專利名稱：一種金剛石線鋸精密切割過程實時糾偏方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大尺寸人工晶體的精密切割加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金剛石線鋸精密切割過程實時糾偏方法。
背景技術(shù)：
隨著光電子、強激光等高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對大尺寸硬脆材料的切割提出了更 高的加工精度和質(zhì)量要求。金剛石線鋸采用電鍍到鋼絲基體上的固結(jié)金剛石磨料對材 料進行切割，具有切割質(zhì)量高、切縫小、可切割大尺寸工件的優(yōu)點。其切割范圍不僅包括 石材、玻璃等普通硬脆材料，而且可以用于寶石、硅片、功能晶體等貴重材料。隨著美國 國家點火裝置(NIF)的即將運行和激光慣性約束核聚變能源技術(shù)日益得到各個國家的高 度重視，作為激光慣性約束核聚變用倍頻晶體和電光開關(guān)關(guān)鍵元件的大口徑軟脆晶體磷 酸二氫鉀(KDP)晶體將有越來越多的需求。作為從大尺寸晶體坯料制成大尺寸平面鏡頭 (410mmX410mmX 10mm)的前道工序，精密切割能夠為后續(xù)的精密和超精密加工提供具有較 好平面度、平行度、低損傷值的切片是至關(guān)重要的。當切割尺寸在500mm左右，傳統(tǒng)的帶鋸 切割由于極易產(chǎn)生崩邊、脆裂等導(dǎo)致昂貴的晶體材料報廢已經(jīng)無法適用。目前大尺寸脆性 材料的切割可包含帶鋸切割和線鋸切割。然而在KDP晶體的帶鋸切割中，因為帶鋸鋸片的 振動，經(jīng)常發(fā)生晶體碎裂的情況，這對于貴重晶體而言，是絕不可接受的。較之帶鋸切割，線 鋸切割具有更小的切割應(yīng)力、更小的切縫，因此不易導(dǎo)致晶體碎裂。然而在實際切割過程 中，因為需要切割尺寸較大，所以線鋸切割跨度較大，柔性的金剛石線鋸易發(fā)生切割跑偏， 從而導(dǎo)致切縫呈現(xiàn)“S”型或跑偏，造成晶體切割表面平面度較差。通過提高線絲張力和機 床精度可以一定程度的降低切割跑偏的程度，而這樣則會導(dǎo)致線絲壽命降低、無法使用更 細的線絲、機床制造成本迅速提升等問題，而且工件各向異性、工件形狀的不規(guī)則等因素依 然會加劇切割過程的跑偏。鑒于該類大尺寸線鋸切割機床切割對象材料的特殊性和保密性(大口徑人造晶 體材料)，相關(guān)的切割過程糾偏技術(shù)難以檢索得到。在與線鋸切割具有一定相似性的帶鋸切 割技術(shù)領(lǐng)域，檢索到兩篇與糾偏相關(guān)的專利。美國專利US2005/0103176A1通過在帶鋸鋸床 上面安裝照明系統(tǒng)而實現(xiàn)帶鋸切割過程糾偏。該專利利用光源及相應(yīng)的光路生成一束光線 投射到所切割的木材表面，從而指示切割方向，便于操作人員觀察切割情況，并在發(fā)生切偏 時可以及時調(diào)整。該專利的切割偏差由人眼觀察得到，且糾偏方法為人工完成，對人工有依 賴。美國專利US 4，336，731提出一種帶鋸切割自動糾偏方法。在切割區(qū)域近旁安裝 電感式位移傳感器，以此測量帶鋸鋸片的偏移，該偏移量通過控制邏輯作用后，形成糾偏信 號，并傳遞給兩個驅(qū)動器，以驅(qū)動相應(yīng)的兩個與鋸片接觸的觸片，從而糾正鋸片偏移。該方 法采用的電感式位移傳感器可以用于鋸片的位置檢測，但無法用于線鋸鋸絲；且該方法的 最終糾偏執(zhí)行機構(gòu)是與活動的鋸片接觸的，這個方法對于電鍍金剛石磨料且高速移動的鋸 絲是不合適的。
機床加工精度的提高可以通過采用提高機床精度的方法，即所謂的“母機”原理； 或者通過美國所倡導(dǎo)的誤差檢測-修正原理，即對刀具等執(zhí)行機構(gòu)或者工件進行誤差檢 測，并把誤差反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再做出相應(yīng)調(diào)整，直至加工精度得以保證。該途徑 在避免提高機床本身精度所帶來的成本上升問題同時，通過先進的誤差檢測、反饋、校正等 步驟，同樣實現(xiàn)高精度工件加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是金剛石線鋸精密切割過程實時糾偏，特別是針對大尺 寸材料的金剛石線鋸精密切割過程易發(fā)生跑偏問題而提出的一種方法。該方法可以克服傳 統(tǒng)糾偏方法的缺陷和不足，在不顯著提高切割系統(tǒng)成本的同時，滿足實際切割需要，得到高 質(zhì)量的工件切割表面，降低后續(xù)工序加工成本，提高工件材料總體加工效率。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是通過使用光電位置檢測元件，實時檢測金剛石線鋸沿垂直于切割面方向的位置偏 移量，并反饋給計算機控制系統(tǒng)，經(jīng)相應(yīng)算法，控制工作臺沿垂直于切割面方向做出相應(yīng)的 位置、角度調(diào)整，使線鋸向降低切割偏差的方向移動，從而實現(xiàn)金剛石線鋸精密切割過程實 時精確糾偏。分別敘述如下(1)基于線陣CXD或面陣CXD等光電元件的位置偏差檢測圖1為位置偏差檢測示意圖，點光源的光線經(jīng)凸透鏡匯聚為平行光，該束光線在 經(jīng)過線鋸的阻擋后，抵達光接收單元，光接收單元主體由降低環(huán)境雜光、濾除干擾波長的濾 鏡以及線陣CCD或面陣CCD等光電傳感器構(gòu)成。線鋸阻擋平行光束并在光電傳感器上形成 投影，該投影即反映線鋸當前位置。傳感器將該明暗反差強烈的陰影變送為電信號，并通過 導(dǎo)線傳遞給計算機控制系統(tǒng)。較之通過照相機獲取影像的方案，該方案不需要專業(yè)的圖像 處理軟件，故對硬件的依賴低，單片機即可處理線陣或面陣CCD遞送過來的電信號，系統(tǒng)復(fù) 雜性和成本低。該方案的位置檢測精度主要取決于CCD光電傳感器的分辨精度，現(xiàn)有的某型線陣 CXD具有5000像元，像元尺寸及像元間距為7 μ m,光敏面尺寸為35mm，故該器件用于線鋸位 置檢測，可達7μπι精度，檢測范圍為35mm。如果需要提高檢測精度，可以提高光路的放大 率，但這會減少檢測范圍。例如，光路系統(tǒng)設(shè)計為3. 5倍放大率，則位置檢測分辨率為2 μ m, 檢測范圍為10mm。圖2為切割系統(tǒng)示意圖。線鋸2通過導(dǎo)輪1的引導(dǎo)，對工件4切割。5即為線鋸 位置光電傳感器，所述傳感器需盡量貼近工件安裝，并使線鋸?fù)ㄟ^傳感器中間，該傳感器通 過連接桿固定于機床床體9 (未全部畫出)，并能依據(jù)工件尺寸做出高低調(diào)整。6為傾角可 調(diào)的工作臺，其中6a、6b是用于調(diào)整傾角的鉸鏈，該工作臺的傾角調(diào)整、進給以及垂直于切 割面方向的糾偏平移動作均由通過6a與6連接的機床移動工作臺7提供，該移動工作臺處 于機床進給工作臺8上面，進給工作臺8通過導(dǎo)軌安裝于床體9上面。安裝于進給工作臺 8上面的電機8a和絲杠8b對移動工作臺7產(chǎn)生糾偏方向的移動。連接于移動工作臺7的 鉸鏈7d、電機7c、絲杠7b、絲杠螺母7a通過鉸鏈6b作用于工作臺6，使之能夠俯仰，從而調(diào) 整傾角。(2)基于工作臺移動的切割偏差糾正方法
切割中由于工作臺進給精度低、導(dǎo)輪串動等因素均可導(dǎo)致切割跑偏；特別是精密切割各向異性的KDP晶體時，因為材質(zhì)本身力學(xué)特性的各向異性，線鋸可能會在切割過程 中沿垂直于切割面方向發(fā)生跑偏；特別是有時候需要對具有非對稱和不規(guī)則形狀工件材料 進行切割時，更易發(fā)生切割跑偏現(xiàn)象。如圖3所示，其中圖3a表示對方形工件的邊角切割 (一種非對稱切割)，圖中箭頭表示工件材料對切入其內(nèi)的線鋸的支撐，顯然，工件尖角一 端獲得較小支撐力，線鋸總體受到偏向于工件尖角的推力Δ ·，隨著切割深入，線鋸會逐漸 向左，即工件尖角方向跑偏；其中圖3b所示為方形工件與線鋸角度錯開的情況，如圖中所 示，處于工件上部的線鋸獲得偏向右的推力Af1，處于工件下部的線鋸獲得偏向左的推力 Δ f2，則線鋸總體受到順時針扭矩作用，切割時，處于工件上部的線鋸向右跑偏，處于工件 下部的線鋸向左跑偏。本發(fā)明在檢測到線鋸跑偏量之后，通過采用改變工作臺位置、仰角，亦即通過采用 改變工件位姿的方式對線鋸跑偏進行糾正，其實現(xiàn)原理如圖4、圖5所示，其中圖4c圖表示 切割中工件上下兩個位置傳感器檢測到線鋸的向右跑偏量ε，則控制系統(tǒng)在相應(yīng)算法計算 后，確定工作臺向右矯正量、通過驅(qū)動電機，使工作臺右移，見圖4d圖所示。則線鋸?fù)瑯?跟隨工件右移，該偏移使處于工件切割區(qū)域的線鋸在自身張緊力的作用下，產(chǎn)生向左的合 力Afc，當Afc大于導(dǎo)致跑偏的力時，線鋸會向左側(cè)漸漸糾正，直至切割偏差消失，如圖4e 所示，這時系統(tǒng)再反向調(diào)整工作臺，使之返回到線鋸跑偏前的狀態(tài)，如圖4f所示。圖5g所示 為線鋸在工件上下部位偏差不等，且偏移方向相反的情況，此時，控制系統(tǒng)會依據(jù)偏差ε 1、 ε 2分別計算出向右、向左矯正量δ 、δ 2。為實現(xiàn)矯正，控制系統(tǒng)通過相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)使工 作臺順時針旋轉(zhuǎn)ω，并平移δ 3，如圖5h圖所示，當線鋸在自身張緊力作用下，逐漸使跑偏 量消除時(如圖5i所示)，系統(tǒng)退出糾偏步驟，工作臺通過反向平移工作臺δ3、反向旋轉(zhuǎn) 角度ω，使之返回到線鋸跑偏前的正常切割狀態(tài)，如圖5j所示。(3)基于零點位置記憶的控制算法結(jié)合上述糾偏實施方法，可見在糾偏后，線鋸的偏移量經(jīng)CCD光電傳感器檢測后 示值更大，且線鋸以及工作臺的位置都發(fā)生了移動，為了能夠準確糾偏，本發(fā)明提出基于零 點位置記憶的控制算法。即線鋸切割即將開始時，控制系統(tǒng)采集線絲和工作臺沿垂直于切 割面方向的原始位置，然后開始切割，當切入工件的線鋸跑偏時，CCD光電傳感器即捕獲到 線鋸位置偏差，系統(tǒng)進入糾偏階段，工作臺做出相應(yīng)的仰角和位置調(diào)整后，糾偏開始，CCD光 電傳感器此時所采集的線鋸偏差作為糾偏效果監(jiān)測。當監(jiān)測到偏移量得以修正后，系統(tǒng)退 出糾偏階段，并反向調(diào)整工作臺的仰角和位置，使工作臺返回到垂直于切割面方向上的原 始位置。以圖4所示的糾偏過程為例，設(shè)切割開始時，控制系統(tǒng)采集到的線鋸和工作臺原 始位置分別為Ρο，Ρwo，偏差發(fā)生時，線鋸和工作臺位置分別為P1,Ρwo，則有P1-Po = ε ,Pwl-Pwo =0。當糾偏階段開啟后，設(shè)此時線鋸和工作臺位置分別為P2，Pw2，則隨著工作臺的糾偏移 動量δ，有P2-Pci= ε+ δ, Pw2-Pw0= δ。隨著偏差減小，線鋸會逐漸回歸，當回歸了 ε時， 即線鋸跑偏量消失，線鋸回到工件初始切割位置，即零點，設(shè)此時線鋸和工作臺位置分別為 P3，Pw3，則有P3-Po= δ, Pw3-Pw0= δ，糾偏結(jié)束，系統(tǒng)退出糾偏階段，工作臺亦回退δ，返回 到原始位置，切割正常進行，此時線鋸和工作臺位置分別為Po, Pwo。糾偏量的計算算法在給定偏差ε后，可以由PID控制算法確定糾偏量δ?；谡`差反饋的系統(tǒng)控制原理如圖6所示；控制系統(tǒng)程序框圖見于圖7。本發(fā)明的效果和益處是通過偏差發(fā)現(xiàn)即糾正，達到切割過程糾偏快速、實時的目 的，而采用非接觸式的基于工作臺(工件)移動的糾偏方法，可以在不觸及線鋸的情況下進 行糾偏，從而避免接觸式線鋸矯正方面帶來的線鋸、糾偏工具磨損。本發(fā)明糾偏精度主要取 決于C⑶光電傳感器分辨力以及線鋸表面狀況。采用像元間距為7 μ m的CXD光電傳感器 時，則在出現(xiàn)7 μ m的線鋸跑偏時，系統(tǒng)立即動作，通過工作臺的微小移動和俯仰，使該7 μ m 左右的切割跑偏趨于零。另外線鋸表面高低參差的金剛石磨粒突起，會影響CCD光電傳感 器的測量值。鑒于當前常用線鋸表面磨粒出刃高度為ΙΟμπι左右，則在工作臺沿糾偏方向 定位精度滿足要求的情況下(定位精度在10 μ m以下)，該發(fā)明理論上可以得到7+10 = 17 μ m的最高糾偏精度。


圖1是位置偏差檢測示意圖。圖2是切割系統(tǒng)示意圖。圖中1導(dǎo)輪；2線鋸；3冷卻液噴嘴；4工件；5CXD線鋸位置傳感器；6工作臺；6a 工作臺角度調(diào)整鉸鏈；6b連接工作臺與絲杠螺母的鉸鏈；7移動工作臺；7a絲杠螺母；7b工 作臺角度調(diào)整絲杠；7c工作臺角度調(diào)整驅(qū)動電機；7d連接工作臺角度調(diào)整驅(qū)動電機與移動 工作臺的鉸鏈；8進給工作臺；8a移動工作臺驅(qū)動電機；8b移動工作臺驅(qū)動絲杠；9線鋸機 床床體。圖3a是切割工件邊角時線鋸受力情況示意圖。圖3b是切割偏斜工件時線鋸受力情況示意圖。圖4是工件上下方線鋸跑偏相同時糾偏過程示意圖。圖中ε是線鋸跑偏量；δ是系統(tǒng)糾偏量。圖5是工件上下方線鋸跑偏不相同時糾偏過程示意圖。圖中ε 1是工件上方線鋸跑偏量；ε 2是工件下方線鋸跑偏量；δ 1是系統(tǒng)在工 件上方的糾偏量；S 2是系統(tǒng)在工件下方的糾偏量；δ 3是工作臺平移量；ω是工作臺調(diào)整 的角度。圖6是系統(tǒng)控制原理圖。
圖7是控制系統(tǒng)程序框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施例，具體實施步驟如下。步驟1.首先完成工件裝夾、線鋸對刀、將兩個C⑶光電傳感器分別置于工件的上 下方，并使之盡量貼近工件，使線鋸恰好通過CCD正中，這時，計算機控制系統(tǒng)會通過CCD光 電傳感器記錄未與工件接觸的、繃直的線鋸的位置，該位置用于表征工件初始切割面位置。步驟2.開始切割，CXD開始實時檢測線鋸切割跑偏情況。步驟3.跑偏的糾偏策略。當其中一個CCD檢測到線鋸跑偏，則同時判斷另一個 CXD是否也有跑偏，如果有，是否與自身偏差在方向上和數(shù)值是否相同。這里可歸納為2種 情形，第一種情形另一個CCD無跑偏或者跑偏在方向上和數(shù)值上不同，則此時通過先調(diào)節(jié)工作臺的俯仰角度，再平移工作臺以滿足控制系統(tǒng)通過PID算法計算出來的工件上下部分 的兩個糾偏量；第二種情形另一個CCD檢測到的線鋸跑偏在方向上和數(shù)值上與自身檢測 相同，則此時可以直接對工作臺平移計算所得的糾偏量，不需調(diào)整工作臺角度。
步驟4.糾偏效果監(jiān)測及糾偏完成階段通過CCD光電傳感器不斷采集采集線鋸相 對于工件切割零點的位置來檢測糾偏效果，當線鋸回歸到原始切割面時，表明線鋸跑偏偏 差消失，糾偏完畢，這時，控制系統(tǒng)會執(zhí)行糾偏開始時各步驟的逆過程，即如果工作臺調(diào)整 過角度，則對工作臺進行相應(yīng)角度的反轉(zhuǎn)；如果工作臺發(fā)生過平移，則反向平移工作臺相應(yīng) 的距離，這樣，線鋸糾偏步驟完成，線鋸和工件當前切割表面均回歸到切割開始時工件原始 切割表面的位置，切割繼續(xù)正常進行?？刂葡到y(tǒng)會重復(fù)步驟2到步驟4，不斷發(fā)現(xiàn)偏差，解決 偏差。 控制系統(tǒng)程序框圖見于圖7。
權(quán)利要求
一種金剛石線鋸精密切割過程實時糾偏方法，使用光電位置檢測元件構(gòu)成的糾偏控制系統(tǒng)，實時檢測金剛石線鋸位置偏移量，并反饋給控制系統(tǒng)，控制切割機床工作臺做出相應(yīng)的位置、角度調(diào)整，以實現(xiàn)切割糾偏，其特征在于(a)糾偏控制系統(tǒng)使用線陣CCD或者面陣CCD光電傳感器作為線鋸位置偏差檢測元件，且所述傳感器沿著線鋸分別放置于工件上、下表面，并貼近工件；(b)糾偏控制算法基于工件原始切割面位置的記憶，糾偏以線鋸回歸到該零點位置為目標；(c)切割糾偏動作是基于工作臺以下三種動作1)角度調(diào)整；2)平移；3)角度調(diào)整結(jié)合平移。
全文摘要
一種金剛石線鋸精密切割過程實時糾偏方法，屬于大尺寸人工晶體的精密切割加工技術(shù)領(lǐng)域。其特征是使用光電位置檢測元件，實時檢測金剛石線鋸位置偏移量，并反饋給計算機控制系統(tǒng)，控制工作臺做出相應(yīng)的位置、角度調(diào)整，從而使線鋸向降低切割偏差的方向移動，實現(xiàn)切割糾偏。本發(fā)明的效果和益處在于采用非接觸式的線鋸位置檢測和線鋸糾偏動作，可以避免對線鋸的接觸式檢測和糾偏所帶來的磨損；另外，本發(fā)明所采用的基于偏差反饋的糾偏策略，較之通過提高機床精度以降低切割跑偏的方法，可以在不顯著提高線鋸切割系統(tǒng)造價的同時，對大尺寸工件的線鋸精密切割獲得良好的糾偏效果。理論上本發(fā)明可以得到17μm的最高糾偏精度。
文檔編號B28D1/32GK101817209SQ20101014133
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者滕曉輯, 王強國, 郭東明, 高航 申請人:大連理工大學(xué)