专利名称：一种多线切割机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体加工设备，具体是一种高速度、高精度、低损耗的 多线切割机。
背景技术：
多丝切割是一种通过金属丝的高速往复运动把磨料带入硅碇加工区域进行研磨，最终把硅碇切割成片薄片的一种新型加工方法；多丝切割机已逐渐取代了传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式，主要用于切割磁性材料、水晶、陶瓷、化合物、氧化物、人造宝石、单晶硅等各种硬脆性材料。多线切割机床的研制是一个多学科交叉的研究领域，它主要以含有快速电机运动的执行机构为基础，结合控制理论与技术、数字信号处理技术、计算机技术、传感器技术、机械技术、总线技术、网络技术等进行全新的控制系统设计，以达到运动控制所要求的高速度、高精度的要求。多线切割机运行过程中，放线电机、收线电机的线速度要跟踪主电机的线速度，排线电机的线速度要跟踪收线电机角速度，而在走线运行过程中，机械参数如半径、转动惯量都会变化，所以这是一个非线性时变系统的控制问题，主要研究切割线的张力控制；收、放线电机的速度无轴传动跟踪控制；排线电机的非线性速度控制、主轴的温度和润滑控制等难题。 发明内容针对现有技术，本发明目的旨在提供一种多线切割机，能够运用机电一体 化方法，用伺服电机输出转矩来代替重物或气缸给切割线施加张力，并实现无
轴传动跟踪控制；且进一步控制主轴的温度和润滑控制，使多线切割机具有张 力切割精度高、走线速度快、切割损耗小、平均无故障运行时间长的优点。本发明提供一种多线切割机中，包括切割线走线系统、工作台、控制系统、 循环油冷却系统和油气润滑装置，其中所述切割线走线系统包括缠绕在放线辊 上的金属丝和3个加工辊，所述金属丝通过导向轮缠绕到3个加工辊上，加工锟 下端由缠绕的钢丝线组成了切割面，切割加工后再通过导向轮缠绕到收线辊， 切割线走线系统还包括排线器，将来自放线轮的线均匀地绕到收线轮上；所述 控制系统包括运动控制器、伺服单元、模拟量输入输出单元和通信单元；其中 伺服单元包括7个伺服电机主电机、收线电机、放线电机、工作台电机、两个 张力电机和排线电机分别作为加工辊、放线辊、收线辊、工作台、收放线两侧 的张力摆杆、排线器的执行机构，上述伺服电机均安装有测速传感器。其中上述伺服电机中主电机、收线电机、放线电机、工作台电机的测速传 感器选用17位增量型光电编码器，两个张力电机和排线电机选用17位绝对值光 电编码器。所述循环油冷却系统包括油泵、冷交换器、主轴冷却管道、油箱、液体冷 却机。所述控制系统还包括人机接口单元。油气润滑装置由五部分组成:油量供应及分配单元；供气单元；油气混合单元；油气输送及分配单元；油气润滑控制单元。所述通信单元模块采用通信接口卡JAPMC-CM2300，用MECHATROLINK电缆连接各个功能单元模块构成一个基于现场总线控制网络。本发明的工作原理详细描述如下切割线走线系统是其核心部分。切割线 在走线过程中抖动幅度和频度直接决定了线切割加工的质量(切割面的平行度、
切痕的最小宽度)。为了保证加工质量，多线切割机的开始运行时，所有金属丝全部缠绕在放线辊上，通过一系列导向轮缠绕到由主电机拖动的3个加工辊上，加工锟下端由缠绕的钢丝线组成了切割面，进行切割加工后再通过一系列导向轮缠绕到收线辊，放线锟和收线锟分别由放线电机和收线电机驱动；在走线过程中，需要设计一个排线器，将来自放线轮的线均匀地绕到收线轮上，排线器的作用是保证收线轮收线均匀。下面分析逐个电机的控制思路。(1) 主电机主电机的速度由程序设定控制，切割机运行时，采用程序设定 的方式控制主电机按给定的速度驱动加工辊正反向交替运转，从而使金属线往 复运行，且设定的正向运转时间要比反向运转时间长，所以金属丝就逐渐由放 线辊转移到收线辊。主电机是多电机系统的核心，收、放线电机、排线电机、 张力电机的速度都直接或间接地受其控制。(2) 放线和收线电机切割钢丝线从放线轮出发，通过张力调节张力摆杆， 走到主电机拖动的工作锟。为了控制张力恒定，要求放线速度必须跟随工作辊 的线速度，所以放线电机的速度由主电机的速度和放线侧张力电机的速度共同 控制，属于随动系统。同理，收线电机的速度由主电机的速度和收线侧张力电 机的速度共同控制。(3) 张力电机张力电机起着对切割线施加张力的作用，切割机运行时对 其进行恒转矩控制。张力摆杆的两端分别是主电机和收、放线电机，当二者线 速度不同步时，将拖动恒转矩的摆杆运动。所以张力摆杆起着速度调节的功能 张力摆杆的位置反映的是伺服系统的调节能力，张力摆杆的速度反映的是伺服 系统的跟随误差，张力摆杆的加速度反映的是切割线上的张力。理想情况下， 当放线轮线速度与主电机罗拉的线速度保持一致时，张力摆杆的速度和加速度 均为零，此时切割线上的张力保持恒定。(4) 排线电机；排线电机的主要作用是保证收线轮收线均匀，其速度和位置 由放线电机的转速决定。(5) 工作台电机；工作台电机根据待切割材料的硬度、几何形状和尺寸、切 割精度等因素来确定每个时刻工作台的位置和速度，当速度变化大时，需要进 行速度插补。其中多线切割机还需要控制主轴温度和润滑，其中散热是主轴技术难点之 一，主轴内部的主要热源是主轴轴承。主轴温度过高会烧毁电动机，降低轴承 寿命和工作精度，多线切割机中电主轴散热采用循环油冷却系统。循环油冷却 系统包括油泵、冷交换器、主轴冷却管道、油箱、液体冷却机。油泵将冷却 油送至冷交换器，冷却油被送入主轴冷却管道，带走主轴产生的热量后再流回 油箱，液体冷却机能实现故障报警、自检、信号输出可与主机联动；实现主轴运 行状态的温度监控。本发明所述多线切割机具有以下特点(1) 运用机电一体化方法，用伺服电机输出转矩来代替重物或气缸给切割线 施加张力，断线故障率低；(2) 收放线电机采用先进的无轴传动技术来跟踪主电机的线速度；使张力摆 杆的摆速和摆幅较小，运动系统运行稳定可靠，切割精度高，走线速度高；(3) 排线功能用带绝对值编码器的伺服电机来实现，排线效果优良；(4) 运动控制器、伺服单元、AD及DA单元之间通过现场总线连成一个网络控制系统，应用数字通信技术在各单元之间传输控制信号、反馈信息或故障 伶 .(5) 可选用不同规格的钢丝线，根据待切割材料的不同。钢丝线的直径可以 选用0. 10醒、0. 12ram、 0. 14mm或0. 16mm，所以切割损耗小
图1为实施例中一多线切割机的结构等效示意图； 图2为实施例中多线切割机的伺服单元原理图； 图3为实施例中多电机伺服系统控制结构框图； 在附图中-放线辊1——切割面 24--放线侧张力摆杆 5-7——工作台10——AD转换器 11——通信终端电阻13—3画-收线辊一收线侧张力摆杆 8——总线6——排线器 9——DA转换器12——IO □ 15——砂浆流量 18——放线侧张力检测传感器14-17-空压机气压 -转矩指令20、 21、 22——加工锟 25——运动控制器 28——电机输出速度砂浆温度 16——走线速度指令19——收线侧张力检测传感器 23、 24——滚珠丝杆2726-控制面板Ml-主电机 M2-放线电机M3-收线电机M4-放线侧张力电机M5-收线侧张力电机M6-排线电机 M7-工作台电机SD1、 SD2、 SD3、 SD4、 SD5、 SD6、 SD7-伺服驱动器Sl、 S2、 S3、 S7-17位增量型光电编码器S4、 S5、 S6-17位绝对值光电编码器具体实施方式
实施例中所述多线切割线，包括切割线走线系统、控制系统、循环油冷却 系统、油气润滑装置，其中切割线走线系统包括缠绕在放线辊2上的金属丝和3个加工辊20、 21、 22，所述金属丝通过导向轮缠绕到3个加工辊20、 21、 22 上，加工锟20、 21、 22下端由缠绕的钢丝线组成了切割面1，切割加工后再通 过导向轮缠绕到收线辊3，还包括排线器6;所述控制系统包括基于PLC的运动 控制器25、伺服单元、模拟量输入输出单元，还包括与运动控制器25连接的 人机接口单元、通信单元；其中伺服单元共有7个电机作为执行机构。所述循环油冷却系统包括油泵、冷交换器、主轴冷却管道、油箱、液体冷 却机。其中油泵将冷却油送至冷交换器，冷却油被送入主轴冷却管道，带走主 轴产生的热量后再流回油箱。液体冷却机能实现故障报警、自检、信号输出可 与主机联动；实现主轴运行状态的温度监控。实施例中所述多线切割机控制系统结构如图2所示，运动控制器25选用 YASKAWA公司的MP2300运动控制器，各伺服单元选用YASKAWA公司的EIII型伺服 驱动器和i: II型伺服电机，控制系统各单元与运动控制器25之间通过 MECHATR0LINK现场总线8进行数字通信，传输控制信号并反馈速度、位置、张力、 温度、流量和故障信息。控制系统主要有三个模块构成1、基于PLC的运动控 制器运动控制器使整个控制系统的核心，控制各单元协调工作，在它的控制 下，单元组成了一个有机整体；2、伺服单元本实施例中多线切割机共有7个 伺服电机作为执行机构，各电机测速传感器和收线测速传感器选用17位光电编 码器，其中主电机M1、放线电机M2、收线电机M3、工作台电机M7的测速传感器 分别选用17位增量型光电编码器S1、 S2、 S3、 S7。两个张力电机M4、 M5和排线 电机M6分别选用17位绝对值光电编码器S4、 S5、 S6; 3、人机接口单元人机接 口有两部分组成用屏蔽双绞线与MP2300相连的触摸屏26和通过I0口12与 MP2300相连的操作面板27。用户通过触摸屏26和操作面板27输入运行参数、反 馈运行信息、反馈系统故障诊断信息。4、模拟量输入输出单元AD转换器IO 选用YASKAWA公司的AN2900，主要反馈收线侧、收线侧的张力，砂浆温度13和主 轴温度。DA转换器11采用YASKAWA公司的AN2910，主要用于控制变频电机的转速， 进而控制砂浆流量。AD和DA都通过现场总线与MP2300进行数字通信来传递数据。 5、通信单元以YASKAWA公司通信接口卡JAPMC-CM2300作为通信单元模块，用 MECHATROLINK电缆连接个功能单元模块，构成一个基于现场总线控制网络。实施例中油气润滑装置由五部分组成(1)油量供应及分配单元；(2)供气 单元；(3)油气混合单元；(4)油气输送及分配单元；(5)油气润滑控制单元。 每隔一定时间(可调)由油量供应及分配单元定量柱塞泵分配器定量输出的微 量润滑油，在油气混和单元混合阀中与供气单元提供的压縮空气混合后，经油 气输送及分配单元尼龙管输出油气。与油雾润滑比起来油气润滑所需设备复杂， 成本高，但这种润滑方式能对每个轴承分别进行精确润滑，润滑油利用率极高 (用油量只有油雾润滑的1/ 10)，轴承发热量小，无环境污染。与国外同类产品相比，本发明有以下特点和优点1) 从走线方式上看，本发明与与国外同类产品相比，走线换向的曲线更为 平滑，过渡时间短；2) 从伺服控制网络上看，国外同类产品采用基于模拟电缆的通信方式，控 制系统复杂、通信I/0口模拟电缆接线复杂、分立元件数量多，且成本高； 而本发明控制网络采用的基于现场总线的全数字化通信方式，元件少、 成本体、可靠性高、控制灵活、硬件维护和系统升级都很方便。3) 从智能化水平的角度，本发明的速度跟随控制中采用了智能控制技术， 能在线识别机械的特征参数，运行时无需输入机械参数，而国外的产品 一般都需准确地输入如放线轮、收线轮半径等机械参数。4) 从张力控制的效果上来看，由于本发明针对切割线的张力控制问题，采
用了机电一体化的控制策略，控制效果要优于国外同类产品。5) 从排线控制上看，本发明的特色是用伺服电机自带的绝对值编码器记 录排线器位置信息，实现了工字轮内缘两侧的限位功能，从而取代了接 近开关，降低了系统成本，且大大提高了排线的性能。6) 伺服选型上看，国外高鸟的同类参品采用的是模拟伺服，运动控制器与伺服单元间采用模拟I/0口进行数字量(4 20mA， 24V)或者进行模拟量 通信；本发明采用的国际上主流的全数字伺服，运动控制器与伺服单元 间采用现场总线网络进行通信；所以控制性能优越。
权利要求
1、一种多线切割机，包括切割线走线系统、工作台、控制系统、循环油冷却系统和油气润滑装置，其特征在于，所述切割线走线系统包括缠绕在放线辊上的金属丝和3个加工辊，所述金属丝通过导向轮缠绕到3个加工辊上，加工锟下端由缠绕的钢丝线组成了切割面，切割加工后再通过导向轮缠绕到收线辊，切割线走线系统还包括排线器，将来自放线轮的线均匀地绕到收线轮上；所述控制系统包括运动控制器、通过通信单元与运动控制器分别连接的伺服单元和模拟量输入输出单元；其中伺服单元包括7个伺服电机主电机、收线电机、放线电机、工作台电机、两个张力电机和排线电机，分别作为加工辊、放线辊、收线辊、工作台、收放线两侧的张力摆杆、排线器的执行机构，上述伺服电机均安装有测速传感器。
2、 根据权利要求l所述多线切割机，其特征在于，所述伺服电机中主电机、 收线电机、放线电机、工作台电机的测速传感器选用17位增量型光电编码器， 两个张力电机和排线电机选用17位绝对值光电编码器。
3、 根据权利要求l所述多线切割机，其特征在于，所述循环油冷却系统包 括油泵、与油泵输出端连接的冷交换器，且冷交换器通过主轴冷却管道与油箱 和液体冷却机连接。
4、 根据权利要求l所述多线切割机，其特征在于，所述控制系统还包括与 运动控制器连接的人机接口单元。
5、 根据权利要求l所述多线切割机，其特征在于，所述油气润滑装置由油 量供应及分配单元、供气单元、油气混合单元、油气输送及分配单元、油气润 滑控制单元依次连接组成。
6、 根据权利要求l所述多线切割机，其特征在于，所述通信单元模块采用 通信接口卡JAPMC-CM2300，用MECHATROLINK电缆连接运动控制器、伺服单元和模拟量输入输出单元构成一个基于现场总线控制网络。
全文摘要
本发明公开了一种多线切割机，包括切割线走线系统、工作台、控制系统、循环油冷却系统和油气润滑装置，通过金属丝的高速往复运动把磨料带入半导体材料加工区域进行研磨，并通过控制伺服装置控制收放线电机的速度、排线电机的非线性速度实现无轴传动跟踪控制；并采用了循环油冷却系统和油气润滑装置解决主轴的温度和润滑控制，最终把半导体材料切割成片薄片。该多线切割机具有张力切割精度高、走线速度快、切割损耗小、平均无故障运行时间长的优点。
文档编号B28D1/22GK101209572SQ20071030341
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者张义兵, 戴瑜兴, 杨宇红, 睿 汤, 近 蒋 申请人:湖南宇晶机器实业有限公司