CN101817209A - 一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法 - Google Patents

Abstract

一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法，属于大尺寸人工晶体的精密切割加工技术领域。其特征是使用光电位置检测元件，实时检测金刚石线锯位置偏移量，并反馈给计算机控制系统，控制工作台做出相应的位置、角度调整，从而使线锯向降低切割偏差的方向移动，实现切割纠偏。本发明的效果和益处在于采用非接触式的线锯位置检测和线锯纠偏动作，可以避免对线锯的接触式检测和纠偏所带来的磨损；另外，本发明所采用的基于偏差反馈的纠偏策略，较之通过提高机床精度以降低切割跑偏的方法，可以在不显著提高线锯切割系统造价的同时，对大尺寸工件的线锯精密切割获得良好的纠偏效果。理论上本发明可以得到17μm的最高纠偏精度。

Description

一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法

技术领域

本发明属于大尺寸人工晶体的精密切割加工技术领域，涉及一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法。

背景技术

随着光电子、强激光等高技术领域的发展，对大尺寸硬脆材料的切割提出了更高的加工精度和质量要求。金刚石线锯采用电镀到钢丝基体上的固结金刚石磨料对材料进行切割，具有切割质量高、切缝小、可切割大尺寸工件的优点。其切割范围不仅包括石材、玻璃等普通硬脆材料，而且可以用于宝石、硅片、功能晶体等贵重材料。随着美国国家点火装置(NIF)的即将运行和激光惯性约束核聚变能源技术日益得到各个国家的高度重视，作为激光惯性约束核聚变用倍频晶体和电光开关关键元件的大口径软脆晶体磷酸二氢钾(KDP)晶体将有越来越多的需求。作为从大尺寸晶体坯料制成大尺寸平面镜头(410mm×410mm×10mm)的前道工序，精密切割能够为后续的精密和超精密加工提供具有较好平面度、平行度、低损伤值的切片是至关重要的。当切割尺寸在500mm左右，传统的带锯切割由于极易产生崩边、脆裂等导致昂贵的晶体材料报废已经无法适用。目前大尺寸脆性材料的切割可包含带锯切割和线锯切割。然而在KDP晶体的带锯切割中，因为带锯锯片的振动，经常发生晶体碎裂的情况，这对于贵重晶体而言，是绝不可接受的。较之带锯切割，线锯切割具有更小的切割应力、更小的切缝，因此不易导致晶体碎裂。然而在实际切割过程中，因为需要切割尺寸较大，所以线锯切割跨度较大，柔性的金刚石线锯易发生切割跑偏，从而导致切缝呈现“S”型或跑偏，造成晶体切割表面平面度较差。通过提高线丝张力和机床精度可以一定程度的降低切割跑偏的程度，而这样则会导致线丝寿命降低、无法使用更细的线丝、机床制造成本迅速提升等问题，而且工件各向异性、工件形状的不规则等因素依然会加剧切割过程的跑偏。

鉴于该类大尺寸线锯切割机床切割对象材料的特殊性和保密性(大口径人造晶体材料)，相关的切割过程纠偏技术难以检索得到。在与线锯切割具有一定相似性的带锯切割技术领域，检索到两篇与纠偏相关的专利。美国专利US2005/0103176A1通过在带锯锯床上面安装照明系统而实现带锯切割过程纠偏。该专利利用光源及相应的光路生成一束光线投射到所切割的木材表面，从而指示切割方向，便于操作人员观察切割情况，并在发生切偏时可以及时调整。该专利的切割偏差由人眼观察得到，且纠偏方法为人工完成，对人工有依赖。

美国专利US 4,336,731提出一种带锯切割自动纠偏方法。在切割区域近旁安装电感式位移传感器，以此测量带锯锯片的偏移，该偏移量通过控制逻辑作用后，形成纠偏信号，并传递给两个驱动器，以驱动相应的两个与锯片接触的触片，从而纠正锯片偏移。该方法采用的电感式位移传感器可以用于锯片的位置检测，但无法用于线锯锯丝；且该方法的最终纠偏执行机构是与活动的锯片接触的，这个方法对于电镀金刚石磨料且高速移动的锯丝是不合适的。

机床加工精度的提高可以通过采用提高机床精度的方法，即所谓的“母机”原理；或者通过美国所倡导的误差检测-修正原理，即对刀具等执行机构或者工件进行误差检测，并把误差反馈给控制系统，控制系统再做出相应调整，直至加工精度得以保证。该途径在避免提高机床本身精度所带来的成本上升问题同时，通过先进的误差检测、反馈、校正等步骤，同样实现高精度工件加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是金刚石线锯精密切割过程实时纠偏，特别是针对大尺寸材料的金刚石线锯精密切割过程易发生跑偏问题而提出的一种方法。该方法可以克服传统纠偏方法的缺陷和不足，在不显著提高切割系统成本的同时，满足实际切割需要，得到高质量的工件切割表面，降低后续工序加工成本，提高工件材料总体加工效率。

本发明采用的技术方案是：

通过使用光电位置检测元件，实时检测金刚石线锯沿垂直于切割面方向的位置偏移量，并反馈给计算机控制系统，经相应算法，控制工作台沿垂直于切割面方向做出相应的位置、角度调整，使线锯向降低切割偏差的方向移动，从而实现金刚石线锯精密切割过程实时精确纠偏。分别叙述如下：

(1)基于线阵CCD或面阵CCD等光电元件的位置偏差检测

图1为位置偏差检测示意图，点光源的光线经凸透镜汇聚为平行光，该束光线在经过线锯的阻挡后，抵达光接收单元，光接收单元主体由降低环境杂光、滤除干扰波长的滤镜以及线阵CCD或面阵CCD等光电传感器构成。线锯阻挡平行光束并在光电传感器上形成投影，该投影即反映线锯当前位置。传感器将该明暗反差强烈的阴影变送为电信号，并通过导线传递给计算机控制系统。较之通过照相机获取影像的方案，该方案不需要专业的图像处理软件，故对硬件的依赖低，单片机即可处理线阵或面阵CCD递送过来的电信号，系统复杂性和成本低。

该方案的位置检测精度主要取决于CCD光电传感器的分辨精度，现有的某型线阵CCD具有5000像元，像元尺寸及像元间距为7μm，光敏面尺寸为35mm，故该器件用于线锯位置检测，可达7μm精度，检测范围为35mm。如果需要提高检测精度，可以提高光路的放大率，但这会减少检测范围。例如，光路系统设计为3.5倍放大率，则位置检测分辨率为2μm，检测范围为10mm。

图2为切割系统示意图。线锯2通过导轮1的引导，对工件4切割。5即为线锯位置光电传感器，所述传感器需尽量贴近工件安装，并使线锯通过传感器中间，该传感器通过连接杆固定于机床床体9(未全部画出)，并能依据工件尺寸做出高低调整。6为倾角可调的工作台，其中6a、6b是用于调整倾角的铰链，该工作台的倾角调整、进给以及垂直于切割面方向的纠偏平移动作均由通过6a与6连接的机床移动工作台7提供，该移动工作台处于机床进给工作台8上面，进给工作台8通过导轨安装于床体9上面。安装于进给工作台8上面的电机8a和丝杠8b对移动工作台7产生纠偏方向的移动。连接于移动工作台7的铰链7d、电机7c、丝杠7b、丝杠螺母7a通过铰链6b作用于工作台6，使之能够俯仰，从而调整倾角。

(2)基于工作台移动的切割偏差纠正方法

切割中由于工作台进给精度低、导轮串动等因素均可导致切割跑偏；特别是精密切割各向异性的KDP晶体时，因为材质本身力学特性的各向异性，线锯可能会在切割过程中沿垂直于切割面方向发生跑偏；特别是有时候需要对具有非对称和不规则形状工件材料进行切割时，更易发生切割跑偏现象。如图3所示，其中图3a表示对方形工件的边角切割(一种非对称切割)，图中箭头表示工件材料对切入其内的线锯的支撑，显然，工件尖角一端获得较小支撑力，线锯总体受到偏向于工件尖角的推力Δf，随着切割深入，线锯会逐渐向左，即工件尖角方向跑偏；其中图3b所示为方形工件与线锯角度错开的情况，如图中所示，处于工件上部的线锯获得偏向右的推力Δf₁，处于工件下部的线锯获得偏向左的推力Δf₂，则线锯总体受到顺时针扭矩作用，切割时，处于工件上部的线锯向右跑偏，处于工件下部的线锯向左跑偏。

本发明在检测到线锯跑偏量之后，通过采用改变工作台位置、仰角，亦即通过采用改变工件位姿的方式对线锯跑偏进行纠正，其实现原理如图4、图5所示，其中图4c图表示切割中工件上下两个位置传感器检测到线锯的向右跑偏量ε，则控制系统在相应算法计算后，确定工作台向右矫正量δ，通过驱动电机，使工作台右移，见图4d图所示。则线锯同样跟随工件右移，该偏移使处于工件切割区域的线锯在自身张紧力的作用下，产生向左的合力Δf_C，当Δf_C大于导致跑偏的力时，线锯会向左侧渐渐纠正，直至切割偏差消失，如图4e所示，这时系统再反向调整工作台，使之返回到线锯跑偏前的状态，如图4f所示。图5g所示为线锯在工件上下部位偏差不等，且偏移方向相反的情况，此时，控制系统会依据偏差ε1、ε2分别计算出向右、向左矫正量δ1、δ2。为实现矫正，控制系统通过相应执行机构使工作台顺时针旋转ω，并平移δ3，如图5h图所示，当线锯在自身张紧力作用下，逐渐使跑偏量消除时(如图5i所示)，系统退出纠偏步骤，工作台通过反向平移工作台δ3、反向旋转角度ω，使之返回到线锯跑偏前的正常切割状态，如图5j所示。

(3)基于零点位置记忆的控制算法

结合上述纠偏实施方法，可见在纠偏后，线锯的偏移量经CCD光电传感器检测后示值更大，且线锯以及工作台的位置都发生了移动，为了能够准确纠偏，本发明提出基于零点位置记忆的控制算法。即线锯切割即将开始时，控制系统采集线丝和工作台沿垂直于切割面方向的原始位置，然后开始切割，当切入工件的线锯跑偏时，CCD光电传感器即捕获到线锯位置偏差，系统进入纠偏阶段，工作台做出相应的仰角和位置调整后，纠偏开始，CCD光电传感器此时所采集的线锯偏差作为纠偏效果监测。当监测到偏移量得以修正后，系统退出纠偏阶段，并反向调整工作台的仰角和位置，使工作台返回到垂直于切割面方向上的原始位置。

以图4所示的纠偏过程为例，设切割开始时，控制系统采集到的线锯和工作台原始位置分别为P₀，P_W0，偏差发生时，线锯和工作台位置分别为P₁，P_W1，则有P₁-P₀＝ε，P_W1-P_W0＝0。当纠偏阶段开启后，设此时线锯和工作台位置分别为P₂，P_W2，则随着工作台的纠偏移动量δ，有P₂-P₀＝ε+δ，P_W2-P_W0＝δ。随着偏差减小，线锯会逐渐回归，当回归了ε时，即线锯跑偏量消失，线锯回到工件初始切割位置，即零点，设此时线锯和工作台位置分别为P₃，P_W3，则有P₃-P₀＝δ，P_W3-P_W0＝δ，纠偏结束，系统退出纠偏阶段，工作台亦回退δ，返回到原始位置，切割正常进行，此时线锯和工作台位置分别为P₀，P_W0。

纠偏量的计算算法：在给定偏差ε后，可以由PID控制算法确定纠偏量δ。基于误差反馈的系统控制原理如图6所示；控制系统程序框图见于图7。

本发明的效果和益处是通过偏差发现即纠正，达到切割过程纠偏快速、实时的目的，而采用非接触式的基于工作台(工件)移动的纠偏方法，可以在不触及线锯的情况下进行纠偏，从而避免接触式线锯矫正方面带来的线锯、纠偏工具磨损。本发明纠偏精度主要取决于CCD光电传感器分辨力以及线锯表面状况。采用像元间距为7μm的CCD光电传感器时，则在出现7μm的线锯跑偏时，系统立即动作，通过工作台的微小移动和俯仰，使该7μm左右的切割跑偏趋于零。另外线锯表面高低参差的金刚石磨粒突起，会影响CCD光电传感器的测量值。鉴于当前常用线锯表面磨粒出刃高度为10μm左右，则在工作台沿纠偏方向定位精度满足要求的情况下(定位精度在10μm以下)，该发明理论上可以得到7+10＝17μm的最高纠偏精度。

附图说明

图1是位置偏差检测示意图。

图2是切割系统示意图。

图中：1导轮；2线锯；3冷却液喷嘴；4工件；5CCD线锯位置传感器；6工作台；6a工作台角度调整铰链；6b连接工作台与丝杠螺母的铰链；7移动工作台；7a丝杠螺母；7b工作台角度调整丝杠；7c工作台角度调整驱动电机；7d连接工作台角度调整驱动电机与移动工作台的铰链；8进给工作台；8a移动工作台驱动电机；8b移动工作台驱动丝杠；9线锯机床床体。

图3a是切割工件边角时线锯受力情况示意图。

图3b是切割偏斜工件时线锯受力情况示意图。

图4是工件上下方线锯跑偏相同时纠偏过程示意图。

图中：ε是线锯跑偏量；δ是系统纠偏量。

图5是工件上下方线锯跑偏不相同时纠偏过程示意图。

图中：ε1是工件上方线锯跑偏量；ε2是工件下方线锯跑偏量；δ1是系统在工件上方的纠偏量；δ2是系统在工件下方的纠偏量；δ3是工作台平移量；ω是工作台调整的角度。

图6是系统控制原理图。

图7是控制系统程序框图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例，具体实施步骤如下。

步骤1.首先完成工件装夹、线锯对刀、将两个CCD光电传感器分别置于工件的上下方，并使之尽量贴近工件，使线锯恰好通过CCD正中，这时，计算机控制系统会通过CCD光电传感器记录未与工件接触的、绷直的线锯的位置，该位置用于表征工件初始切割面位置。

步骤2.开始切割，CCD开始实时检测线锯切割跑偏情况。

步骤3.跑偏的纠偏策略。当其中一个CCD检测到线锯跑偏，则同时判断另一个CCD是否也有跑偏，如果有，是否与自身偏差在方向上和数值是否相同。这里可归纳为2种情形，第一种情形：另一个CCD无跑偏或者跑偏在方向上和数值上不同，则此时通过先调节工作台的俯仰角度，再平移工作台以满足控制系统通过PID算法计算出来的工件上下部分的两个纠偏量；第二种情形：另一个CCD检测到的线锯跑偏在方向上和数值上与自身检测相同，则此时可以直接对工作台平移计算所得的纠偏量，不需调整工作台角度。

步骤4.纠偏效果监测及纠偏完成阶段：通过CCD光电传感器不断采集采集线锯相对于工件切割零点的位置来检测纠偏效果，当线锯回归到原始切割面时，表明线锯跑偏偏差消失，纠偏完毕，这时，控制系统会执行纠偏开始时各步骤的逆过程，即如果工作台调整过角度，则对工作台进行相应角度的反转；如果工作台发生过平移，则反向平移工作台相应的距离，这样，线锯纠偏步骤完成，线锯和工件当前切割表面均回归到切割开始时工件原始切割表面的位置，切割继续正常进行。控制系统会重复步骤2到步骤4，不断发现偏差，解决偏差。控制系统程序框图见于图7。

Claims (1)

1.一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法，使用光电位置检测元件构成的纠偏控制系统，实时检测金刚石线锯位置偏移量，并反馈给控制系统，控制切割机床工作台做出相应的位置、角度调整，以实现切割纠偏，其特征在于：

(a)纠偏控制系统使用线阵CCD或者面阵CCD光电传感器作为线锯位置偏差检测元件，且所述传感器沿着线锯分别放置于工件上、下表面，并贴近工件；

(b)纠偏控制算法基于工件原始切割面位置的记忆，纠偏以线锯回归到该零点位置为目标；

(c)切割纠偏动作是基于工作台以下三种动作：1)角度调整；2)平移；3)角度调整结合平移。

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