高精度多线切割机数控系统关键技术及其应用研究.pdf

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1、湖南大学博士学位论文高精度多线切割机数控系统关键技术及其应用研究姓名：张义兵申请学位级别：博士专业：电路与系统指导教师：戴瑜兴20090418博。L 学位论文摘要多线切割机是I C(集成电路)、I T(信息技术)、P V(光伏)等行业核心器件基片制造流程中的关键装备。多线切割是目前最先进的切片加工技术，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入待切割材料力n-r _ 区域进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新性切片工艺。但多线切割机制造技术难度大，其核心技术长期被瑞士、日本等国家的极少数公司所垄断，严重制约了我国半导体照明、光伏、集成电路制造等产业的发展。开发具有自主知识产权的多线

2、切割技术及装备，已成为突破国外技术封锁和国内产业瓶颈的关键举措。本文以多线切割机产品开发过程中的关键技术难题为主线，针对多线切割机数控系统关键技术进行深入研究。(1)根据项目研究目的、内容及要求，给出了项目实施方案和技术路线。依据作者所承担的课题丌发任务，研究多线切割的理论基础和技术基础，指出了研究的重点和攻克的难点，总结了多线切割机的国内外研究现状及发展趋势。(2)针对切割线张力控制线问题，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策略，该方法用转矩电动机代替张力锤施加张力，这种张力控制方法与传统的控制方法相比能极大地降低线张力波动的强度。理论分析和实验结果都

3、表明：该方法张力控制精度高、易于实现，而且断线故障率低、张力调整方便。机电一体化张力控制的实现为多线切割机走线系统的设计奠定了基础。(3)针对多电机速度同步系统控制问题，采用机理建模方法，建立了张力电机的运动学数学模型。全面分析了引起多线切割机走线系统稳定性各种不确定因素，指出多线切割机同步系统是一个非线性、时变、多输出的复杂系统。针对走线系统高速运行时数字P I D 控制系统存在的问题，提出多电机系统速度同步自适应逆控制算法，该系统以主电机为参考模型，由一个系统辨识环节和一个自适应控制器环节构成，引入虚拟模型自适应地调整控制器，使放线电机与主电机具有类似的动态特性。实验结果证明：该算法能有效

4、提高速度同步系统的稳定性、快速性和精确性。(4)针对排线控制问题，分析了接近开关限位排线方法的局限性，设计了无接近开关的伺服电机排线系统机械结构，建立排线机构的凸轮传动数学模型，通过对凸轮传动模型仿真研究，提出基于电子凸轮传动的排线控制算法，该方法用软件方法为收线电机虚拟一个电子凸轮，该电子凸轮在收线电机的“驱动”下，实现等效于排线动作的交替收、放卷功能，以此电子凸轮的“输出 作为控制量，高精度多线切割机数控系统关键技术及J e 应用研究对排线电机进行伺服控制。实验结果表明：这种实现方法机械结构简单、运行可靠、限位精度高、排线均匀。(5)针对高速走线换向过程控制问题，分析了加工辊走线速度和主轴

5、传动系统的性能对走线系统的安全性和稳定性的影响，建立传动系统数学模型，研究影响传动系统灵敏度、精度及抑制线速度扰动的各个要素，综合设计传动系统。通过理论分析和实验仿真的方法，深入研究梯形走线规律曲线和双余弦半波速度规律曲线的传动效果，提出单余弦半波走线算法。仿真和实验结果证明：该法方法传动效率高、速度曲线平滑、过渡时间短。(6)根据多线切割机功能及技术指标要求，开发高精度多线切割机数控系统，设计了工作台进给系统、供砂系统、走线系统、主轴系统等辅助装置，成功研制X Q 3 0 0 A 多线切割机产品。运行实验结果表明：该产品控制系统运行稳定，切片加工精度高。本文攻克的高精度多线切割机数控系统关键

6、技术，有效解决了多线切割机开发、成果转化和产业化过程中的技术难题，为高性能多线切割机的设计制造提供了重要理论依据和有效实现途径。关键词：多线切割机；多电机系统；张力控制；自适应逆控制；过程控制I I I博上学位论文A b s t r a c tM u l t i w i r es a w(M W S)i st h ek e ye q u i p m e n ti nt h ec o r ed e v i c eo ft h es u b s t r a t em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si nI C，I Ta n dP Vi n d u s t

7、r i e s M W Si so n eo ft h em o s ta d v a n c e ds l i c ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y T h ep r i n c i p l eo fM W Si sp u t t i n ga b r a s i v es l u r r yi nc u t t i n gm a t e r i a l sp r o c e s s i n ga r e at h r o u g hh i g h-s p e e dr e c i p r o c a t i n gm o t i o no fa

8、s t a i n l e s ss t e e lw i r e，a n dt h em a t e r i a l sw i l lb ec u ti n t oh u n d r e d so ft h o u s a n d so fw a f e r sa tt h es a m et i m e B u tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fM W St e c h n o l o g yi sv e r yh a r d A n dt h ec o r et e c h n o l o g yo fM W Sh a

9、 v eb e e nm a s t e r e db ym i n o r i t ys e v e r a lc o u n t r i e s，s u c ha sJ a p a n，S w i t z e r l a n da n dS Oo n，w h i c hd e l a y st h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e di n d u s t r yo fo u rc o u n t y t h ed e v e l o p m e n to fC h i n a Si n d e p e n d e n ti n t e l l e

10、c t u a lp r o p e r t yr i g h t so fh i g h-p r e c i s i o nc u t t i n gm a c h i n ep r o d u c t sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rb r e a k t h r o u g h i n gm o n o p o l i z a t i o no ff o r e i g nt e c h n o l o g ya n db o t t l e n e c ko fd o m e s t i ci n d u s t r y T a k e nt h

11、ed e s i g n i n gp r o c e s so fM W Sp r o d u c ti nt e c h n i c a ld i f f i c u l tp r o b l e ma sc l u e s，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fM W Sa r ed e e p l yr e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o n(1)B a s e do nt h ep r o j e c tr e s e a r c hp u r p o s e s，c o n t e n t

12、sa n dr e q u i r e m e n t s，t h ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na n dt e c h n i q u er e a l i z a t i o ns c h e m eh a v eb e e np u tf o r w a r d A c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tt a s k su n d e r t a k e nb ya u t h o r,t h et h e o r ya n dt e c h n i q u ef o u n d a t i o n

13、h a v eb e e nd e e p l yr e s e a r c h e d T h er e s e a r c he m p h a s e sa n dt h ec o n q u e r e dd i f f i c u l t i e so ft h i sp r o j e c th a v eb e e np o i n t e do u t A n dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fd e v e l

14、 o p m e n th a v e b e e ns u m m a r i z e di nt h ed i s s e r t a t i o n(2)A i m e da tt h ep r o b l e mo fw i r et e n s i o nc o n t r o l，f a c t o r st h a ti n f l u e n c ew i r et e n s i o na r ea n a l y z e d Aw i r et e n s i o nc o n t r o ls c h e m e，w h i c ht o r q u em o t o r

15、i su s e dt op r o d u c et e n s i o no nw i r ei n s t e a do fh a m m e r,b a s e do ne l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o ni sp r o p o s e d B yu s i n gt h i st e n s i o nc o n t r o lm e t h o d，t h ei n t e n s i t yo ff l u c t u a t i o n si nt e n s i o nc a nb eg r e a t

16、 l yr e d u c e d T h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h em e t h o dh a sh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n，f l e x i b l er e a l i z a t i o n，l o ww i r e-b r o k e nm a l f u n c t i o na n df a c i l et e n s i o na d j u s t i n

17、g A n dt h er e a l i z a t i o no fw i r et e n s i o nc o n t r o ls c h e m eb a s e do ne l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o nl a i e st h ef o u n d a t i o nf o rh a r d w a r ep r o j e c td e s i g no fM W S(3)A i m e da tt h ep r o b l e mo fm u l t i m o t o rs p e e ds y n

18、 c h r o n i z a t i o nc o n t r o l，t h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h et e n s i o nm o t o ri se s t a b l i s h e db yu s i n gt h em e c h a n i c a lt h e o r ym o d e l i n gm e t h o d，a n du n c e r t a i n t i e st h a td i s t u r bt h ef u n c t i o no fw i r ew i n d i n gs y s t

19、e mo fI V赢精度多线切割机数控系统关键技术及其心用研究M W Si sp a r t i c u l a r i z e dc o m p r e h e n s i v e l y M W Ss y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi san o n l i n e a r,t i m e-v a r y i n g，m u l t i o u t p u tc o m p l e xs y s t e m A i m e da tt h ep r o b l e mo fP I Dc o n t r o ls y s t e mi nh i

20、曲s p e e dr u n n i n g，A na d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o la l g o r i t h m，w h i c ht a k e st h em a i nm o t o ra sr e f e r e n c em o d e la n dc o n s i s t so fas y s t e mi d e n t i f i c a t i o np r o c e s sa n da na d a p t i v ec o n t r o l l e rp r o c e s s，w a sp r o p o

21、s e d；W h e nM W Sw o r k s，t h ec o n t r o l l e ri sa d j u s t e da d a p t i v e l yt of o r c et h es u p p l y i n ga n dc o l l e c t i n gm o t o rt of o l l o wt h em a i nm o t o r So u t p u ts p e e d，T h ee x p e r i m e n tr e s u l tp r o v e dt h i sa l g o r i t h mc a ne n h a n c

22、 es y n c h r o n o u ss y s t e m Ss t a b i l i t y,r a p i d i t ya n da c c u r a c y(4)A i m e da tt h ep r o b l e mo fa r r a n g i n gw i r es e r v oc o n t r o l，t h ed i s a d v a n t a g e st oa r r a n g i n gw i r em e t h o do fc l o s el i m i ts w i t c h e sc o n t r o ls y s t e m

23、a r ep o i n t e do u t A n da r r a n g i n gw i r es e r v oc o n t r o lm e t h o do fn o n-c l o s el i m i ts w i t c h e si sd e s i g n e d T h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa r r a n g i n gw i r es t r u c t u r eb a s e do nt h ec a md r i v ei se s t a b l i s h e d B ys i m u l a t

24、 i o nr e s e a r c h，t h ea r r a n g i n gw i r ec o n t r o la l g o r i t h mo fe l e c t r o n i cc a mi sr e a l i z e d T h i sa l g o r i t h mh y p o t h e s i z e da ne l e c t r o n i cc a mw i t hs o f t w a r em e t h o d I tc a nr e a l i z ea l t e r n a t e l ys u p p l ya n dc o l l

25、 e c tw i r ef u n c t i o nb yd r i v i n go fc o l l e c ts p o o lm o t o r T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h er e a l i z a t i o no ft h es c h e m ep r o v i d e dw i t hs u p e r i o r i t yo fs i m p l em e c h a n i c a ls t r u c t u r e，s t a b i l i t y,h i g

26、 ha c c u r a c yl i m i ta n du n i f o r ma r r a n g i n gw i r e(5)A i m e da tt h ep r o b l e mo fm u l t i-m o t o rs y s t e ms y n c h r o n i z e ds w i t c h i n gd i r e c t i o np r o c e s sc o n t r o l，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h er e l i a b i l i t ya n ds t a b

27、i l i t yo ft h ew i r ew i n d i n gs y s t e mw h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e do ns t a b i l i t yo fr o l l e rw i r es p e e da n dp e r f o r m a n c eo fm a i na x i st r a n s m i s s i o ns y s t e m M a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r a n s m i s s i o ns y s t e mi sb u i l t

28、，a n dm a i np a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o ns y s t e ma r ed e s i g n e db yr e s e a r c h i n ge a c he s s e n t i a lf a c t o rw h i c hi n f l u e n c e ss e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o no ft r a n s m i s s i o ns y s t e m T h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y

29、 s i sa n de x p e r i m e n ts i m u l a t i o n，t r a n s m i s s i o ne f f e c ti nt r a p e z o i dw i r ew i n d i n gc u r v ea n dt h ed o u b l ec o s i n eh a l f-w a v es p e e dr u l ec u r v ei sr e s e a r c h e d A n dt h ew i r ew i n d i n ga l g o r i t h mo fs i n g l ec o s i n e

30、h a l f w a v ei sp r o p o s e d T h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h a tt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sh i g h，t h ev e l o c i t yc u r v ei ss m o o t ha n dt h et r a n s i t i o nt i m ei ss h o r t(6)A c c o r d i n gt ot h eM W Sf u

31、 n c t i o n sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nr e q u e s t，H i g ha c c u r a c ym u l t i-w i r en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d，a n dp e r i p h e r ya s s i s t a n td e v i c e，w h i c hi n c l u d e st h et a b l ef e e ds y s t e m，s a n d s u p p

32、l y i n gs y s t e m，w i r ew i n d i n gs y s t e ma n dt h em a i na x i ss y s t e m，i ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d T h eM W Sp r o d u c ti sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h a tt h eM W Sp r o d u c th a sV博十学位论文m e r i t

33、 so fs t a b l ec o n t r o ls y s t e m，h i g hp r e c i s i o no fw a f e r T h ed e v e l o p e dk e yt e c h n o l o g i e so fM W Si nt h i sd i s s e r t a t i o ns o l v e dt h et e c h n i c a lp r o b l e mi nd e v e l o p m e n to fM W Sa n dt h et r a n s f o r m a t i o no fa c h i e v e

34、 m e n ta n dt h ep r o c e s so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o ne f f e c t i v e l y I tp r o v i d e di m p o r t a n tt h e o r yb a s i sa n de f f e c t i v er e a l i z e dw a y sf o rd e v e l o p i n gM W S K e yw o r d：M u l t i w i r es a w(M W S)；M u l t i m o t o rs y s t e m；T e

35、 n s i o nc o n t r o l；A d a p t i v ei n v e r s ec o n t r o l；P r o c e s sc o n t r o l博一 二学位论文图图图图插图索引图1 5 力反馈式张力控制8图1 6 位置反馈式张力控制8图1 7 双反馈张力控制9图1 8 无反馈式张力控制一9图1 9 位置伺服系统实现框图10图1 1 0 基于现场总线的控制系统1 2图1 1 1 交流永磁伺服电机产品13图2 1张力形成示意图1 4图2 2 包绕卷辊材料张力分析模型1 5图2 3 切割机张力信号频谱图1 7图2 4 多线切割机机械系统放线侧等效示意图1 8图

36、2 5 张力控制闭环系统示意图1 9图2 6 用张力电动机施加张力2 0图2 7改进前后张力下降的百分比曲线2 1图2 8多线切割机放线侧张力控制示意图2 2图2 9 张力模型识别结果2 3图2 1 0X Q 3 0 0 A 多线切割机实物图2 4图2 1 1X Q 3 0 0 A 样机测试结果2 4图3 1多线切割机走线系统2 7图3 2多线切割机走线速度曲线示意图2 7图3 3多线切割机走线系统6 个电机之间的速度耦合关系2 8图3 4多线切割机走线系统等效模型图2 8图3 5 放线侧张力电机运动学模型2 9图3 6 加工辊截面图3 0图3 7 放线辊工作示意图3 1图3 8 基于P I

37、D 控制的放线侧伺服系统方框图3 2图3 9 速度同步系统的两种控制结构3 3X2335成线组路成统口明施组系产实统制机与系控割容t ul，u1 J1，机机切内割割的术切切性技线线表目多多代项高精度多线切割机数控系统关键技术及j 应用研究图3 10 多电机速度同步自适应逆控制框图3 3图3 1 l 基于虚拟对象的自适应逆控制3 4图3 1 2 日本安川I I I 系列伺服电机数学模型框图3 5图3 1 3 张力摆杆的位置控制框图3 7图3 1 4 自适应逆仿真算法流程图3 7图3 1 5 数字P I D 控制与模型参考自适应控制仿真结果比较3 9图3 1 6M P E 7 2 0 工具数据读取

38、界面4 0图3 1 7X Q 3 0 0 0 A 样机三组实验结果一4 1图4 1传统的排线系统机械部分结构示意图4 5图4 2 基于伺服电机的排线机构示意图4 6图4 3 排线控制凸轮模型示意图4 7图4 4凸轮匀速转动时的运动规律函数曲线4 8图4 5 排线系统凸轮轮廓图4 9图4 6 排线电控系统实现5 0图4 7电子凸轮算法流程图5 1图4 8 虚拟凸轮排线算法的数学仿真模型5 2图4 9 收卷仿真结果5 2图4 1 0 收、放卷仿真结果5 3图4 11 排线机构实物图5 4图4 1 2X Q 3 0 0 切割机收卷绕线情况实物照片5 4图5 1多线切割机主电机传动系统设计示意图5 7

39、图5 2 主轴负载模型5 8图5 3主轴传动系统模型图5 9图5 4 传动系统仿真模型图6 1图5 5 凡变化情况下的系统阶跃响应6 l图5 6 不同线性扭转刚度下传动系统的阶跃响应6 2图5 7 不同扭转阻尼系数下的系统阶跃响应6 2图5 8 主轴系统设计示意图6 3图5 9 梯形速度曲线及其对应的加速度曲线6 4图5 1 0 国外同类产品加速度曲线及其对应的速度曲线6 5图5 1 1 单余弦半波走线方式速度及对应的加速度曲线6 7图5 12 传动仿真模型6 8图5 1 3 仿真结果对比一6 9图5 1 4 主电机扭矩转速特性图一7 0图5 1 5 实验样机实物图7 0X 1博上学位论文图5

40、 1 6 主轴摩擦转矩测量方法7 l图5 17X Q 3 0 0 主轴摩擦力转速特性图7 1图5 1 8 第一组实验结果(走线速度为4 0 0 m m i n)7 2图5 1 9 第二组实验结果(走线速度为5 0 0 m m i n)7 2图5 2 0 运行前后主电机负荷数据对比7 3图6 1X Q 3 0 0 切割机切片加工总体设计思路7 6图6 2多线切割机的电控系统实现原理图7 7图6 3 控制系统硬件连接实物图7 8图6 4X Q 3 0 0 A 线切割机人机接口7 8图6 5 走线系统实物图7 9图6 6 主轴冷却、润滑及气密封一体化设计7 9图6 7 工作台运动系统8 0图6 8

41、供砂系统实物图8 l图6 9X Q 3 0 0 A 多线切割机测试样机8 2图6 1 0 切割实验材料8 2图6 1 l 水晶切割实验照片8 3图6 1 2 切割机空载时的走线速度与主电机负荷波形8 4图6 1 3 切割机满载时的走线速度与主电机负荷波形8 4图6 1 4 用户试验材料8 5图6 1 5 部分切片样品8 6X I I高精度多线切割机数 窄系统关键技术及j e 应用研究附表索引表1 1 多线切割机代表性产品4表1 2 运动控制功能1 2表2 1 不同材质加工件的切割线张力设置1 6表2 2 张力检测方法2 2表2 3 各速度下的张力2 5表3 1 走线系统实验器材3 9表3 2

42、实验参数设置3 9表4 1 实验参数一51表5 1 三组仿真参数设置6 1表5 2 仿真参数设置一6 8表5 3 实验公共参数设置7 1表6 1 切割水晶实验参数一8 3表6 2 切片实验精度统计结果8 4表6 3 部分实验参数8 5表6 4X Q 3 0 0 A 多线切割机与国外同类产品的性能比较8 6湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承

43、担。作者签名：雅叉厌日期：缈9 侔驴月艚学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于作者签名：导师签名：1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密囹。(请在以上相应方框内打“”)日期：w 哆1 年午月c 孑日日期：劢矿年争月侈日博l j 学位论文1 1 课题背景及意义第1 章绪论集成电路、光伏和半导体照明产业是我国的战略性产业之一。根据

44、赛迪顾问公司研究报告统计：”2 0 0 7 年国内光伏和集成电路产业基片需求额为2 1 2 1 亿元，2 0 0 8 达到3 5 6 1 亿元，预计从2 0 0 9 年到2 0 1 2 年，仍将保持高速增长”。集成电路正朝着极大规模集成电路超大规模集成电路的方向F 1 新月异的发展，对切片加工设备的精度、效率、加工件的几何规格及切片的厚度、平行度等主要指标均提出了更高的要求【l，2 J。切片质量和切片效率直接决定着基片质量、器件成本、资源利用率和终端光电信息产品的技术档次。多线切割机是一种广泛应用于I C(集成电路)、I T(信息技术)、P V(光伏)行业中，如单晶硅、蓝宝石、石英晶体、压电陶

45、瓷、磁性材料、光学玻璃等硬脆性材料精密切片加工的电子专用设备，是光电信息产业核心器件基片制造流程中的关键装备。多线切割是目前最先进的切片加工技术，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入待切割材料加工区域进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新性切片工艺。在该工艺中，切割线被缠绕在一个导线辊上，可以一次性完成相当于多刀切割机数百次的切割量，而且在切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等关键技术指标上均明显优于传统的加工设备，多线切割机以其切割速度快、加工精度高、切割损耗低的优点，已逐渐取代了传统的内圆切割和外圆切割技术，成为硬脆性材料切片加工的主流设备【3 一J。多线切割机控制系

46、统复杂、制造难度大【5 l0 1，国际上只有少数几个几家大型机械设备制造公司掌握数控多线切割机设计制造技术，国内外切割机产品市场一直被瑞士和日本的等少数几家国外公司所占据，严重制约了我国集成电路制造、光伏、半导体照明等战略性产业的发展。为了打破国外技术垄断，促进我国集成电路制造、半导体照明、光伏等产业相关行业产业链的形成，我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2 0 0 6-2 0 2 0 年)重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺 中专门设立“3 0 0 m m 硅片多线切割机的开发 2 0 0 9 Z X 0 2 0 1 1 0 2】”的子课题。多线切割机的成功研制和实现产业化，将

47、攻克极大规模集成电路制造产业链中基片加工环节的核心技术，解决我国多线切割机设备长期以来一直完全依赖于国外进口的局面，保证我国电子工业健康快速地发展。研究多线切割机关键技术，开发具有我国自主知识产权的高精度多线切割机产品，是突破国外技术封锁和国内集成电路等相关产业瓶颈的关键举措。I 楷度多牡埘S 4 机敝牲系统X 键技术艘儿J q 川f 九2 多线切割机的国内外研究现状及发展趋势121 多线切割机系统通用结构多线t；J 割机系统设计足个涉及机械技术、控制技术、数字信号处理技术、材料科学等多学科交义的研究领域。圈1 I a)显示的是多线切割机的切割系统示意图，放线辊上的切割线(通常为钢丝线或者是会

48、刚石线)通过一系列导向辊过渡到加工辊L 往加工辊上缠绕多圈，再通过一系列导线辊收卷到收线辊。多线切割机进行切片加工时。I 作台进给系统驱动待切什向上运动与切割线接触，加工辊高速往复运动，切割线则随之带动砂浆研磨切割待切件，从多线切割机的加工原理不难看出，走线系统是多线切割机系统的核心，目前国内外市场上的多线切割机产品走线系统通用框陶如图11b)所示，多线切割机走线系统主要由放线锟、加工锟、收线锟、张力控制装置、排线装置等几个部分构成，各部分过导线辊相连J，力上辊两侧各有一个张力控制器，放线辊和收线辊侧都配有排线装置。牧线辊1 收线辐a)多线切割机切割系统示意图b)线切割机走线系统通用框图国I

49、I 多线切割机系统组成多线切割属于研磨切割，除了走线系统外，还需配套外围辅助设备，主要包括：供砂系统、主轴冷却、润滑系统、人机接口、工作台进给系统等，多线切割机控制系统构成见图1 2，在主控制器的控制下多线切割机各个功能模块组成一舔个有机整体协调工作图I2 多线切割机控制系统组成1 2 2 国内外研究现状多线切割机属于专用精密数控机床，其加工精度高、控制系统复杂、制造难度大，国外公司从上世纪8 0 年代中期开始研究，目前国外线切割设备生产厂家主要有日本T A K A T O R l 公司、N T C 公司以及瑞士的M&B 公司、H C T 公司等【“I，各品牌的切割机产品各有特色，按主辊的个数

50、来分类，代表性的产品见图13。日本线切割机以T A K A T O R I 品牌为代表，其产品采用三加工辊驱动形式，代表性产品M W S-3 0 2 0、M W S-6 1 0 S D(见表l1)，其系列产品可用于1 0 0 m m 2 0 0 m 之间水晶、蓝宝石、磁性材料、光电材料的切割。N T C 公司M N M 4 4 4 B 和M W M 4 5 4 B 切割机也是采用3 个加工辊的结构，主要提供3 0 0 m m 晶圆片线切割机。瑞士M e y e r B u r g e r 公司的D S 2 6 1 D S 2 6 4 系列大型切割机专为太阳能级硅片切割设计，采用两加工辊驱动方式