金刚石带锯切割机的电气控制设计

金刚石带锯切割机的电气控制设计
胡兴志;孙文博
【摘要】Diamond band saw cutting machine is a key equipment for pre-processing in semiconductor wafer It is designed to cut the cylinder crystal and diagnose cutting quality On mechnical design linear guide adn AC servo motor were used as well as swinging bench and following intensifier As with electrical system there applied touch screen PLC and online tension control This paper expounds the main content of the diamond band saw cutting machine electrical design including program introduction project report sensor selection electrical control system design and software design.%金刚石带锯切割机是半导体晶圆加工前道工序中
重要设备，是针对单晶炉提拉成的半导体晶棒进行切断或对晶棒切片进行质量诊断分析而设计的，具有切断和切片功能。

在机械设计方面，采用了直线滚动导轨、交流伺服电机驱动、摆动式工作台、随动加紧台等机构，在电气控制系统方面采用了触摸屏、PLC 控制、张力实时控制等技术。

对金刚石带锯切割机电气进行了设计，主要内容其包括项目介绍、方案论述、传感器的选择、电气控制系统设计、软件设计等。

【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】5页(P71-75)
【关键词】金刚石带锯;张力控制;传感器;摆动切割;变速进给;步进电动机;PLC
【作者】胡兴志;孙文博
【作者单位】华北科技学院机电工程学院，北京 101601;华北科技学院机电工程学院，北京 101601
【正文语种】中文
【中图分类】TG48;TG74;TH6
半导体晶圆是集成电路芯片的基石，集成电路芯片的电路就是在晶圆上加工制造的。

从最初的2.54 cm发展到现在的30.48 cm，晶圆不断向大直径方向发展。

由于单晶硅棒直径的不断增大，硅棒切断机也不断发展、更新换代。

最初的硅棒切断机采用外圆金刚石刀片切割方式，后来采用内圆金刚石刀片切割方式。

当晶棒直径发展到目前的30.48 cm时，以前的切割方式已经不能满足使用要求。

为实现大直径晶棒的齐头、断尾的切割要求，企业研制出金刚石带锯切割机。

金刚石带锯切割机使用电镀金刚石带锯，采用带传动理论，使电镀金刚石带锯在主动轮和从动轮的作用下运动，实现切割晶体的目的。

1 机器总体设计
金刚石带锯切割机使用镀覆金刚石带锯为载体实现对材料的切割。

镀覆金刚石带锯条的基体为0.5 mm厚的不锈钢带，采用超声波焊接技术进行焊接，形成一个环
形带，钢带的一侧刃口用电镀技术，将金刚石颗粒镀覆到钢带上，利用金刚石的高硬度性能实现对材料的切割。

带锯切割方式，是由钢带作为载体带动高硬度的金刚石微粒对材料进行机械去除，实现对材料的切割。

当切削阻力很大时，金刚石微粒停止划切运动，在钢带的摩擦力下产生滚动，并排出切屑，同时又进入下一次的切削运动。

金刚石带锯切割机有两个带轮，金刚石带锯条安装在带轮上。

其中，一个带轮为主动轮，起传递扭矩和承载切割能量的作用；另一个带轮为从动轮，与主动轮轴向平行，起调节张力的作用。

金刚石带锯切割机采用龙门式结构，主动轮安装到底座上，轴向与底座平行；从动带轮位于上方，与主动轮之间的距离由镀覆金刚石带锯条的规格和切割材料直径尺寸确定。

工作台位于两带轮之间，与底座平行。

硅棒可以水平放置于工作台上。

工作台由滚珠导轨支撑，由滚珠丝杠和交流伺服电机驱动。

镀覆金刚石带锯条在主动轮的旋转运动的带动下工作。

在主动轮和从动轮的切线段，镀覆金刚石带锯条作直线运动，工作台通过移动带动硅棒相对带锯条运动，以实现对硅棒的切割。

2 硬件系统设计
金刚石带锯切割机由8个机械部件和一个电气控制系统组成，其外观如图1。

图1 金刚石带锯切割机的外形结构图
2.1 电控系统设计
设备的功能运动分别由六个电机来实现：带动金刚石带锯运动的主动轮由三相异步电动机驱动，同时由变频器进行调速控制；横向切割工作台由伺服电机驱动；纵向进给工作台由步进电机驱动；用步进电机控制金刚石带锯条的张力；用重力传感器检测张力；工作台的摆动由一个微型电机驱动；切削液的供给由一个微型电机驱动。

金刚石带锯切割机主要由PLC可编程控制系统、主动轮电机、步进电机、伺服电
机控制系统、供电系统等部分组成，其总体结构如图2。

图2 电控系统总体结构图
金刚石带锯切割机的逻辑运动由PLC控制器进行控制，伺服驱动系统选用西门子
S120系列伺服驱动器，并选用西门子S7-300系列PLC控制器作为控制单元，控制器通过ProfiNet总线实现对各伺服驱动单元的控制。

触摸屏由安装在显示器屏
幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。

当手指或其他物体触摸安装在显示器前端
的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口(如RS—232串行口)送到主机。

选用西门子的KTP1000彩色DN与TFT液晶显示器电阻式触摸屏。

2.2 供电系统设计
供电系统直接影响设备的可靠性，在本系统中，变频控制器、伺服电机驱动器等在工作时会产生大量的电磁辐射干扰和传导干扰。

电磁辐射干扰可采用电磁屏蔽的方法解决。

解决传导干扰的方法是使各系统相互隔离，尤其应该是PLC系统和变频器系统相互隔离。

因此，该系统采用了隔离变压器供电系统，PLC控制器控制和其他的设备分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。

另外，各系统之间的控制信号全部采用光电隔离技术，这样可以有效地抑制传导干扰。

电源系统原理图如图3所示。

图3 电源系统原理图
2.3 主动轮电机及减速器的选型
电动机已经标准化和系列化。

设计时，只需根据工作载荷、工作特征和工作环境，选择电动机的类型、结构形式和转速，计算电机功率，选择确定电机型号。

2.3.1 电动机类型选择
电动机类型是根据电源种类、工作条件及载荷特点等来选择。

Y系列三相异步电动机应用广泛，价格低廉，适合于金刚石带锯切割机的应用。

2.3.2 电动机功率的确定
电动机功率的大小是根据工作所需的功率大小和中间传动装置的效率以及机器的工作条件来确定，首先需要经过必要的计算进行选择，避免造成不必要的损失。

合理的选择步骤如下：
(1)工作机所需功率Pw
工作机所需的功率Pw应由机器的工作阻力和运动参数计算求得。

已知工作机的阻力Fw和线速度v，则工作机所需的功率为：
Pw = Fw×v/(9550ηw)
(1)
公式(1)中：
v——工作机的线速度，单位m/s。

取v = 20 m/s；
ηw——工作机效率，对于带传动，一般取ηw = 0.94～0.96。

设备在切割过程中，所受阻力为500 N，金刚石带锯的张力为800 N，从动轮回转轴承的摩擦系数为f = 0.03，则Fw = (500 N+800 N)×0.03 = 39 N
计算出所需的功率Pw = 0.086 kW。

(2)电动机所需的输出功率P0
P0 = Pw/η
(2)
公式(2)中：
η = η1*η2*η3*η4
η1——减速器的机械效率 (0.7～0.75)；
η2——减速器滚动轴承的机械效率(0.99)；
η3——皮带轮滚动轴承的机械效率(0.99)；
η4——带传动的机械效率(0.95)；
代入数据，得P0 = 0.132 kW。

(3)电动机功率的确定
考虑到安全系数，实际电动机的功率Pm = 3×P0，则Pm = 0.396 kW 。

故选取电动机功率Pm = 0.4～0.5 kW。

(4)减速机的选择
目前，减速机的生产厂家很多，种类也很多。

选择减速机首先要考虑减速比。

根据计算，所需减速机的减速比为1∶3，选用NEWSTART纽世达特有限公司的减速
机可以满足使用要求。

2.4 伺服电机选型
(1)等效转动惯量的计算
传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量J可由下式计算：
J = JM+J1+JS+ G/g[L/(2×3.14)]2
(3)
公式(3)中：
JM——电动机转子的转动惯量。

根据经验，交流伺服电动机转子的转动惯量JM = 0.4 kg·cm2；
J1——联轴器的转动惯量，
JS——滚珠丝杠的转动惯量，JS = 0.191 6 kg·cm2；
G = 55.76 N。

最后算得J = 0.77 kg·cm2。

考虑电动机与传动系统转动惯量的匹配问题，计算出JM/ J = 0.51满足惯量匹配的要求。

(2)电动机启动力矩的计算。

因为轴向负荷相当小，只要启动力矩能满足要求，运行时绝不会因力矩不够而产生失步。

考虑切割进给速度为50 mm/min,以及丝杠导程，由此可计算出电动机的转速n = 508 r/min
启动力矩的计算公式为：M = Ma + Mf+M负
(4)
公式(4)中：
Ma——电动机轴上的惯性力矩，Ma = 0.136 N·m；
Mf——电动机轴的摩擦力矩，Mf = 0.000 9 N·m；
M负——电动机轴的负载力矩，M负= 0.007 9 N·m。

电动机轴上的总力矩M = 0.145 N·m。

在该设备中,选用北京和利时生产的60CB040C-010000型交流伺服电机能够满足要求。

2.5 传感器的选型
传感器主要用于检测智能设备系统自身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制智能设备系统的运作提供信息。

根据实际功能需要选用上海彪贺仪器仪表有限公司的PWFC微型称重传感器，该传感器属于压电阻式传感器。

3 控制系统软件设计
3.1 PLC控制流程图
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。

其循环过程分为输入采样(或输入处理)、程序执行(或程序处理)和输出刷新(或输出处理)3个阶段。

PLC控制流程图如图4。

图4 PLC控制流程图
3.2 程序控制
3.2.1 设定值部分
由三档数据选择开关SA1选中需要更改的数据后，通过按压数据更改按钮SB12、SB13对设定值进行操作。

数据选择开关处于空位时，SB12、SB13按下无效。

以主轴速度调节为例，程序如下所示：
A I1.5 //主轴速度调整选择
JC a000
A I1.6 //进给速度调整选择
JC a001
A I1.7 //张紧力调整选择
JC a002
BE //数据选择开关无效，则结束此程序
a000: A I1.3 //数据增加按钮
JCN a001
L MD100
L 10.0
+R
T MD100
BE
a001: A I1.4 //数据减小按钮
JCN a005
L MD100
L 10.0
-R
T MD100
BE
……
3.2.2 张紧力控制部分
由PLC采集张力传感器传送的数据，并与张紧力设定值进行比较。

若偏差过大，并且大于设定值，则控制张紧电机M4减小张紧力；若偏差过大，并且小于设定值，则控制张紧电机M4增大张紧力；若偏差较小，则不予调整。

L PIW0 //张紧力换算ITDL 0.5JU ab02DTR>Rab01:SETL 100.0JC ab00= Q1.1∗RCLRCLRL 16384.0 = Q1.0 = Q1.0/R = Q1.1BET
MD112BEab02:SETL MD108L MD116= Q1.0-RL 0.0CLRT MD116 >R =
Q1.1ABSJC ab01BE
3.2.3 电机速度控制部分
由于切割材料的不同，需要不同的工艺参数，也就需要控制切割速度和进给速度。

根据显示屏设定的切割速度和进给速度，PLC经过一定的运算，换算为电机转速
并输出模拟量给变频器，分别控制主轴电机M1和进给电机M2的转速，以达到
切割的目的。

这里以主轴电机说明，显示屏输入的主轴电机速度单位为r/min。

进给速度单位通常设定为mm/min，需要根据机械传动关系换算成电机转速，即可
对进给速度进行控制。

L MD100L 3000.0/RL 16384.0∗RRNDDTIT POW0
3.2.4 手动控制部分
主轴部分、进给部分、张紧部分的手动操作不能在系统自动运行状态下进行控制，且各手动动作出于安全考虑不可以同时进行，这里需要进行保护互锁控制。

这里以主轴转速控制说明，程序如下：
A M0.0BECA I0.3 //主轴正转手动JC a000A I0.4 //主轴反转手动JC
a001……CLR = Q0.2…… = Q1.1BEa000:SET = Q0.2BEa001:……
3.2.5 自动运行部分
在待加工棒料装置在工作台之后，调整限位传感器位置，设定主轴转速、进给速度、张力大小后即可进行切割，点亮绿色指示灯提示设备工作状态。

在棒料到达限位传感器位置后，传感器发出信号，即认为切割结束，自动停止设备，并点亮红色指示灯，提醒操作员切割结束，进行下一步动作。

自动运行控制部分程序如下所示：
A I0.0FP M0.6S M0.0A M0.0 = Q0.0 //指示运行状态R M0.1SET = Q0.2 = Q0.4CLR = Q0.3 = Q0.5……//张紧力自动控制部分……A M0.0//限位到达,
切割结束A I2.0FP M0.7R M0.0R Q0.0R Q0.2R Q0.4S Q0.1
4 结束语
通过对金刚石带锯切割机控制的研究，设计采用PLC和变频器的控制方案，包括系统总体结构，软硬件设计等。

主要功能有：满足切割晶体直径大于φ300 mm、晶棒长度达1000 mm的实际需要；金刚石带锯线速度可控；工作台可实现摆动，摆动角度为±5°；工作台进给速度在0～30 mm/min可调；金刚石钢带张力可以
自动控制，其误差为±10 N。

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