CN103528744B - 一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置。为了实现恶劣环境下切割线张力的可靠检测，所述检测装置包括可绕支撑点摆动的张力臂；所述张力臂的一端用于连接绕装有切割线的线轮，该张力臂的另一端可通过一连杆带动一被测金属杆作往复直线运动，该金属杆一侧设有检测被测金属杆直线位移量△L的非接触式探头；所述张力臂与支撑点之间设有阻碍张力臂摆动的弹性元件。本发明提高了多线切割机潮湿恶劣环境下切割线张力检测的可靠性。

Description

一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置，用于实现多线切割机潮湿恶劣环境下切割线张力的可靠检测，属于切片加工专用装备领域。

背景技术

多线切割机是一类高效的切片加工设备，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入待切割材料加工区域进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片，具有切割效率高、材料损耗低等优点，广泛应用于硅基太阳能电池片、人造宝石、蓝宝石、碳化硅、水晶、陶瓷玻璃等硬脆性材料的加工。多线切割机加工过程中断线故障率是设备优先考虑的一个核心性能指标，断线故障不仅使昂贵的加工材料报废，直接造成经济损失，还导致设备非正常停机，断线后重新布线浪费大量的工时，大大增加设备操作者的劳动强度。为避免断线，多线切割机要求切割线张力精确恒定于某一范围，该功能由多线切割机切割线张力控制系统保证，张力检测装置是是张力控制系统的核心部件，其张力检测准确性、工作可靠性对于实现切割线高精度张力控制、避免发生断线故障具有重要意义。

目前传统的多线切割机切割线张力检测采用压变电阻式张力计，其结构一般由张力计底座、张力臂、压敏电阻元件等组成。张力计底座固定于多线切割机底板，张力臂顶端装有线轮，底端与张力计底座相联接，压敏电阻元件置于张力臂底端与张力计底座之间。切割机工作时，切割机切割线从张力臂线轮绕过，切割线张力通过线轮、张力臂转换成对压敏电阻元件的压力，压力的变化使压敏元件阻值改变，传感器根据压敏电阻值的变化得到切割线张力值，从而实现切割线张力检测功能。由于多线切割机环境潮湿恶劣，设备高速运转过程中，切削液砂浆容易进入到张力计内部，污染张力计核心元件——压敏电阻，造成压敏电阻元件阻值发生飘移，导致张力计损坏频繁。

发明内容

为了克服现有的切割线张力检测装置的压敏电阻易受污染，容易造成张力计损坏，对于恶劣坏境适应性差的不足，本发明旨在提供一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置，该检测方法及装置采用“测位型”张力检测思想，首先将切割线张力转换为张力检测装置中被测金属杆的直线位移，然后采用非接触式电涡流位移传感元件对被测金属杆直线位移进行检测，最后由数据处理器根据张力-位移之间的关系计算间接求得切割线张力。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种非接触式多线切割机切割线张力检测装置，其结构特点是，包括可绕支撑点摆动的张力臂；所述张力臂的一端用于连接绕装有切割线的线轮，该张力臂的另一端可通过一连杆带动一被测金属杆作往复直线运动，该金属杆一侧设有检测被测金属杆直线位移量△L的非接触式探头；所述张力臂与支撑点之间设有阻碍张力臂摆动的弹性元件。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

所述张力臂的一端与所述连杆的一端铰接，该连杆的另一端铰接在被测金属杆的一端。

所述被测金属杆外套装有导向套。

所述张力臂通过旋转铰链安装在支撑点上，该旋转铰链的转轴上装有一作为弹性元件的扭力弹簧。

所述被测金属杆靠近非接触式探头一端具有作为被测金属面的轴肩凸台。

所述非接触式探头位于被测金属杆轴心延伸线上。

为了方便计算，所述张力臂的长度为连杆长度的两倍，且张力臂的两端关于所述支撑点对称。

本发明还提供了一种利用上述的非接触式多线切割机切割线张力检测装置检测切割线张力的方法，包括如下步骤：

1）张力—位移转换；切割线张力通过张力臂的摆动带动所述被测金属杆的直线移动，张力臂的摆动角为θ，弹性元件的刚度系数为k；

2）位移非接触测量；采用所述非接触式探头检测所述被测金属杆的直线位移量△L；

3）信号处理；所述数据处理器根据张力—位移关系计算求切割线张力f；其中切割线对线轮的作用力F=2·f，被测金属杆的位移为ΔL，则ΔL与θ的关系如下：

ΔL＝L（sinθ+cosθ-1）（1）

得: $\mathrm{\θ}=\frac{\arcsin [{(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}+1)}^2-1]}{2}---\left(2\right)$

而张力臂摆动角为θ与切割线对线轮（1）的作用力F成正比，即

F＝k·θ

得： $\mathrm{\θ}=\frac{F}{k}=\frac{2f}{k}---\left(3\right)$

式中:k——弹性元件的刚度系数，

f——切割线张力

将公式（2）、（3）进行合并，得到切割线张力f与被测金属杆位移ΔL之间的关系为：

$f=\frac{k\·\arcsin [{(\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}+1)}^2-1]}{4}---\left(4\right)$

式中：，f——切割线张力；

k——弹性元件的刚度系数；

L——连杆的长度；

ΔL——被测金属杆的水平位移量。

这样，通过测量被测金属杆的直线位移，运用公式（4）即可方便求得切割线张力值。本发明将切割线张力转换为张力检测装置中被测金属杆的直线位移，装置结构简单，实施方便。

藉由上述结构，本发明采用“测位型”张力检测思想，首先将切割线张力转换为张力检测装置中被测金属杆的直线位移，然后采用非接触式电涡流位移传感元件对被测金属杆直线位移进行检测，最后由数据处理器根据张力-位移之间的关系计算间接求得切割线张力，该张力检测方法的步骤可分为：1、张力—位移转换、2、位移非接触测量、3、信号处理三个步骤实现。

1、张力—位移转换

采用一张力臂，其顶端安装线轮，中部设有带扭力弹簧的旋转铰链，切割机工作时，切割线从张力臂顶端线轮绕过，在切割线张力及扭力弹簧的双重作用力下，张力臂绕其旋转铰链摆动一定角度，当切割线张力改变时，张力臂摆动角度跟随着改变（即切割线张力值与张力臂摆动角度值呈一一对应关系）。

张力臂底端通过铰链与活动连杆及被测金属杆相联接，张力臂的摆动转换成被测金属杆的相应直线位移（即张力臂摆动角度与被测金属杆的直线位移值呈一一对应关系），这样，切割线张力与被测金属杆直线位移一一对应，通过检测被测金属杆直线位移即可得到切割线张力。

通过该技术方案，将切割线张力转换为张力检测装置中被测金属杆的直线位移，装置结构简单，实施方便。

2、位移非接触测量

采用非接触式电涡流位移传感器对被测金属杆的直线位移进行测量，电涡流传感器主要由非接触式电涡流探头、高频振荡器两部分组成，工作时，高频振荡器给非接触式探头中的线圈提供激励电流，探头与被测金属杆中心相对，当被测体金属杆靠近探头时，将在金属表面产生涡流效应，涡流效应引起探头线圈等效阻抗的变化，并由内部电路转换成输出电压的变化，输出电压的变化与探头到被测体之间的距离呈线性关系，从而可实现由机械位移线性转换成输出电压的变化。

摒弃传统多线切割机张力计的压敏电阻元件，采用电涡流传感器实现被测金属杆直线位移的非接触式测量，非接触式电涡流传感器具有极强的抗环境干扰能力，几乎不受环境中的水、粉尘、油污、砂浆的影响，能有效的避免设备潮湿恶劣工作环境下压敏元件阻值飘移，张力计频繁损坏的情况发生，从而提高多线切割机潮湿恶劣环境下切割线张力检测的可靠性。

进一步的，检测装置中，被测金属杆采用不锈钢材质。

通过该进一步改进技术方案，有效防止被测金属杆在多线切割机潮湿环境中的表面锈蚀（被测金属表面锈蚀会改变金属的表面粗糙度，从而影响位移检测精度），避免因被测金属杆表面粗糙度的改变而影响检测精度，更进一步提升检测装置的抗环境干扰能力，提高检测装置的使用寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用非接触“测位型”张力检测思想，摒弃传统多线切割机张力计的压敏电阻元件，有效避免设备潮湿恶劣工作环境下压敏电阻元件阻值易飘移、张力计损坏频繁的情况发生。

2、本发明结构简单，实施简便，独立化的检测模块不仅适用于新多线切割机的设计也适用于在原有设备上改造。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2为本发明的检测原理图；

图3为本发明的非接触电涡轮检测原理图；

图4为本发明的程序流程图。

在图中

1-线轮；2-张力臂；3-扭力弹簧；4-活动连杆；5-被测金属杆；6-导向套；7-非接触式探头；8-高频振荡器；9-模数转换器；10-数据处理器。

具体实施方式

一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法及装置，采用“测位型”张力检测思想，首先将切割线张力转换为张力检测装置中被测金属杆的直线位移，然后采用非接触式电涡流位移传感元件对被测金属杆直线位移进行检测，最后由数据处理器根据张力-位移之间的关系计算间接求得切割线张力。

本发明一种非接触式多线切割机切割线张力检测装置包括：线轮1、张力臂2、扭力弹簧3、活动连杆4、被测金属杆5、导向套6、非接触式探头7、高频振荡器8、模数转换器9、数据处理器10。所述的张力臂2，其一端安装线轮1，另一端通过铰链与活动连杆4相联接，中部设有旋转铰链。所述的扭力弹簧3设置于张力臂2的中部旋转铰链位置。所述的被测金属杆5，采用不锈钢材质，与所述的导向套6形成间隙配合，一端通过铰链与活动连杆4相联接，另一端设有一轴肩凸台。所述的非接触式探头7与所述的被测金属杆5中心相对。所述的模数转换器9，其信号输入端与非接触式探头7相连接，信号输出端工业现场总线连接至数据处理器10，即所述非接触式探头7具有检测信号输出线，该检测信号输出线的信号输出端与该高频振荡器8的信号输入端相连，该高频振荡器8的信号输出端与所述模数转换器9的信号输入端相连，该模数转换器9的信号输出端与一数据处理器10的信号输入端相连；所述的数据处理器10通过设定的采样周期采集位移数据，并根据张力—位移之间的关系计算间接求得切割线张力。由此，由模数转换器、工业现场总线构成数字式信号传输，能有效避免信号传输过程中外部强电磁干扰的影响，提高了检测数据的准确性和可靠性。

张力检测装置安装于多线切割机底板，切割机切割线从张力臂线轮绕过，切割机工作时，切割线张力的变引起张力臂摆动角度的变化并转换成被测金属杆的水平位移，非接触式电涡流位移传感器检测被测金属杆的水平位移，检测模拟信号经模数转换器转换成数字信号并由工业现场总线传输至数据处理器，数据处理器根据张力—位移之间的关系计算间接求得切割线张力。

本发明采用模数转换器进行数据转换（即将传感器探头输出模拟信号转换成数字信号），并通过工业现场总线实现检测信号的数字化传输，能有效避免信号传输过程中外部强电磁干扰的影响。

以某型多线切割机为例，安装该新型检测装置，检测装置中的活动连杆的长度L＝100mm，采用的扭杆弹簧的刚度系数k＝30.00N/°，将两个参数代入张力计算公式（4），可得

$f=\frac{30\·\arcsin [{(\frac{\mathrm{\ΔL}}{100}+1)}^2-1]}{4}---\left(5\right)$

即得到切割线张力f与被测金属杆直线位移ΔL之间的直接关系。被测金属杆直线位移ΔL由非接触式电涡流微位移传感器测得，在该某型多线切割机某工况下检测装置测得被测金属杆直线位移ΔL＝3.12mm,代入计算公式（5）可直接计算得到切割线张力为 $f=\frac{30\·\arcsin [{(\frac{3.12}{100}+1)}^2-1]}{4}=27.25N.$

上面结合了附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，本领域的普通技术人员在了解上述方案的内容后还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出种种变化。

Claims (7)

1.一种非接触式多线切割机切割线张力检测方法，切割线张力检测装置包括可绕支撑点摆动的张力臂(2)；所述张力臂(2)的一端用于连接绕装有切割线的线轮(1)，该张力臂(2)的另一端可通过一活动连杆(4)带动一被测金属杆(5)作往复直线运动，该被测金属杆(5)一侧设有检测被测金属杆(5)直线位移量△L的非接触式探头(7)；所述张力臂(2)与支撑点之间设有阻碍张力臂(2)摆动的弹性元件；其特征是，包括如下步骤：

1)张力—位移转换；切割线张力通过张力臂(2)的摆动带动所述被测金属杆(5)的直线移动，张力臂(2)的摆动角为θ，弹性元件的刚度系数为k；

2)位移非接触测量；采用所述非接触式探头(7)检测所述被测金属杆(5)的直线位移量△L；

3)根据张力—位移关系计算求切割线张力f；其中切割线对线轮(1)的作用力F＝2·f，被测金属杆的位移为ΔL，则ΔL与θ的关系如下：

ΔL＝L(sinθ+cosθ-1)(1)

得: $\mathrm{\θ}=\frac{arcsin\[{(\frac{\mathrm{\Δ}L}{L}+1)}^2-1\]}{2}---\left(2\right)$

而张力臂摆动角为θ与切割线对线轮(1)的作用力F成正比，即

F＝k·θ

得： $\mathrm{\θ}=\frac{F}{k}=\frac{2f}{k}---\left(3\right)$

式中:k——弹性元件的刚度系数。

2.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述张力臂(2)的一端与所述活动连杆(4)的一端铰接，该活动连杆(4)的另一端铰接在被测金属杆(5)的一端。

3.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述被测金属杆(5)外套装有导向套(6)。

4.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述张力臂(2)通过旋转铰链安装在支撑点上，该旋转铰链的转轴上装有一作为弹性元件的扭力弹簧(3)。

5.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述被测金属杆(5)靠近非接触式探头(7)一端具有作为被测金属面的轴肩凸台。

6.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述非接触式探头(7)位于被测金属杆(5)轴心延伸线上。

7.根据权利要求1所述的非接触式多线切割机切割线张力检测方法，其特征是，所述张力臂(2)的长度为活动连杆(4)长度的两倍，且张力臂(2)的两端关于所述支撑点对称。