淺談一種多線切割機(jī)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

吳學(xué)賓　胡孝偉　陳平　謝耿勛

摘 要：簡(jiǎn)要的介紹了多線切割機(jī)的種類(lèi)和發(fā)展?fàn)顩r以及太陽(yáng)能行業(yè)的現(xiàn)狀，闡述了料擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；多線切割機(jī)；太陽(yáng)能

1 多線切割機(jī)的種類(lèi)

隨著近幾年光伏行業(yè)的不斷發(fā)展，新的工藝、技術(shù)的不斷推出，多線切割機(jī)以其高效率、節(jié)省材料、片厚一致性好，TTV值低等優(yōu)點(diǎn)基本已經(jīng)取代內(nèi)圓切片機(jī)、多刀切割等設(shè)備，于此同時(shí)在壓電晶體、半導(dǎo)體以及藍(lán)寶石切割等領(lǐng)域也在不斷地推廣。根據(jù)切割材料的不同，多線切割機(jī)分為使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類(lèi)，一般游離磨料切割即為多數(shù)硅片切割所應(yīng)用的金屬線表面噴灑砂漿的切割方式；固結(jié)磨料切割即為直接采用金剛石線同時(shí)噴灑切削液的切割方式。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和切割形式的不同又可分為固定切割與擺動(dòng)切割，如圖1為一種固定切割示意，使用游離磨料的固定切割形式的多線切割機(jī)廣泛應(yīng)用于光伏和壓電晶體行業(yè)[1]。擺動(dòng)形式切割又可分為線擺動(dòng)和料擺動(dòng)兩類(lèi)，線擺動(dòng)式切割即以幾個(gè)羅拉（一般為3個(gè)）中心為圓心，通過(guò)電機(jī)帶著轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)線的往復(fù)擺動(dòng)，如圖2所示，這種擺動(dòng)切割方式現(xiàn)被廣泛的應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外的多種多線切割機(jī)中，如日本的高鳥(niǎo)、NTC，國(guó)內(nèi)的湖南宇晶，蘭州瑞德等廠家都擁有這樣的設(shè)備；料擺動(dòng)切割即在傳統(tǒng)固定模式下增加一套機(jī)構(gòu)使得料在下降過(guò)程中自身往復(fù)的搖擺，目前只有瑞士的MEYER BURGER等少數(shù)廠家擁有這種切割方式的設(shè)備。

2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)在多線切割機(jī)的應(yīng)用

自從去年起，美國(guó)和歐盟相繼出臺(tái)政策對(duì)中國(guó)的太陽(yáng)能行業(yè)不斷地打壓，使得國(guó)內(nèi)1/3光伏企業(yè)處于停產(chǎn)、半停產(chǎn)狀態(tài)，多家企業(yè)倒閉。以多晶硅為例，自2011年9月以來(lái)，國(guó)內(nèi)80%企業(yè)已停產(chǎn)，影響波及整個(gè)行業(yè)超過(guò)500億元投資，造成失業(yè)人數(shù)超過(guò)5000人。而LED產(chǎn)品以其無(wú)公害且節(jié)能減排的特點(diǎn)終將成為照明光源的主角。藍(lán)寶石等LED基底材料硬度大、切割難度高，這樣帶擺動(dòng)的金剛石多線切割機(jī)就成為了LED行業(yè)所不可缺少的設(shè)備。

目前，市場(chǎng)上有很多種應(yīng)用金剛石線切割的多線切割機(jī)，只要在送料機(jī)構(gòu)上再加上一套能夠精確、小角度的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)硬脆材料的切割，本文就是介紹這種擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)介紹

本套機(jī)構(gòu)主要的運(yùn)動(dòng)流程就是伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器，減速器輸出端用免鍵軸襯連接直齒圓柱形主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪（此處為從動(dòng)齒輪的一部分），從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)要保證從動(dòng)齒輪與圓弧形導(dǎo)軌的圓心同心，在裝配階段也要盡量保證。其工作原理如圖3：

在切割過(guò)程中，棒料的擺動(dòng)精度直接影響切片質(zhì)量，為保證擺動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)精度我們采用一對(duì)NHK公司的圓弧形導(dǎo)軌，此種導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度可以達(dá)到4μm，完全滿足光伏行業(yè)和LED行業(yè)切片的要求。

在擺動(dòng)過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)需要不斷地?fù)Q向，因?yàn)辇X輪的加工精度問(wèn)題和裝配問(wèn)題所形成的齒間間隙就會(huì)使得在換向時(shí)出現(xiàn)震動(dòng)。鑒于這種情況，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種彈簧壓緊裝置，可以使齒輪在換向時(shí)也可以保持嚙合。如圖4所示，將減速器安裝在一個(gè)可以繞中心軸小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的板上，通過(guò)一組彈簧向下施加壓力，使得減速器固定板可以始終受到向下的壓力，從而使整個(gè)伺服電機(jī)、減速器和主動(dòng)齒輪總是有有繞著中心軸向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這樣就使得主動(dòng)齒輪始終緊密的壓在從動(dòng)齒輪上，保證無(wú)論是由于加工、裝配或是擺動(dòng)換向引起的齒間間隙都能消除，也就保證了切割精度。

同時(shí)如圖4所示，整個(gè)減速器固定板被3組彈簧固定在不動(dòng)基板上，因?yàn)檎麄€(gè)減速器固定板不受軸向力，所以能夠保證其只圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生軸向的跳動(dòng)。

由于棒料所受阻力不會(huì)大于切割鋼線所能承受的拉斷力，根據(jù)這個(gè)原則選擇的齒輪材料和熱處理，以及減速器和伺服電機(jī)，同時(shí)也校核了齒輪的疲勞強(qiáng)度、壽命等，這里不做過(guò)多介紹。由于切割棒料都非常昂貴，為保證切割的安全性，我們?cè)跈C(jī)構(gòu)兩側(cè)加限位開(kāi)關(guān)和硬性限位塊來(lái)保證棒料的安全切割。左右兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)也用來(lái)控制器啟動(dòng)時(shí)通過(guò)左右各擺到限位一次來(lái)計(jì)算中心點(diǎn)，從而保證每次切割都能以中心線為初始點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng)擺動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，此機(jī)構(gòu)擺動(dòng)精確、平穩(wěn)，筆者已將此機(jī)構(gòu)成功應(yīng)用到DXQ-601多線切割機(jī)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此機(jī)構(gòu)能夠使原切割機(jī)切割硬脆材料，而且能夠大大的提高切割效率。今后還將不斷地通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)完善各種材料的切割工藝。此外，此套機(jī)構(gòu)除了用于多線切割機(jī)外還可用于其它需求精確小角度擺動(dòng)的設(shè)備中，具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]彭思奇，戴瑜興，蔣近.LED多線切割機(jī)同步控制系統(tǒng)研制[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012.

[2]張寶玉.淺談擺動(dòng)式多線切割機(jī)原理及應(yīng)用[J].電子元器件資訊，2010.

作者簡(jiǎn)介：吳學(xué)賓（1985-），男，助理工程師，畢業(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)從事多線切割機(jī)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計(jì)工作。