基于往复渐进运动控制的硅材料电火花线切割研究

摘要

单晶硅片广泛应用于光伏产业,在微电子元器件中,单晶硅片也是应用的最普遍的一种材料。电火花线切割加工是利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工,由于其非接触的加工方式,对加工材料没有应力作用,对于脆性的硅片加工是非常理想的。经过科研人员多年努力,现阶段已经形成了一套相对完整的理论体系和工艺参数库,已经能够对一定电阻率范围内的半导体进行加工,但目前半导体电火花加工中存在的最大技术难题就是加工中的自动伺服控制。硅材料的特殊电学特性使得传统的电火花线切割伺服控制系统所采用的放电状态检测方法失效。为此,提出了“进给-后退-再进给”运动方式的往复渐进自适应控制方法,并围绕该方法展开理论与实践研究。具体工作如下:
　　(1)对硅材料电火花线切割加工中的电流电压特性进行了研究,与金属加工中的电流电压特性进行比较,分析了现有伺服控制系统失效的原因。在此基础上设计了一种基于往复渐进运动控制的电火花线切割总体方案。
　　(2)针对往复渐进运动控制中涉及到的控制参数,提出了一种基于模糊控制的自适应控制算法。设计了自适应模糊逻辑控制器,并在MATLAB平台上对其进行了仿真。
　　(3)对现有机床进行了硬件改造,设计了带有光耦隔离的模拟量检测电路、放电电流检测电路与光栅尺接口电路,组建了由工控机和运动控制卡组成的电火花线切割机床闭环伺服进给控制系统。
　　(4)完成了运动控制卡的配置与往复渐进运动控制程序的设计与调试,同时使用VISUAL C++语言设计了基于Windows平台的控制界面,实现了电火花线切割加工状态的实时监控。
　　(5)根据所提出的往复渐进运动控制方法进行了硅材料电火花线切割加工实验。通过与传统方法加工效果的比较验证了所提出方法的有效性与优越性,并分析了采用所提出的方法能够使工件表面换向纹得到明显弱化的机理。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1课题的来源与意义

1.2国内外研究技术现状分析

1.3 论文主要内容和结构

第二章 往复渐进式电火花线切割加工总体方案设计

2.1 电火花线切割放电模型

2.2 基于往复渐进运动方式的加工方案

2.3 本章小结

第三章 往复渐进运动的模糊自适应控制器设计

3.1 问题的提出

3.2 模糊控制理论简介

3.3 往复渐进运动的自适应模糊控制器设计

3.4 本章小结

第四章 往复渐进式运动控制系统的硬件设计

4.1 系统硬件设计总体方案

4.2 原有WEDM-HS机床介绍

4.3 硬件系统的设计与实现

4.4 本章小结

第五章 往复渐进式运动控制系统的软件设计

5.1 运动控制卡软件设置

5.2基于 Visual C++的上位机软件设计

5.3 本章小结

第六章 仿真分析与线切割实验

6.1 模糊控制算法MATLAB仿真

6.2 硅材料电火花线切割实验

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 后续研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文