多线切方机线管理区的探讨与分析

大连连城数控机器股份有限公司 ■ 刘淑华

一 前言

太阳电池的基础材料是硅晶片，目前，硅晶片的获得主要依靠多线切割机（如：多线切断机、多线切方机、多线切块机、多线切片机等）。多线切割机的工作原理是利用快速运行的钢丝线，运行中喷涂大量研磨砂浆（或直接用金刚石线，不喷砂浆）对工件（单晶棒或多晶体）进行多线切割而获得。

这种切割的特点为：被加工表面质量好不需要研磨；切口小，材料消耗少；效率高，多线同时切割；人机对话，操作方便；全防护，环境清洁。

多线切割机由多个区域组成，如：切割区、线管理区、电机房、浆液区等。其中线管理区是机器必备的重要部分，承担多线切割中的多项功能，结构也相当复杂。

下面就QFA1250型多线切方机中的线管理区进行分析。

二 线管理区的功能

(1)担负切割线的存储和供给，即回收钢线和放出钢线。切割时，收、放线辊同时旋转。放线辊旋转，将钢线送到切割区进行切割；收线辊旋转，将切割区用过的钢线有序的排列回收。

(2)切割过程中，切割线上张力的施加；张力的控制和调节。

(3)配置断线和接地保护装置使机器能安全运行。

三 布局特点

切方机线管理区布置图如图1所示，其布局特点为：

(1)线管理区设有立式隔板，所有机构都装在隔板上，隔板前与切割区相通，切割区在切割过程中要喷涂大量砂浆，当钢线进入线管理区后，会带入砂浆；污物、砂浆会腐蚀电机等金属元件，影响传动件的精度和寿命。设置隔板将前后严格分开，在隔板前面装置执行部分，如收线辊、放线辊、布线轮、张力轮；隔板后则是收、放线辊的驱动电机、滚珠丝杠、轴承等及调节张力的气缸、角度传感器等。

(2)为了保护环境不被污染，线管理区具有独立的开合拉门，并设置观察窗。

(3)所有绕线的轮子，如布线轮、张力轮、过轮等，全部设计成转动灵活，严格密封的结构，选用耐腐蚀的聚氨酯材料。

(4)各种轮子、传动轴都装有气密封(即输入低压气体)阻止赃物侵入。

(5)由于收、放线是线管理区的主要功能，所以各独立装置也分别围绕收、放线辊布置，如左边是收线辊及其收线辊的布线轮、张力轮、插板装置；右边则是放线辊及相连的布线论、张力轮、插板装置。

(6)钢线运行的路径是：收线：来自切割区的钢线→张力轮→过轮→布线轮→收线；放线：放线辊上的钢线→布线轮→过轮→张力轮→进入切割区。两组钢线互不干涉不能相碰。

四 结构特征

图2给出了多线切割机线管理区收方线装置。

图2 线管理区收放线装置图

1 放线辊

担负切割区钢线供应，此件外购；本机采用TA100型标准线筒，当钢线直径为0.25mm时，存线能力为150km。线辊的驱动伺服电机为N=17.5kW。把在箱体上使重量卸荷在隔板上，电机通过联轴器驱动支承轴转动，又通过锥形套蝶形弹簧使放线辊紧固在支承轴上。

2 收线辊

与放线辊并排，驱动装置与放线辊相同，装在左边，回收由切割区出来的钢线。在设计中要考虑线辊的装线量与放线辊的线量相当。收线辊的材料采用高强度铝合金，线辊中间热压钢套，强度高、重量轻，提高载线能力和启动加速度。

收、放线辊采用锥形套定位形式，保证安装时有良好的同心度，机器安装后要检查线辊的径跳。根部≤0.01mm，300mm处≤0.025mm。

收、放线辊都要快速拆装，在线辊的头部伸出处加装蝶簧用以增加锁紧压力，拆装扳手的力矩为180N。

3 线辊的拆装

在线辊上方装有插板机构，当拆装线辊时，首先，停机将插板机构中的插销手动插入线辊的开口中，由接近开关控制，线辊不能转动；此时，方可用力矩扳手拧动锁紧背帽；此后，手动拉出插销，机器启动由接近开关控制发令。如此操作安全可靠。

4 线辊尺寸的控制

为了使切割线运行速度一致，对于新购的放线辊的内外径、重量要认真核对；收线辊的内外直径尺寸、重量准确记录，并记入电控系统PLC，使计算机能准确控制线辊驱动电机和布线电机的转速。经过计算，时时跟踪才能确保线速度一致。

5 回收钢线的处理

收线辊上回收的钢线最后要取出废弃。为了取线方便，线辊两侧留有槽口，可用切断砂轮顺利切断钢线。

五 布线装置

多线切割机线管理区布线装置如图3所示，作用为实现钢线在线辊上有序的缠绕和放出。本机器是设计成一个箱体结构，把在隔板后盖有透明盖板。小型伺服电机驱动滚珠丝杠，并转化成布线杆的前后往复移动，布线杆由两直线轴承支承；布线杆前端连接布线轮拖着刚线在线辊上，按节距有序布线。收线辊绕线节距一般为1.5mm，放线辊上的节距由生产厂家定。拉杆前端用弹性皮腔密封，防止腐蚀。收、放线辊布线装置相同(布线轮除外)。

图3 线管理区布线装置图

六 张力控制装置

1 张力装置的作用

在切割线上施加张力；调节钢线上张力的大小。钢线在切割中必须保持恒定的张力才能有效的切割。

2 结构情况

多线切割机线管理区张力调节装置如图4所示。

连接张力臂的转轴垂直穿过隔板固定在隔板上，张力臂下端连接张力轮，转轴通过杠杆连接两气缸，轴端联有角度传感器。

3 张力的形成

当设定好切割线上的张力值(一般为80N左右)时，机器的控制器PLC就向比例阀提供一个固定的电压值，转变为电信号发给比例阀中的电控阀，进一步给两个执行气缸供气，气缸移动，使张力臂摆动，并带动张力轮压在切割线上，即产生需要的张力。张力臂的摆动角度由两个塑料柱限位。

4 张力的调节

切割中张力轮摆动，通过张力臂带动角位移传感器转动，机器的PLC即可接到角位移传感器发出的信号，并根据线导轮主电机的转速，计算切割线目前的运行速度并对两线辊的驱动电机发出加速或减速的调节信号，仅几秒即可完成同步线速度的调节。机器出厂时，要对张力臂的机械位置及角位移传感器的初始零位进行设定。

七 安全切割及钢线多次使用

1 断线接地报警

多线切割机的薄弱环节是易断线，其原因是钢线较细且同时切割的钢线较多，另外在切割过程中，要喷入大量的研磨浆液形成砂浆帘，机器全防护，即使通过观察窗也难看清。因此，设置断线接地报警功能非常必要。

结构原理是：首先在整个线网上构成一个完整的导电切割回路，即在收、放线辊的转轴上由电损检测装置通过电刷向两轴注入低压电源(5V)，并在轴上安装集流环，通过轴传到收、放线辊注入整体线网，形成一个导电回路。支承轴通过绝缘联轴器与驱动电机(N=17.5kW)绝缘，又通过塑料套、塑料板等与箱体、隔板等绝缘，钢线接触的所有导轮过轮均由塑料制成，具有良好的绝缘性，为断线和接地报警创造了良好的条件。在切割中若钢丝断掉，断开的钢丝与机器任何金属接触则使5V电压接地，机器报警，停机，保证了机器的安全。

2 钢线的重复使用

在切割中钢线可多次使用，因钢线没有方向性，放线和收线可以互换。例如：一次切割放线100m，接着反向切割，放线变收线，收回90m，下次再放线100m，反向再收回90m，经过多次变换，放线辊上的线就全部绕到收线辊上，钢线反复使用提高了利用率，使用户增加了经济效益。

八 结束语

线管理区功能多、结构复杂，在多线切割中起主导作用，合理设计对机器的切割效果影响很大。当前，各种多线切割机的线管理区结构形式各不相同，优缺点也不同。本机器的线管理区经过多次改动，使结构更趋于合理，性能更加可靠。