欧姆龙NJ控制器在太阳能线切割机中的应用

摘要：针对线切割机的控制技术要求，本文提出了采用欧姆龙NJ控制器和EtherCAT网络型伺服组成的控制系统，有效地减少了张力的波动，提高了系统的可靠性和实时性。

关键词：NJ控制器 多线切割 太阳能线切割机

1引言

多线切割技术（MWS: Multi-Wire-Slicen）是进行脆硬材料（如硅锭等）切割的一种创新性工艺。它是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入半导体加工区域进行研磨，将半导体等硬脆材料一次同时切割为数百片薄片的一种新型切割加工方法。基于高精度高速低耗切割控制关键技术研发的高精度数控多线高速切割机，可全面实现对半导体材料及各种硬脆材料的高精度、高速度、低损耗切割，目前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。

多线切割技术可被用于切割脆硬材料，如硅锭等，此外也可用于分割难切削的材料。该工艺具有以下的优点：

（1）经济效益高，一次可切割几百个晶片

（2）可切割直径至300mm的硅锭

（3）晶体缺陷深度小

（4）几何缺陷少（TTV，弓曲，偏差等）

（5）适合于分割硬脆或难以切削的材料

（6）损耗率低，分割误差小

对于线切割机来说，主轴伺服和收、放卷轴间同步控制以及金属丝线间的张力控制总是此类机械的控制关键点。欧姆龙NJ501型控制器，通过EtherCAT总线连接多套伺服，正是解决同步控制的最佳组合。

2 多线切割机工作原理

线切割机主要由机床、数控系统和高频电源这三部分组成。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。机床由床身、储丝机构、线架、XY工作台、油箱等部件组成。绕在储丝筒上的金属丝经过线架作高速往复运动。加工工件固定在XY工作台上。X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。典型的线切割机工艺流程图如图1所示。

图1 典型的线切割机工艺流程图

多线切割机对于控制系统的可靠性和实时性要求较高，为保证加工质量，需要对切割过程中的钢丝张力进行控制。准确控制张力值，减小张力的波动是多线切割机的一项关键技术，对于提高加工质量及切割过程中不断线以及提高设备的可靠性具有重要意义。在本项目中，采用欧姆龙NJ501型控制器，通过EtherCAT总线连接多套伺服进行同步控制，有效地减少了张力的波动。

3基于NJ控制器的解决方案

3.1控制系统硬件解决方案

在本方案中，采用一台SYSMAC NJ机器控制器带7轴伺服控制组成整个控制系统，一台主伺服带动罗拉旋转切割硅块，两台伺服交替用于正反向的收放线控制，一台伺服用于首先端排线（单排线机型），两台伺服控制收放线侧张力并反馈摆杆位置偏差值，一台伺服用于硅块进给，另外有包括温度控制在内的辅助控制。控制系统硬件解决方案如图2所示。

图2 控制系统硬件解决方案