数控多线研磨切片系统控制机理研究及应用

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多线切割技术是太阳能光伏发电、大规模集成电路等电子产业中基片加工的创新性的核心工艺和主流技术,可大幅提高出片率、切片质量和生产效率。多线切割机是电子器件制造产业链中的关键装备,广泛应用于单晶硅、多晶硅、人造蓝宝石、人造水晶、光学玻璃、磁性材料、压电陶瓷等贵重硬脆材料的切片加工领域。多线切割机床控制系统复杂,制造技术难度大,其核心技术被瑞士、日本等国家的几家公司垄断,严重制约了我国电子产业链的形成和发展,开发具有自主知识产权的多线切割技术及系列多线切割机床,是突破国外技术垄断和解决产业链瓶颈的迫切需求和关键举措。本课题正是针对此问题,深入系统地研究磁性材料切片专用多线切割机系统控制机理和技术实现途径。(1)论述了多线切割技术的课题研究背景及意义,总结了多线切割技术、多线切割机设备的国内外研究现状和发展趋势,研究了多线研磨切片系统控制的理论和技术基础,阐述了课题研究的重点和难点以及论文的主要研究内容。(2)研究了多线切割机切片系统的张力控制、多电机同步、工作台结构并进行了仿真,对多线切割机切片系统在走线过程中出现的时变情况及由此出现的张力波动、同步误差进行了量化分析。通过仿真和分析指出:切割线张力控制精度和多电机系统的同步控制精度直接决定着多线切割机的切片加工精度和质量。(3)阐述了多线切割机切片系统的张力控制机理。建立了以交流伺服为执行机构的张力控制系统数学模型,提出了PID、单纯形寻优和模糊控制的张力控制系统方案,通过仿真对三种张力控制方法的可行性和控制效果进行了对比分析。重点研究了基于模糊控制的张力控制方案设计及实现。仿真和实验结果表明:基于模糊控制的多线切割机张力控制系统,具有良好的控制精度和鲁棒性,其张力控制精度可达±1N。(4)针对多线切割机切片系统的速度同步控制问题,创建了一种以伺服电机为执行机构的无轴传动速度同步系统数学模型。提出了三种走线系统速度同步控制方法,通过仿真对比,验证了基于最近邻聚类在线辨识的单神经元PID模型参考自适应控制方法具有良好的动、静态特性和抗干扰能力。将控制方法成功应用于XQ300B磁性材料数控多线切割机的速度同步控制系统,确保了高速走线系统的同步速度达到600m/min。(5)针对多线切割机切片系统的切片工艺过程问题,对切割线和被切割材料进行了受力分析与研究,根据切割线的弯曲受力和切割材料去除率的数学关系,提出了一种多线切割机切过程中切割面形变的仿真分析方法。通过调整切割线张力和切割线运行速度参数仿真对比分析发现,提高切割线张力将减小切割线的受力弯曲程度,从而获得更佳平坦的切割率;提高切割线的走线速度,将提高多线切割的切割效率,切割时间的缩短与切割线走线速度的提高成正比。(6)设计开发了一款磁性材料切片专用数控多线切割机新产品—XQ300B型多线切割机,并以该样机为实验测试平台,进行了切片运行状况和切片加工质量的实测,测试结果表明:XQ300B多线切割机运行稳定,张力控制效果好,同步控制精度高,整机技术性能指标和切片合格率达到预期设计要求。本文攻克的数控多线切割机张力控制、同步控制和切片工艺过程等核心技术,有效地解决了磁性材料切片专用多线切割机产品研制和产业化过程中的难题,在数控多线切割机设计制造方面具有重要的理论和技术借鉴作用。
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