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*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。　　　　
　　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SYSMACNJ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。　　　　
　　SYSMACNJ系列机器控制器是欧姆龙推出的新一代机器自动化控制器，它的高速性与可靠性并重，集运动、逻辑、视觉控制于一体，拥有直线、圆弧等的插补动作功能和电子齿轮、电子齿轮的同步动作功能，通过电子齿轮FB实现同步以及张力调整，可执行zui小500μs的高速运算，实现4至64轴的运动控制。尤其是内置EtherNet/IP与EtherCAT主站，可实现网络的高速控制，SYSMACSTUDIO还有MC功能轴设定功能，使伺服轴设定非常简单。而系统中采用的EtherCAT网络型伺服，其凭借业界zui高等级的性能，可帮助用户有效缩短生产节拍时间。
　　
　　3.2主轴和收、放线轴之间的同步、张力控制
　　
　　主旋转轴设定为主轴，收、放线轴做从轴。首先建立从轴与主轴的基本电子齿轮比，使用MC_GearIN指令建立连接，再使用MC_MoveVelocity启动主轴，以后PID微调的MV输出可通过改变基本电子齿轮比实现对主，从轴之间的同步，张力控制，程序如图3所示。　　　　
　　3.3收线轴和排线轴之间的凸轮控制
　　
　　收线轴为主轴，排线轴为从轴建立凸轮控制，完成收线轮排线。通过SYSMACSTUDIO凸轮编辑器（见图4），能够非常方便创建凸轮曲线，并且能非常方便的调节所创建凸轮点之间的距离，还可以选择不同模式凸轮曲线类型来减少在运动过程中的冲击。并且主轴的方式有多种，可以是实轴，虚拟轴，编码器轴，虚拟编码器轴。满足各种设备和应用的需求。　　　　
　　4、结束语
　　
　　在本系统中，欧姆龙NJ501型控制器通过EtherCAT总线连接多套伺服，形成了解决同步控制的*组合。EtherCAT采用分布式时钟机构，以100μs的刷新时间和不超过1μs的时基误差保证各轴之间的同步，当仁不让地成为市场上zui快的网络。此外，NJ501的编程软件SYSMACSTUDIO，通过简单的设定，即可完成对控制器、网络、伺服以及其他现场设备的配置，通过内部功能块即可完成复杂的运动控制，并可利用*的顺序和运动控制仿真功能在3D环境下预测试运动轨迹，缩短了工程师在现场的反复调试时间，基于对变量的操作也大幅提高了生产性。