计算公式为：
正向动作：
Evn＝PVfn*-SV
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+Evn+Dn}
Dn＝(PVfn-2PVfn-1+PVfn-2)
MVn＝∑ΔMV
反向动作：
Evn＝＝SV-PVfn*
ΔMV＝Kp{(EVn-EVn-1)+EVn+Dn}
Dn＝(-PVfn+2PVfn-1-PVn-2)
MVn＝∑ΔMV
式中：
Evn：在当前采样时的偏差
Evn-1：在上一采样周期中的偏差
SV：：设置值
PVfn：当前采样时的测定值(过滤后)
PVfn-1：上一采样周期的测定值(过滤后)
PVfn-2：两个周期前采样周期的测定值(过滤后)
ΔMV：输出变化值
MVn：当前操作值
Dn：当前微分值
TS：采样周期
KP：比例常数
Ti：积分常数
Td：微分常数。
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| CN 200910197798 CN102049816B (zh) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | 无压力传感器的恒张力控制数控式多线切方机 |
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