CN103760829B - 多线切割机无弯曲传感器的工作台速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多线切割机无传感器工作台的速度控制方法，包括以下步骤：测量放线轮电机的转动角速度ω₁(t)；测量收线轮电机的转动角速度ω₂(t)；计算工作台切割面和水平面的夹角β，其计算式如下：将β值与设定的期望夹角相比较得到两者的差值Δβ，控制器根据Δβ对工作台的运动速度做PID控制，实现工作台速度的自动控制。本发明可以实现工作台速度的无弯曲传感器自动控制，实现多线切割机切片质量和效率最优。

Description

多线切割机无弯曲传感器的工作台速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种多线切割机的工作台速度控制方法，特别涉及一种多线切割机无弯曲传感器的工作台速度控制方法。

背景技术

多线切割机是切割水晶、晶体硅、蓝宝石等硬脆材料的主流机器。多线切割机工作台带动待切工件运动，在切割线组成的切割面处，待切工件被切成数百或数千薄片。现有多线切割机在设计上切割线和工作台的位置关系采用两种方式，一种是工作台位于切割线的上方，切片时工件台由上至下运动；一种是工作台位于切割面的下方，切片时工件台由下至上运动。无论哪种方式，机器工作时切割面和水平位置都存在一个夹角，如图2所示。保持一定的夹角有利于提高垂直方向的切割力，提高切割效率。同时，夹角如果太小则没有充分利用切割材料，且切割效率低下；夹角过大则会引起断线和原材料报废。实验证明，切割过程中保持适当的恒定夹角切割效率最高，切片质量最好。夹角的具体大小则跟切割材质以及切割线直径有关。工作台的控制目的是控制工作台的速度，使得切割面和水平位置保持一个恒定夹角，在不断线的前提下，实现切片的效率最高和质量最好。目前常用的方法主要有两种：第一，将工作台的速度设置十几个不同档位，根据经验设定切割初始速度，切割机工作时，操作员观察切割面与水平位置的夹角，夹角大了调低一个档位，夹角小了调高一个档位，但频繁切换档位对切片质量有影响。由于多线切割机的切割对象有多种，不同的材质硬度不同或者相同的材质但尺寸不同这都给这种方法带来困难。为避免断线，这种按经验设定的工作台速度往往偏小，达不到机器的最优切割效率，且自动化程度低。第二，日本高鸟公司生产的多线切割机在切割面上增加了一个弯曲传感器，传感器将切割面的夹角数据实时传送给控制器。控制器将弯曲传感器送来的值和期望夹角值作比较，对工作台进行PID控制，保持夹角恒定。这种方法能够精确控制工作台的运动速度，保持夹角的恒定，实现较高的切片效率和质量。但弯曲传感器的工作环境恶劣，切割面的砂浆或者冷却液夹杂着材料碎屑，在高速切割线的带动下，对弯曲传感器破坏巨大。另外，昂贵的弯曲传感器使用寿命较短，使用成本很高。

发明内容

为了解决现有多线切割机工作台速度控制存在的上述技术问题，本发明提出一种多线切割机无弯曲传感器工作台速度控制方法。本发明根据切割线的运动速度以及收放线轮的直径实时计算夹角值，同时将计算的夹角值与期望夹角值比较，根据比较之后的差值控制工作台的运动速度，达到保持切割面夹角恒定、切割效率和切片质量较高的目的。

本发明解决上述问题的技术方案包括以下步骤：

测量放线轮电机的转动角速度ω₁(t)；

测量收线轮电机的转动角速度ω₂(t)；

计算工作台切割面和水平面的夹角β，其计算式如下：

$\mathrm{\β}=\arccos {\left[\frac{2}{\mathrm{nt}(L-d)({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)r_1\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\τ}\right)r_2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})+1}\right]}^{-1}$

式中L为两个主轴的中心距，d为待切材料的宽度，n为主轴绕线圈数，ω₁(t)、ω₂(t)分别为放线轮电机和收线轮电机的转动角速度，r₁(t)、r₂(t)分别为放线轮和收线轮的半径；

将β值与设定的期望夹角相比较得到两者的差值Δβ，控制器根据Δβ对工作台的运动速度做PID控制，实现工作台速度的自动控制。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

1、采用控制器自动计算切割面与水平位置的夹角，不需要使用弯曲传感器，大大节约机器成本。

2、切割面与水平位置的夹角计算精确，自动化程度高。

3、工作台速度变化平滑，切片厚度均匀，表面平行度好。

4、保持夹角恒定，实现切片效率较高。

本发明适用于硅片、水晶、蓝宝石、碳化硅等硬脆材料的多线切割机及类似机械。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明无传感器工作台控制的结构示意图。

图2为本发明多线切割机切割面和水平位置的夹角示意图。

具体实施方式

如图1所示无传感器工作台控制系统结构，包括人机界面、控制器、工作台伺服电机、主轴伺服电机、收线轮伺服电机和放线轮伺服电机。控制器和各伺服驱动器之间用现场总线高速传输，人机界面和控制器之间使用工业以太网通信。操作时先由操作人员通过人机界面向控制器输入切割线直径、收放线轮初始直径、被切割材料尺寸以及主轴绕线匝数。其次再通过人机界面向控制器输入切割面夹角角度期望值、系统线速度。控制器根据输入的系统线速度和收放线初始半径计算主轴电机和收放线电机的初始角速度。

机器运行时，待切工件实际切割速度跟张力的垂直分量和系统主轴线速度有关。有：

v_q(t)=μ₁F(t)+μ₂v_s

式中v_q(t)为实际切割速度，μ₁为张力对切割速度的影响因子，μ₂为主轴线速度对切割速度的影响因子，v_s为主轴线速度，F(t)为张力的垂直分量，F(t)=Tsin(βt)，T为切割线张力，

β为切割线与水平的夹角。

等式右边第一项表示张力的垂直分量对实际切割速度的影响，第二项表示系统主轴线速度对实际切割速度的影响，线速度越大，切割速度就越大，线速度一般取机器设计最高值的百分之九十左右。若工作台的速度大于实际切割速度，切割面与水平位置的夹角β增加，一方面切割线的夹角增加能够增加张力的垂直分量，提高实际切割速度。另一方面夹角太大会导致切割线的形变，造成断线。若工作台的速度太小，则切割效率降低，切割材料没有充分利用。

从图2可知，当切割面和水平位置形成夹角后切割面线长的增加量为：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L-d}{2}(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)n---\left(1\right)$

式中L为两个主轴的中心距，d为待切材料的宽度，n为主轴绕线圈数。

金刚石线的弹性形变很小，可以忽略，那么ΔL是由收放线轮的线速度差造成。又有：

$\mathrm{\ΔL}=({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)r_1\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\τ}\right)r_2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})t$

（2）

式中t——时间

ω₁(t)、ω₂(t)分别为放线轮电机和收线轮电机的转动角速度

r₁(t)、r₂(t)分别为放线轮和收线轮的半径，它们都是时间的函数。

联立式（1）、式（2）可得：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{L-d}{2}(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)n=({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)r_1\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\τ}\right)r_2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})t---\left(3\right)$

对式（3）稍加变形可得：

$\mathrm{\β}=\arccos {\left[\frac{2}{\mathrm{nt}(L-d)({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)r_1\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\τ}\right)r_2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})+1}\right]}^{-1}$

这种方式完全由控制器计算得到的β值，不需要使用弯曲传感器。控制器将计算值与期望值的偏差作为控制工作台的依据，对工作台进行PID控制。由于切割面夹角的生成是收放线轮的线速度差造成的，控制器可以通过 $\mathrm{\β}=\arccos {\left[\frac{2}{\mathrm{nt}(L-d)({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\left(\mathrm{\τ}\right)r_1\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2\left(\mathrm{\τ}\right)r_2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ})+1}\right]}^{-1}$ 计算出夹角值。其中n、L、d事先已知，ω1(t)、ω2(t)分别为放线轮电机和收线轮电机的转动角速度，r1(t)、r2(t)分别为放线轮和收线轮的半径，其中放线轮半径逐渐减小，收线轮半径逐渐增加，用公式表示为：

$r_1\left(t\right)=R_{10}-\frac{{\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)t{d_1}^2}{\mathrm{\π}{L}_0}$

$r_2\left(t\right)=R_{20}+\frac{{\mathrm{\ω}}_1\left(t\right)t{d_1}^2}{\mathrm{\π}{L}_0}$

式中R₁₀，R₂₀分别为放线轮和收线轮初始半径，L₀为收放线轮有效长度，d₁为切割线直径。此时β值就仅为ω₁(t)、ω₂(t)的函数。ω₁(t)、ω₂(t)的实时数据可以从控制器中读出，则β值同样可以在控制器中计算得到。

将计算出来的β值与期望值比较，在误差范围内工件台速度将不做调整，超过误差上限或误差下限时，控制器将两者的差值对工作台的速度做PID控制。夹角大了减小工作台的运动速度，夹角小了则加大工作台的运动速度。保持切割质量和效率最优。

Claims (1)

1.一种多线切割机无传感器工作台的速度控制方法，包括以下步骤：

测量放线轮电机的转动角速度ω₁(t)；

测量收线轮电机的转动角速度ω₂(t)；

计算工作台切割面和水平面的夹角β，其计算式如下：

$\mathrm{\β}=\arccos {\[\frac{2}{nt(L-d)\left({\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_1\right(\mathrm{\τ}\left)r_1\right(\mathrm{\τ})d\mathrm{\τ}-{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_2(\mathrm{\τ}\left)r_2\right(\mathrm{\τ}\left)d\mathrm{\τ}\right)+1}\]}^{-1}$

式中L为两个主轴的中心距，d为待切材料的宽度，n为主轴绕线圈数，r₁(τ)、r₂(τ)分别为放线轮和收线轮的半径；

将β值与设定的期望夹角相比较得到两者的差值Δβ，控制器根据Δβ对工作台的运动速度做PID控制，实现工作台速度的自动控制。