（电气工程专业论文）qp160内圆切片机系统设计和实现.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 s y s t e md e s i g n & a c t u a l i z eo fq p l6 01 d s l i c i n gm a c h l n e s u b j e c t ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ( s i g n a t u r e ) ：m 岈 s u p e r v i s o r ( s i g n a t u r e ) ：中厶 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dt h eq p l 6 0i d s l i c i n gm a c h i n e ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t ，t h es p e c i l i t yo fc n ca n dk e ys k i l l m a t h e m a t i co ft h ec o n t r o l l e dt a r g e ta n dt h ee x e c u t i n gm a c h i n ea r ed e r i v e d , b a s i n go nm e c h a n i c a la n dd i g i t a lc o n t r o lp r i n c i p l e c n cu n i a x i a lc o n t r o l l e ri s i n t r o d u c e dt ot h es l i n gm a c h i n et oo b t a i np r e c i s eo r i e n t a t i o n , w h i c hh a s l l e v e rb e e nu s e db yo t h e r si nc h i n & t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m , i n c l u d i n ga c s e r v o - m o t o r , d r i v e r s ，s 口哪r o d ，a n dg e a rs y s t e m s ，i sa c c u r a t e l yd e s i g n e d t h e d e s i g ni d e o l o g yi sb a s e do i lh i g hp r e c i s i o n ，h i g hv e l o c i t y , e a s ym a n i p u l a t i n g , a n dl a s t i n gr e l i a b i l i t y i nt h ee n d u em a c h i n ei sa c t u a l l yb u i l ta n du s e d c u t t i n g6 s i l i c o ni nt h e t e m p e r a t u r e o f2 0 - 2 5d e g r e eo ft h e f a c t o r y , t h r o u g hc h e c k i n g - u p ，t h e p r e c i s i o nl e v e la p p r o a c h e st h eb e s ti nt h ew o r l d w h i c hi st i n i opm f o r s i n # ec h i p ，t 1 5i imf o rm u t a b l ec h i p s ，a n db o w 1 0i lm t h e m a c h i n er e a c h e dt h ee x p e c ta n dh a dt h ec o m p e t et ot h em a r k e to ft h ew o r l d k e y w o r d ：i ds l i c i n g , u n i a x i a l yc o n t r o l l e r , p r e c i s i o n ，d e s i g na n da c t u a l i z e 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：专棼j ：a 。7 年月2 ：l i 墨 ”i 一 学位论文使用授权声明 本人，举竺鸯1 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：晕j ：耋2 导师签名： 觚妙 07 年。月 阳 前言 第1 章前言 1 1 内圆切片机的发展和现状 为了提高i c 生产线的生产效率，降低生产成本，i c 生产线所需硅圆片直径不断增 大。为了满足硅圆片加工的需要，硅片切割设备一方面向大片径化方向发展，另一方面向 高精度、高自动化及高智能化方向发展。 从世冕半导体工业的发展来看，八十年代中期普遍使用1 5 0 m 圆片，该生产线于1 9 9 6 年发展到鼎盛时期，当时1 5 0 m m 硅片消耗量为世界圆片消耗量的5 0 。1 9 9 0 年开始应用 2 0 0 m m 圆片，该生产线将于2 0 0 3 年达到高峰。于此同时，3 0 0 m m 圆片生产线已于1 9 9 5 年 建成试验性生产线。从世界范围来看，目前已有相当一些i c 制造商、设备供应商和半导 体供应商完成了向3 0 0 衄圆片工艺水平的过渡。但是，硅圆片切割设备技术的发展在i c 生产线建线技术中走在时间的前列。纵观世界i c 生产线的发展，发展速度之快，技术更 新日新月异，给人耳目一新的感觉“1 。 由于集成电路制造工业的重要性，世界各国都比较重视，都积极大力发展各自盼i c 制造工业。i c 器件的基础性材料是半导体硅单晶材料，因此，世界各国对硅单晶材料的 消耗量反映了一个国家的i c 制造业的规模和工艺水平，同时各国硅材料生产及硅圆片生 产水平也代表了一个国家i c 工业的材料基础的实力 由于国家的高度重视和积极扶持，我国半导体产业正在快速发展。2 0 0 1 年在国际电 子制造业的不景气情形下，我国电子制造业是同期g d p 的3 倍。我国电子市场在全球市场 中所占的份额由1 9 9 6 年的2 3 上升到2 0 0 0 年的6 9 9 6 ；同时世界集成电路的平均单价为 2 6 美元，我国集成电路平均单价由0 4 美元升至0 5 美元嘲。我国i c 工业具有发展数量 的空间和具有发展技术的空间，这两大空间，决定了我国在今后一段时期内i c 产业保持 快速发展。当前，我国拥有8 家集成电路芯片制造企业，其中2 家采用2 0 0 咖生产线。正 在建设和计划建设的生产线包括：北京信创( 1 5 0 m m ) 、首钢华夏( 2 0 0 m m ) 、上海先进( 2 0 0 衄) 、 上海贝岭( 2 0 0 m m ) 和杭州士兰( 1 5 0 m ) 等，这些生产线2 3 年内可望建成投产。 拿深圳、上海两地为例：深圳计划在3 5 年内建成8 1 5 条前工艺生产线。上海计划 于2 0 0 5 年前，先行完成4 条8 1 2 英寸晶圆生产线，以实现年产2 4 0 万片，产能1 1 亿 平方英寸的生产目标嘲。 以上项目的建设，为硅材料加工行业提供了广阔的市场。以上海规划年产2 4 0 万片为 例，2 4 0 万片折合2 0 0 m l c z 法单晶硅片2 4 0 吨( 这一数据为日本2 0 0 1 年晶圆单晶硅产量 的十分之一，2 0 0 1 年日本晶圆单晶硅产量为2 1 5 3 吨) 。从目前国内硅圆片加工行业来看， 在我国具有相当规模的半导体材料生产及加工企业中，其单晶硅年产量徘徊在5 0 吨的水 平，并且其生产的硅圆片的数量，较多集中在1 2 5 r m n 圆片的加工范围啪。 硅圆片的加工方法一直延用以下工艺过程： 西安理工大学工程硕士学位论文 晶棒成长晶棒裁切与检测夕h 径滚磨切片圆边( 倒角) 表层研磨 铀亥乎一去疵抛光清洗检验包装啪 硅圆片切片工艺过程中多应用内圆切割技术，该技术于二十世纪七十年代末发展成 熟。 随着硅圆片直径的增大，内圆切割工艺中所需内圆刀片尺寸增大，刀片张紧力也相应4 增大。同时刀片刃口的加厚增加了切割损耗，高速切割使硅片表面的损伤层及刀具损耗加 大。这些缺点使内圆切割技术在大片径化方向中提高效率，降低生产成本受到制约。加之 当时内圆刀具制作上的困难，基于这种情况，国际上又发展了一种多线切割( 后简称线切 割) 技术工艺方法m 。 1 1 1 内圆切割技术与线切割技术分析 2 0 0 咖以上规格硅单晶圆片切割加工可采用内圆切割技术或线切割技术两种切割 方式。在硅圆片规模化生产中，线切割技术作为主流加工方式，逐步取代传统的内圆切 割技术方式。但在所有硅材料切片加工中，内圆切割技术与线切割技术在实际应用中互 为补充而存在。 众所周知，随着硅圆片直径的增大，内圆切割技术的缺点使硅片表面的损伤层加大 ( 约为3 0 4 0 微米) 。线切割技术优点是效率高( 大约为内圆切割技术的6 8 倍。在 8 小时左右切割过程中一次可切出4 0 0 圆片左右) 。切口小，硅棒切口损耗小( 约为内 圆切割技术的6 0 * , 6 ，这相当于内圆切片机切割6 片圆片而节约出1 块圆片) ，切割的硅 片表面损伤层较浅( 约为1 0 1 5 微米) ，片子质量人为因素少 但线切割技术同内圆切割技术相比有其明显的弱点m ，一是片厚平均误差较大( 约 为内圆切割技术2 倍) 。二是切割过程中智能检测控制不易实现。三是切割过程的成功 率要求较高，风险大，一但断丝而不可挽救时，直接浪费一根单晶棒。四是不能实现单 片质量控制，一次切割完成后，才能检测一批圆片的切割质量，并且圆片之间切割质量 也不相同。在这些方面，内圆切割技术却显示出其优越性来。具体表现在：( i ) 切片精 度高。( 2 ) 切片成本低，同规格级的内圆切片机价格为线切割机价格l 3 l 4 ，线切 割机还需配置专用粘料机。( 3 ) 每片都可调整。( 4 ) 小批量多规格加工时灵活的加工可 调性( 5 ) 自动、单片方式切换操作方便性。( 6 ) 低成本的辅料( 线切割机磨料及磨料 液要定时更换) 。( 7 ) 不同片厚所需较小的调整时间。( 8 ) 不同棒径所需较小的调整时 间。( 9 ) 修刀、装刀方便。八十年代中后期人们普遍认为：随着硅晶片大片径化发展， 线切割技术是硅片切割的主流技术，在规模化晶圆片切割中将取代内圆切割技术。因此 人们加大了对2 0 0 m 以上线切割机的研究，以解决其技术不足。例如1 9 9 6 年7 月，日 本日平外山公司研制成功3 0 0 咖晶圆片线切割机( m n m 4 4 4 ) 册。 切片机已广泛应用于半导体材料、石英、陶瓷、铁氧体、铌酸锂等硬脆材料的切 割，是半导体加工的重要工序，在国内外许多材料加工单位普遍采用【5 1 。切片机直接影 响到晶片的成本、质量以及各种性能。目前，晶片切割主要的方法有金刚石内圆切割和 2 前言 线切割但是作为成熟工艺技术的内圆切割技术在大直径化发展方向上并没有失掉其有 利的地位，并随着i c 器件大片径化发展同时其技术不断创新。1 9 9 8 年1 月，日本旭日 金刚石工业公司推出t - _ s m - - 3 0 0 内圆切片机，标志着内圆切割技术又上了一个新的台 阶。可喜的是，这种设备在刀片直径增大情况下，仍采用较小的刀口厚度( 0 3 8 m m ) 。 从相对意义而言，这种较小的刀口厚度降低了刀口硅材料消耗。并且，该内圆切片机设 计制造采用了一系列先进技术，使刀口处宽度变化控制在0 3 6 一o 3 8 枷。这与2 0 0 m m 晶圆片切片加工时的刀口宽度的摆幅变化( o 3 4 0 3 8 ) 是一样的。由此可见3 0 0 m m 内 圆切割设备制造精度和工作动态精度之高。由于内圆切片机晶棒端磨技术，切割过程中 的自动修刀系统及刀片导向系统以及动态检测和自诊断系统等智能化技术的应用，以单 片切割质量的控制成为优势条件，使内圆切片机切片质量很高( 3 0 0 m 片子的平均厚度 变化差在0 o l m 以内) ，为i c 器件提供了优良的晶圆片。同对，机械手自动单片取片 也使连续切割的成片率的可靠性大大提高。 根据实践经验，内圆切割技术与线切割技术在实际应用中互为补充而存在。同时 我们认为：( 1 ) 在新建硅圆片加工生产线上，规模在年产量达5 0 吨以上硅单晶加工生 产线，并且圆片品种主要针对较大数量集成电路用硅圆片时，切割设备选型可定位在线 切割机上，同时大规模、单一硅圆片品种( 主要指圆片的厚度规格品种) 的太阳能级圆 片加工，切割设备选型也可定位在线切割机上。厚度规格品种的多少，直接关系到线切 割机排线导轮备件的多少。该排线导轮目前国内无法配套，国外供应商配套，价格较高。 频繁更换排线导轮增加了辅助时间，还会增加线丝的浪费( 2 ) 生产规模较小的生产 单位或多品种硅圆片生产并具有较大规模的生产单位，在设备选型上，应首先考虑选用 内圆切片机。 1 1 2 国内外内圆切片机设备技术概况 在国内引进的内圆切片机机型中主要有瑞士搬b 公司和日本东京精密株式会社 ( t o k y o ) 两公司的内圆切片机机型。这几年随着国外硅片生产公司的设备更新，在国 内引进了二手的日本t o y o 公司生产的2 0 0 咖规格的切片机，但数量不是很多。舭b 公 司以卧式机型为主，t o k y o 公司以立式机型为主嗍。在切片机主轴支撑方式上，m b 公 司以空气轴承为发展方向。t o k y o 公司以滚动轴承和空气轴承两种形式发展咖。由于以 空气轴承支撑的主轴结构的内圆切片机，在技术和制造成本上较高，因而其价格比以滚 动轴承支撑的主轴结构的内圆切片机高出近1 0 万美元。因而，t o k y o 公司以滚动轴承 支撑的主轴结构的切片机为主要发展方向，腿b 公司的产品中1 5 0 m m 主流机型有t s 2 3 、 t s 2 0 2 ( t s 2 3 增强型) 两种。2 0 0 咖的主流机型有t s 2 0 5 、t s 2 0 6 两款机型。t s 2 0 5 机型 主要用于2 0 0 1 m 晶捧齐端头、切样片和切断，t s 2 0 6 机型则是集中了内圆切片机所有现 有技术的机型。t o k y o 公司的t s k 系列内圆切片机中，1 5 0 唧2 0 0 姗规格机型有s l m - - 2 2 7 d ，s l m 一2 2 7 d r ，s u l 4 3 4 e ，s 一埘一5 3 4 b 机型，其产晶档次和技术含量随 型号的大小而增加”，。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 0 0 2 年3 月2 6 日2 7 日在上海国际展览中心举行国际半导体设备与材料展览暨研 讨会( s e m i c o n c h i n a2 0 0 2 ) 期间，除了m b 公司继续宣传他们的内圆切片机和线切 割机外、t o k y o 公司没有专项宣传切片机机型，在他们的宣传资料中涉及到切片机内容 也不多，这可能与t o k y o 产品战略调整有关，t o k y o 产品开始涉及到后封装设备，研磨 抛光和化学机械抛光领域了。， ， 在线切割机方面t o k y o 公司抛弃了自行设计的多线锯w s l 一3 0 0 一5 0 0 ，转而把 瑞士h c t 公司多线锯系列作为经营对象。m & b 公司内圆切片机同2 0 0 1 年北京展示的相 同，仅推荐t s 2 3 、t s 2 0 6 两种，t s 2 3 机型是在原机型上加装了防护罩，使操作环境变 好。t s 2 3 机型的生命期己延续了2 0 年之久，该机型在国内用户中也反映良好。内圆切 断机为t s 2 0 5 、t s 2 0 7 两种。搬b 同t s k 不同，该公司一直从事材料切割技术研究工作。 国内在内圆切片机研制中仅有信息产业部电子第四十五研究所。其内圆切片机机型 在国内硅片切割行业应用的范围涵盖了从中5 0 到_ 【p 2 0 0 m 图片的切片加工，q p - - 6 1 3 机型应用范围为中中1 2 5 m 0 1 5 0 m m 圆片切割加工，q p 一8 1 6 机型应用于0 2 0 0 m m 圆 片切割加工。这些机型技术层次为国外九十年代初期的水平。 在以上诸多机型中以t s 2 0 6 ，s l m 一5 3 4 b 两种机型集中了当今内圆切片机制造的 最高技术。但是需要指出的是，这些主要技术停滞了将近1 0 年。其技术特点主要体现 在以下几个方面： ( 1 ) 精密主轴制造技术：不论是采用空气静压轴承支撑的主轴技术还是以精密滚 动轴承支撑的主轴技术，都是保证切片机主轴高精度、高寿命及保证切片质量的关键技 术。 ( 2 ) 精密伺服定位技术：这是保证切片机切片厚度均匀、误差小，减少磨片时间 的关键技术。 ( 3 ) 机械手技术：保证切片后可靠的取片，减少片子意外损坏的技术。 ( 4 ) 自动检测技术；是刀片导向系统及自动修刀系统应用和单片质量控制的前提 条件。 ( 5 ) c n c 控制技术：对机器进行控制及保证自动检测技术应用的一软硬件技术。 ( 6 ) 直流伺机服技术：保证切片质量，提供可靠的驱动动力的技术。 ( 7 ) 精密滚动导轨：保证切片时片子的平行度、翘曲度、粗糙度机械导向技术。 ( 8 ) 端磨技术：提高片子表面弯曲度、翘曲度和表面粗糙度的技术。 1 2 课题来源与意义 北京京仪世纪自动化设备有限公司电子材料与设备分公司就客户要求，决定设计、 生产q p l 6 0 型卧式内圆切片机。客户要求在机床操作简单的前提下，提高切片速度，改 善切片的平行度，每次可自由更换一次切片的数量，减少飞片率。 前言 意义： ( 1 ) 利用c n c 技术实现精密内圆切片机的控制，探索出一条制造经济高效、精密可 靠内圆切片机的思路。 ( 2 ) 该设备的研制成功不仅能够增加企业产品数量、提高本企业的经济效益，同 时也解决了晶圆生产厂同类产品依赖进口的现状。在设计过程中借鉴、吸收国外相同、 相近产品的优秀技术和成果，也为产品的智能化、大直径切削设计生产提供了有益的借 鉴。 1 3 论文工作的主要内容 对q p l 6 0 内圆切片机系统被控对象及执行机构进行了研究与分析，并根据数控机 床的相关知识和有关数据，建立了被控对象和执行机构的数学模型，并对该模型进行了 动态、稳态分析提出了在内圆切片机上采用c n c 单轴控制器来实现进料系统精密控 制，并做出了由交流伺服电机及驱动器、高精度滚珠丝杠、精密齿轮系组成高精度传动 系统的设计方案，针对设计方案详细的给出了设计计算过程及核定验算，并给出了工业 现场调试和运行实验结果。具体内容如下： ( 1 ) 0 p 1 6 0 内圆切片机的总体方案的确立。 ( 2 ) q p l 6 0 内圆切片机进给系统的建模与分析。 ( 3 ) q p l 6 0 内圆切片机的机电系统设计计算。 ( 4 ) q p l 6 0 内圆切片机的调试与实验结论。 西安理工大学工程硕士学位论文 第2 章数控切片机机电系统总体方案与工作原理 2 1q p l 6 0 切片机的工作原理及主体结构简介 切片机的工作原理就是让被切割的棒料精确进给后让高速旋转的内圆刀片做上下运 动以实现将半导体棒料精密切割成需要厚度的片料，以供半导体后续加工使用。切片机的 主要结构包括六部分：刀盘、主轴座、立柱、底座、工作台、主传动、进给传动( 见图 1 - 1 ) 。立柱与底座分开制造，用螺钉牢固连接在一起。立柱和底座内腔合理地布置许多加 强筋，保证在承受各种载荷时有良好的刚性。底座内腔后侧放置液压站，前侧充当电器箱， 使外观简洁，减少占用空间。立柱前端靠近刀盘侧装有操作箱，工作中方便可靠。工作台 分为两部分，一部分底部通过燕尾导轨与底座相连，并通过液压动作。另一部分是双向调 节机构，能够保证进料轨道与刀盘垂直。主轴座是一等臂横梁，中间通过定位轴与立柱连 接，主轴安装在横梁一端，另一端与主传动连接。主传动上下运动带动主轴上下运动，实 现刀盘切削。刀盘部件是通过压刀盘将刀片压紧在回转盘上，并通过压刀螺钉紧刀，调整 刀片张力及刚性。回转盘通过锥孔与主轴连接，高度同轴以保证切削质量。刀盘上装有3 路水冷管，用来冷却刀片和冲洗刀盘，刀盘外装有防护罩，避免切削液飞溅。进给部件是 伺服电机带动齿轮传动给精密丝杠，丝杠转动带动丝母做直线运动，实现晶锭的进给。 图2 - 1q p l 6 0 切片机外观图 f i g 2 1f a c e so fq p l 6 0 2 2 切片机工艺要求 根据切片加工工艺要求每片切割时可以根据生产情况切0 0 5 - - 9 9 m m 任意厚度的薄 片，要求机床精度商，运行平稳，无震动。切割精度 o 0 1 r a m ，每片硅片的平行度 o 0 1 r a m ， 切片机机电系统总体方案与工作原理 表面粗糙度 3 2 l i m ，定位精度0 0 0 5 m 。要求切割片单片1 u r v l o um j 多片t t v 1 5 u i l l ，弯曲度b o w 、 1 5 l i m 。 q p l 6 0 机床性能指标如下表： 表2 - 1q p l 6 0 性能指标表 型号尺寸 工件长度( m ) 5 5 0 工件直径( m ) 1 6 0 0 9 9 9 9u m 片厚设定 范围误差：5 p m 水平：l o 工件定向精度 垂直：7 7 料盒容积 1 6 5 事1 8 5 乖6 0 0 自动切片设定组片数 o 一9 9 每组最后一刀增加切深时间( s ) 0 9 手动进给速度 1 2 5m m i n 手动返回速度 1 2 5m m i n 刀盘进给速度：o 一1 2 5 m m i n ( 无级) 切割运动 返回速度：7 5 0 m m i n 切割重复精度： 5 l l m d c1 5 k w ( 2 h p ) ，2 3 0 v ，5 0 - 6 0 1 h ， ， 主轴电机 额定转速：1 7 5 0 p r m 扭矩：o 4 5 公斤 液压电机：三相交流0 7 5 k w ( 1 2 h p ) 液压系统油箱容积：2 6 公升 系统压力：1 5 0 p s i 刀片冷却：去离子水或恒压无杂质自来水 冷却系统 流量：2 l m i n 1 0gph 2 3 数控总体方案 在工作中，为了实现客户提出的性能及各项要求，电气系统采用可编程控制器c n c 数字控制( 内部带有p l c ) 、触摸屏( f l m i ) 和交流伺服电机n 埘，可靠的实现了切割全过程 控制。配合由高精度滚珠丝杠、精密齿轮系组成高精度进料传动系统，具有参数输入方便、 送料精度高、工作台低速运行平稳、可靠和维护方便等特点根据切片加工工艺要求每片 定位精度o 0 0 5 ，只对定位指标提出要求，其他并无复杂的刀具路线，所以选择简单的 c n c 单轴控制器，控制上采用了高速微处理器，超大规模定制式集成电路芯片，多层电路 板；显示器采用了高分辨率的液晶屏，全屏中文菜单操作界面，直观，操作更加简化，明 了。整个工艺采用表贴元件，从而使整套系统紧凑，体积缩小，系统的可靠性进一步提高。 采用新方法后与传统设备各项性能比较如表2 - 2 ： 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 - 2 比较表 新设备传统设备 c n c 控制，液晶显示，键模拟电路或p l c 控制，拨 控制环节 盘参数设定，故障报警，码盘设定，无故障报警。 自动停机保护。 界面直观，多程序调用，无人机交互界面，现场设 操作环节各参数屏幕显示，易学易定程序，参数显示不集 用。 中，掌握困难。 单片t t v i o l i m单片t t v 2 0 p m 切片质量 多片t t v 1 5 l i m 多片t t v 5 0 i i m 弯曲度b o w 1 5 “m弯曲度b o w 3 5 lm 2 4 数控系统特点 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l 缩写为n c ) 简称为数控“”，是指用数字指令来控制一台 或多台设备的动作。它所控制对象有以下几种： 1 动作顺序的程序控制。 2 主轴、坐标进给速度、更换刀具、开闭冷却液等辅助功能控制。 3 有关部件位移量和相对位置关系的坐标控制。 数控技术是与机床的控制密切结合而发展起来的，通常把采用数控装置来实现自动化 和高效率加工的机床统称为数控机床。在实现加工合理化及高效率方面，数控机床与普通 机床相比具有许多优势，它突出地表现为： 1 数控加工是用机械加工多品种，小批量生产的一种自动化手段。自动化程度高、加 工速度快是数控机床的突出特点。 2 数控加工能保持加工条件不变，而使产品质量稳定。由于加工所的条件( 吃刀深度、 进给量、主轴转速、刀具等) 都己事先由指令规定，所以无论由谁操作都能得到同一加工质 量。 3 数控加工极大地提高外形复杂零件的加工效率和加工精度。 4 通过数控加工的零件，由于提高了工件与基准面相关尺寸的加工精度，有可能大大 提高零件装配的互换性，而提高装配质量和效率。 5 由于加工时间固定，有利于管理，更进一步促使加工定量化，以达到生产管理的合 理化、标准化。这为实现计算机管理生产乃至建立计算机集成制造系统都打下了坚实的基 础。 6 由于操作技术被数据化后，熟练工人就可以减少。 8 切片机机电系统总体方案与工作原理 数控机床具有以下优点： a 、高精度化 当代工业产品对精度的要求越来越高，近十年来，普通数控机床的加工精度已由1 0 p m 提高到5 i i m ，精密加工中心则从3 5 l a m 提高到l 1 5 u m ，并且超精密加工精度己 开始进入纳米级( o o l | im ) 。超精密加工机床在向更高精度( 纳米级) 发展的同时，也向 高效率、和大型化发展。与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技 术得到了应用和发展，机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、温度影响小的新型材 料，如：花岗岩、精密陶瓷等，使得数控机床的各项精度越来越高。 b 、高速度化 提高生产效率是机床技术发展的永恒主题，这也表现在提高机床主轴的转速上。中等 规格的机加中心的最高转速为4 0 0 0 - 6 0 0 0 r p m ，到了九十年代，则达到8 0 0 0 - 1 2 0 0 0 r p m ；另 一方面，坐标轴的快速移动速度的提高，换刀时间和托盘交换时间等非切削时间的缩短， 也使机床的加工效率大幅提高。 c 、高柔性化 ， 当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求。如铣削加工中心可 以铣削、钻孔、攻丝等。这种将各种加工功能在一台机床上进行集成，均是为了在一台机 床上实现一次装夹就能完成对零件的不同加工要求，这充分展示了机床加工的柔性，并有 利于提高加工精度。 d 、高自动化 自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务。传 统的自动化往往与大批量生产联系在一起，使用大量的专用设备和组合机床。而目前可以 通过数控机床和机械加工中心，既可在大批量生产中实现自动化，也可在小批量、多品种 产品生产中实现自动化加工 e 、造型宜人化 好的数控机床不仅功能齐全、操作安全可靠j 性能良好，而且要成为外观宜人和符合 操作人体学的一件艺术品 f 、操作简单化 从l e d 显示到t f t 液晶显示，操作从按大量按钮到菜单选择甚至对话框操作使操作越 来越简单，显示信息越来越多、越来越明快。 g 、高可靠性 大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。同时，数控机床的这些 特点也使得机床的数控化不仅从传统的铣、锉、车、钻一类切削机床，日益广泛地向磨床、 压力机等塑性加工机床、绘图机、气割机等特殊加工设备方面发展，也向柔性制造系统 ( f m s ) ，高速机床、专业机床发展。应用范围日益扩大。但是，数控机床毕竟是一种高自 动化的设备，技术复杂、成本较高，从其使用的经济效益出发，在目前阶段，特别是在我 西安理工大学工程硕士学位论文 国，仍多用于精度高、形状复杂的批量零件的加工。 数控系统主要是利用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技 术。数控系统由程序输入输出设备、数控装置、可编程逻辑控制器及主轴、进给驱动装 置组成。本设备数控采用新一代控制全数字伺服的经济型单轴控制用数控系统，控制电路 采用了高速徼处理器，软硬件结合，形成一个具有特定的功能的计算机数控系统，使用该 系统能够完成零件程序的输入编辑，译码，数据计算，插补和伺服控制等工作，全部操作 可在高分辨率的液晶屏上进行，当需要进行参数或程序的设计和修改时不需外加设备可独 立进行。 数控切片机伺服进给系统的分析 第3 章数控切片机伺服进给系统的分析 3 1 数控系统 数控系统由程序输入输出设备、数控装置、可编程逻辑控制器及主轴、进给驱动 装置组成“2 1 如下图3 一l ： 图3 - 1c n c 系统图 f i g 3 - is y s t e m o f c n c 图3 - 2c n c 软件组成图 f i g 3 - 2 s o f t w a r eo f c n c 数控系统的核心是c n c 装置，c n c 装置由软件和硬件组成“”如图3 2 。主要功能是： ( 1 ) 正确识别和解释数控加工程序：( 2 ) 对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理。完成 各种输入输出任务。其数控功能由硬件和软件共同完成。硬件部分包括中央处理器( c p u ) 、 存储器、输入输出接口。按做处理器的个数可分为单片机处理器和多微机处理器图3 - 3 为单处理器结构简图； 1 1 西安理工大学工程硕士学位论文 图3 - 3c n c 中c p u 组成图 f i g 3 - 3 c p ui nc n c p l c 处于c n c 装置和机床之间，分为输入接口和输出接口输入。接口接受的是机床操 作面板的开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号。输出接口是c n c 向机床电气系统中 继电器接触器等发送的动作指令。用p l c 程序代替以往的继电器线路实现m 、s 、t 功能的 控制和译码即按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停，刀具的更换、工作的夹紧、松 开、液压、气动、冷却、润滑系统的运行等进行控制。即c n c 系统与机床之间的的接口信 号通过p l c 实现“”如下图3 _ 4 所是： 图“c n c 中p l e 接口图 f i g 3 4 c o n u e c to fp l ci nc n c 数控切片机相服进给系统的分析 3 2 交流伺服系统 3 2 1 进给电机的选用原则 对于切片机来讲，进给系统是主要的组成部分，选用的好坏直接影响整个机床的精度 和片体的质量。在当前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式 交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中为了适应数字控 制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动 机“”。虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上存 在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较： a 、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3 6 。， 1 8 。，五相混合 式步进电机步距角一般为0 7 2 。、0 3 6 。如德国百格拉公司( b e r g e rl a h r ) 生产的 三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1 8 。、0 9 。、0 7 2 。、0 3 6 。、 0 1 8 。、0 0 9 。、0 0 7 2 。、0 0 3 6 。；交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码 器保证。以安川全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由 于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于带1 7 位编 码器的电机而畜，驱动器每接收2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒。是步距角为1 8 。的步进电机的脉冲当量的1 6 5 5 。 b 、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况 和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工 作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步迸电机工作在低速时， 一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分 技术等；交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统 具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ， 可检测出机械的共振点，便于系统调整。 c 、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急 剧下降，所以其最高工作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m ；交流伺服电机为恒力矩输出，即在其 额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r 蹦) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒 功率输出。 d 、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载 能力。以安川交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转 矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力， 在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间 又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 e 、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现 丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进 西安理工大学工程硕士学位论文 行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的现象。 f 、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以安川s m a4 0 0 w 交流伺服电机为例， 从静止加速到其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。关键对于切片机来讲控制 精度和低频特性尤其重要，控制精度高，保证每片之间的误差小，在实际应用中，电机进 给的转速大约为1 0 0 0 r m i n ，要求低频特性好。基于以上考虑选用交流伺服电机作为进给 驱动。 ， 3 2 2 伺服进给系统各环节的数学建模 伺服系统主要由功率逆变，p w m ，位置控制，速度控制，电流控制，电动机及位置 检测元件等部件组成。系统组成如图3 5 所示。伺服系统中有电流环，速度环，位置环， 其中分别对应有电流调节器，速度调节器，位置调节器；通过对应的调节器控制可以实现 系统的稳态精度，动态特征等控制目标i 堋。 电流环和速度环均为内环。电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰 限制最大电流，保障系统的安全运行。电流环中的电流调节器输出控制电压与外加调制电 压叠加送入脉冲形成，分配和驱动环节，从而控制i g b t 通断时间，调节p w m 对电机输 出的平均功率，通过电流传感器检测电枢回路，形成电流反馈环节。 图3 - 5 伺服控制系统原理图 f i g 3 4s e r v o - p a c kd i a g r a m 速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度的波动。根据系统对各个控制 环的要求，对速度环和电流环均可采用p i d 控制一提高系统的快速跟踪能力。速度环中 速度调节器的输出作为电流调节器的给定量应限制在一定的幅值内。速度环采用比例调节 器控制方式时，若比例系数过大，电机的响应特性可能会变成震荡，而且仅采用比例控制 时，也不能完全补偿外加负载所引起的扰动。因此，通常采用比例积分控制方式以改善输 出响应，并在稳态实现无差控制。在某些情况下，还会加上微分控制作用，以提高系统的 快速性。但是微分作用会加宽系统频带，使系统抗干扰能力降低。 位置环作为系统外环，其作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能。半闭环结构以 1 4 数控切片机伺服进给系统的分析 伺服电机轴的角位移为反馈量。位置环的位置检测元件( 编码器) 将运动机构实时的位移 或角变化以脉冲形式传输到控制设备中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息。位 置环的给定可以使操作人员在现场及时输入期望的位置数据，也可以是由按照编好的运动 轨迹程序给出位置信息。 a 三相p m s m 及其驱动装置 p m s m 采用三相交流供电，具有多变量、强藕和、及非线性等特点，所以控制较为复 杂。为使伺服电机具有高性能控制性，须采用矢量进行线性化解藕。 基于矢量变换控制电机，在坐标变换过程中功率不变，即变换前后电动机各功率和电磁转 矩，应于原坐标系内的值相同。选择永磁体基波磁场的方向为d 轴，而q 轴为沿着旋转方 向转9 0 。角度，d q o 坐标系随转子旋转，旋转速度为转子速 度，其结构如图3 - 6 所示“目。 t 图3 击三相电机磁场图 f i 9 3 6 3 由m o t o rm s g n e t i cf i e l d 在面坐标系上可得三相p m s m 的电压平衡方程式： u = 凡i q + l 护i + ll d i d + l v f u d = r i 。+ l d p i 4 一d r l q i 电动机的电磁转矩为： t l = 三p 。眵，+ 也+ 厶) 】 电动机的机械运动方程式为： t 一= t l + b i ) + j d jd t 式( 3 一1 ) 式( 3 - 4 ) 中： ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 凡定子电阻； l = k = k 电枢电感： p 馓分算子； 。转子角频率； t l 负载转矩； p i 电动机极对数；。 b 摩擦系数； d 带予机械旋转角速度； j 电动机转动惯量； v ，永磁体产生的恒定磁通； “、i 。、u a 、i d d 、q 轴的电压和电流。 当采用电流控制s p 删方式的近似线性化解耦“”方案时，控制电枢电流矢量与转子磁场方 向成9 0 。，可使i a = 0 ，即电枢电流矢量中仅含有q 轴分量。 由式( 3 一1 ) 得：u q = i i i i 。+ l p i 。+ 。1 l ，f ( 3 5 ) 由式( 3 2 ) 得：u d = ，u i 。 ( 3 6 ) 由式( 3 - 3 ) 得：t = r v ，i 。= k ti 。 ( 3 7 ) k t 为转矩系数 由式( 3 5 ) 得：p i 。= u j k c r x i k 一，v f k ( 3 8 ) 由式( 3 4 ) 、式( 3 - 7 ) 得：d w i d , = k d j _ t l j _ b 霄j ( 3 - 9 ) 由式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 得三相p m s m 状态方程： | _ 一 l i 一 i 由式( 3 1 0 ) 得三相p m s m 结构框图( 图3 7 ) + 图3 7 三相p 1 4 s m 结构框图 f i g 3 - 73 由p k s md i a g r a m ( 3 - 1 0 ) 在假设占= 0 的条件下，将上图的积分环节以i s 代替，就得到拉氏变换后的数学模型 1 6 数控切片机伺服进给系统的分析 y i ：! ：= ：l 二、 t 。- t ；同时，为了把系统较正为典型的i 型系统，在g 。( s ) 中加入了比例微分环节 促s + 1 ) ，以便与g 2 ( s ) 中控制对象传递函数分母中的( 易，+ 1 ) 对消。如图3 1 4 显然当受扰动 的传递函数符合3 - 2 3 式。在扰动情况下，设m 协冬带入3 2 4 式中 图3 - 1 4 典型i 型系统在一种扰动作用下的结构图 f i g 3 - 1 4d i a g r a mo ft y p i c a lis y s t e mw i t ho n ed i s t u r b x c o i 警j s i ( 丽t s + 1 ) 翌。i 乏j j n j k 画2 j ( i t s 了丽+ 1 ) ( 3 2 5 ) s 邵+ 1 ) 设定k k ，k 产刍则 a c ( s ) 瓦万n 瓦k 驴2 t ( f t s 丽+ 1 ) 利用拉氏变换可得阶跃扰动后输出变化量过渡过程的时间函数如下： 。面2 。n k 2 m1 ) 【 m 弘专- ( 1 _ m 弘 去+