基于直线电机的半导体材料电火花线切割伺服控制研究

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1、中图分类号：TG661论文编号：102870516-S130学科分类号：080202硕士学位论文基于直线电机的半导体材料电火花线切割伺服控制研究研究生姓名王成学科、专业机械电子工程研究方向现代数控技术指导教师罗福源副教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchonthe

2、ServoControlfortheWEDMofSemiconductorMaterialBasedonLinearMotorAThesisinMechanicalEngineeringbyWANGChengAdvisedbyAssociateProfessorLUOFuyuanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2016承诺书本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是

3、本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名:日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要硅是最常用的半导体材料，经切割

4、加工之后的硅片广泛应用于太阳能电池板和集成电路芯片领域。电火花线切割是利用高压脉冲放电蚀除工件材料的一种非接触加工方法，因此非常适合用于切割硬脆性的硅材料。然而，由于硅材料具有不同于金属的特殊电学性质，因而导致传统的基于加工状态判别的电火花线切割伺服控制方法在对硅材料加工时失效。此外，通常的电火花线切割机床采用步进电机控制，控制精度低，且难以适应变厚度材料的加工。为此，本文针对基于直线电机的半导体材料电火花线切割伺服控制技术展开研究，具体的工作如下：（1）针对半导体硅的电流电压特性，研制了专门的电

5、压、电流实时检测电路。分析了硅材料在电火花线切割加工过程中放电电流与电压的变化规律，找出其内在特征，建立一段时间内全面反映间隙放电状况的评价函数，为往复渐进运动控制提供反馈决策依据。（2）设计了多门槛电压的放电电流与电压脉冲检测电路以及基于FPGA的运动控制器，组建了用于半导体材料电火花线切割加工的直线电机伺服控制系统。运动控制器实时地检测和处理电压、电流信号，控制电机的运动。（3）为避免电火花丝切割过程中发生弯丝与断丝现象，提出了“先进给再后退，然后再进给”的往复渐进式进给运动控制策略。在单步追

6、踪法基础上推导了反向直线插补算法，并使用VerilogHDL语言进行了FPGA编程，通过Modelsim仿真对算法进行了验证，实现了能够严格按原轨迹回退的往复渐进式精密驱动。（4）通过半导体材料电火花线切割试验，研究了电流门槛参考电压、放电电流脉冲概率、电压脉冲采样个数与进给速度之间的关系。将模糊控制理论应用于伺服进给控制中，把电流均值偏差和其变化率作为模糊控制输入量，通过MATLAB和FPGA设计了模糊控制器。（5）在电火花线切割机床上使用开发的伺服控制系统进行了半导体硅材料的切割实验，验证模糊

7、控制算法的有效性，基于多门槛电压的电流脉冲概率检测，实现了半导体材料厚度的自适应切割。关键词：半导体制造，电火花线切割，放电状态检测，反向插补，模糊自适应控制，直线电机i基于直线电机的半导体材料电火花线切割伺服控制研究ABSTRACTSiliconisthemostcommonlyusedsemiconductormaterial,siliconwaferiswidelyusedinsolarpanelsandintegratedcircuitsaftercuttingprocessing.Wir

8、e-cutelectricaldischargemachining(WEDM)isanon-contactprocessingmethodwhichremovesmaterialusinghigh-voltagepulse,itisquitesuitableforcuttingthebrittlesilicon.However,thespecialelectricalpropertiesofsiliconaredifferentfromthemetal,thereforethetr