力士乐MLC控制器在多线切割机中的应用

王显术

（大连连城数控机器股份有限公司，辽宁大连 116000）

硅棒切割是硅片加工中的一道重要工序，其加工质量的好坏将直接影响后续的加工效率和成品率，硅片作为光伏和半导体领域的主要生产材料，被广泛应用于大规模集成电路和光伏发电产业中。随着集成电路和光伏产业的飞速发展，对硅片的要求越来越高，这主要表现在两个方面：①为了提高硅片产量在切割时不断地提高走线速度，使多线切割机朝着高速的方向发展；②为了提高切割硅片的精度和质量，就要使金刚线更细更坚韧，使多线切割机朝着金刚线直径更细的方向发展[1]。现如今，多线切割机遵循的研发方向是切割晶硅棒料尺寸更大，切割厚度更薄，产量更大，质量更好。对于多线切割机来说，加工辊轴伺服和收、放线轮轴伺服间同步控制以及钢丝线间的张力控制是此类设备的控制关键点，文章中采用的力士乐MLC 运动控制器，通过SERCOS Ⅲ总线连接多套伺服电机，正是解决此类设备控制关键点的最佳组合。

1 多线切割机的发展趋势

作为硅片切割的专用设备，多线切割机是太阳能光伏、半导体产业中重要的生产工艺环节。多线硅切割机的发展趋势如下。

（1）切割效率的提高。多线硅切割机的一个重要趋势是提高切割效率。在光伏、半导体行业的快速发展带动下，我国硅片市场的产量需求不断增加，对多线切割机的切割速度要求越来越高。未来的多线硅切割机将采用更高的切割线速度，来提高硅片切割的效率，从而降低硅片生产成本。

（2）精度的提升。除了切割速度的提高，多线硅切割机还将追求更高的切割精度。高精度的切割可以减少硅片的浪费，提高太阳能电池、半导体芯片的产出率。未来的多线硅切割机将采用先进的控制算法和切割技术，实现更高的切割精度。

（3）异型硅片的切割。随着太阳能光伏技术的发展，越来越多的异型硅片被应用于太阳能电池。传统的多线硅切割机主要适用于标准形状的硅片切割。未来的多线硅切割机将致力于切割各种异型硅片，满足不同光伏产品的需求。

（4）自动化和智能化。多线硅切割机将趋向于更高的自动化和智能化水平。通过引入自动化装载和卸载系统、自动托盘更换系统、自动切割参数调整等技术，减少人工干预，提高生产效率。智能化方面，多线硅切割机将采用先进的传感器和控制系统，实现实时监测和控制，提高切割质量和稳定性。

（5）节能环保。多线硅切割机在未来也将注重节能和环保方面的发展。采用节能驱动系统、能源回收技术等手段，减少能耗。同时，多线硅切割机也将采用环保材料和工艺，减少对环境的影响。

2 力士乐MLC控制器介绍

IndraMotion MLC 系列控制器是德国博世力士乐公司最新推出的新一代自动化运动控制器，其将运动控制、机器人控制和逻辑控制与各种功能融合在一起，让多轴同步更容易，可使用各种功能部件，如导向轴、电子变速箱、凸轮、复杂插补动作等，最多可实现64个伺服轴的同步控制。其内置了EtherNet/IP 和SERCOS Ⅲ总线端口，可实现网络高速控制，工程编辑调试软件IndroWorks 符合IEC61131-3 和PLCopen标准的可扩展的软件函数库，使伺服轴的控制设定更为便捷。力士乐MC 控制器的主要特点和功能。

（1）高性能运动控制。IndraMotion MLC 提供了强大的运动控制功能，能够精确控制各种类型的运动设备，如机器人、驱动器、伺服系统等。其支持多轴、多通道和高速运动控制，可以实现高精度、高速度的运动操作。

（2）灵活的编程环境。IndraMotion MLC 提供了一个灵活的编程环境，可以根据不同的应用需求选择不同的编程语言，如IEC61131-3标准语言、C/C++、Structured Text 等，用户可以根据自己的喜好和经验选择合适的编程语言进行开发。

（3）高级运动控制算法。IndraMotion MLC 内置了一系列先进的运动控制算法，如轨迹生成、插补、同步控制等。这些算法能够实现复杂的运动控制任务，如直线、圆弧、螺旋运动等，满足各种复杂运动需求。

（4）实时系统和分布式控制。IndraMotion MLC采用实时操作系统，具有快速的响应能力和高度可靠性，还支持分布式控制架构，可以实现多个控制单元之间的协同工作，实现更大规模的系统控制。

（5）开放性和集成性。Indra MotionMLC 具有良好的开放性，可以与其他设备和系统实现无缝集成，支持多种通信接口和协议，如EtherCAT、Profibus、Profinet 等，方便与其他设备进行通信和数据交换。

（6）可扩展性。IndraMotion MLC 是一个高度可扩展的控制系统，其可以根据需求扩展多个轴，添加更多的I/O 模块，以及添加其他附加功能模块，如视觉系统、数据采集等，以满足不断变化的应用要求。

3 多线切割机工作原理

多线切割技术是目前比较先进的硅片加工工艺技术，不同于传统的锯片、砂轮等切割方式，也不同于其他的激光切割和内圆切割，其工作原理是使混合有碳化硅微粉的砂浆被钢丝送到切割区域内，钢丝在高速运转时不断摩擦压在线网上的工件，从而达到切割效果，完成切割过程。在整个过程中，钢丝由几个过度导轮引导，在主切割辊上形成丝网，待加工工件由工作台下降进给。与其他技术相比，硅片多线切割技术具有效率高、生产率高、精度高等优点，目前应用较为广泛的硅片切割技术。

依据多线切割技术研制的多线切割机总体结构如图1所示，该机型在结构上左右两侧完全对称，左侧被称为放线侧，包括放线轮、放线排线、放线导线轮和放线张力臂。右侧被称为收线侧，包括收线轮、收线排线、收线导线轮和收线张力臂。设备中间的部分则是切割硅片的部位，包括工作台和3个加工辊，加工的晶硅棒料固定在工作台上。

图1 多线切割机总体结构

晶硅棒料在切割之前，所有金刚线全部均匀排布在放线轮上，通过放排轮、导线轮、放线张力臂后缠绕到3个加工辊上。这3个加工辊上按照切割硅片厚度的要求而平行刻有一定深度的V 型槽，金刚线缠绕在这些V 型槽上形成一排数百或数千按照一定间隔平行排列的金刚线线网，这个线网就组成了切割面，然后金刚线再通过导线轮、收线张力臂和收排线回到收线轮上，3个加工辊通过3个伺服电机拖动，根据设定的线速度正、反向交替运转，从而使金刚线往复运行，逐渐将金刚线从放线轮转移到收线轮上，同时固定放置晶硅棒料的工作台根据给定的位置和速度指令，由上向下缓慢移动，使得金刚线能够进入晶硅棒料里面，最终完成切割加工。

4 基于MLC控制器的解决方案

4.1 控制系统硬件方案

在本方案中控制系统硬件主要由触摸屏、运动控制器、伺服电机、I/O 模块、传感器等组成，如图2所示。触摸屏选用嵌入式PC 触摸屏，主控制单元采用力士乐公司推出的MLC L65运动控制器，收放排线、收放张力臂伺服驱动器选用IndraDrive 系列的双轴控制驱动器，其它轴选用IndraDrive 系列的单轴控制驱动器，伺服电机选用异步伺服电机MAF 和同步伺服电机MSK 系列，采用SERCOS Ⅲ现场总线来完成伺服系统和运动控制器之间的通信。

图2 多线切割机控制系统硬件结构

整个系统的硬件结构基于MLC L65运动控制器为核心，通过触摸屏、伺服电机、I/O 模块和传感器等组件实现对多线切割机的控制和监测功能。MLC L65运动控制器提供了高性能的运动控制能力，使得系统可以进行复杂的运动控制，并通过与其他硬件组件的协作实现多线切割机的控制运行。

4.2 控制系统多轴同步耦合关系

多线切割机的多轴同步耦合关系是指多个伺服电机轴之间协调运动，以实现切割线的准确位置和速度控制。本方案中的多线切割机是由10个伺服电机组成的多电机系统，其中包括3个主电机，两个收放线电机，2个收放排线电机，2个张力控制电机和1个工作台进给电机，其基本关系如图3所示。主电机、收放线电机分别与虚拟主轴同步，收排电机跟随收线电机速度，放排电机跟随放线电机速度，收臂电机和放臂电机工作在转矩模式下输出一定的力矩来维持金刚线锯张力恒定，并通过张力摆杆的位置反映主电机和收放线电机的同步情况，工作台进给电机根据切割工件的位置来调整其速度。

4.3 主电机和收、放线电机的同步、张力控制

在多线切割机中，主电机和收、放线电机的同步和张力控制至关重要，方案中通过虚拟主轴生成运动轨迹，没有理论偏差，没有转速波动，3个主电机分别使用PLCopen 标准函数MC_GearIN（电子齿轮比）指令与虚拟主轴建立1 ∶1传动比例关系，通过使用力士乐的MB_WinderDancerCtrlType01函数指令实现对收、放线电机、主电机之间的同步，张力臂电机控制，下面仅用一个主电机和收线电机的同步控制为例来说明（收放线侧结构相同），程序如图4所示。

图4 主电机和收线电机的同步、张力控制程序

4.4 排线电机控制方法

将同侧的排线电机和线轮电机的转速设定成主从关系，既线轮每转一圈，对应的排线电机控制排线机构向里或向外运动一定的距离，使排线导轮始终精确跟随同侧线轮，当排线机构运行到极限位置或同侧线轮换向运行时，排线电机就会驱动排线机构换向。通过使用力士乐的MB_TraverseControlType01函数指令能较为便捷地实现对多线切割机的排线控制，下面用放线电机和放排电机为例来说明（收放线侧结构相同），程序如图5所示。

图5 收排电机的控制程序

5 结束语

本方案系统中，采用了力士乐MLC L65 运动控制器通过SERCOS Ⅲ总线的方式连接的多套伺服电机，很好地解决了多线切割机的同步控制问题。SERCOS Ⅲ总线采用了以太网的传输机制，通信速率可达到100 Mbit/sec，伺服的同步精度小于20 ns，且最小循环时间可缩短为31.25 μs，刷新时间和不超过1μs 的时基误差保证了各轴之间的同步[2]。此外，MLC L65的编程软件IndroWorks 通过简单设置就可以完成对控制器、网络、伺服电机等现场设备的配置，软件中拥有丰富的函数功能块库，这些函数功能块库包含了各种常用的运动控制算法、运动规划算法、轴控制函数等，这些函数通常已经经过测试和验证，可靠性较高，可以直接在项目中使用，而无需重新编写和调试复杂的控制逻辑，加快了软件开发的速度，缩短了工程人员的编程调试时间，从而大幅缩短了设备的研发周期。这种软件开发的模块化方法极大提高了开发效率，使得设备能够更迅速地投入使用和商业化。