一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构及其控制方法与流程

本发明属于振动控制技术领域，涉及一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构，本发明还涉及利用上述控制机构进行张力控制的方法。

背景技术：

在单线往复式金刚石线锯切割机床切割硬脆材料时，线锯由于刚度较低，在加工过程中极易产生变形及振动，振动幅度和频率直接决定了加工的质量。在实际锯切过程中不可避免地存在线锯的横向振动，造成锯缝侧面工件材料的二次去除，在锯缝表面形成新的裂纹，扩展原有的裂纹，使工件材料以脆性材料去除方式从锯缝侧面去除，最终锯缝略大于线锯线径。但是随着工件直径越来越大和切片厚度越来越小，使得对线锯振动控制的要求越来越高。通常情况下，线锯振动越严重，加工表面的质量越差，尺寸误差也越大。主要表现为切割出来的单晶片翘曲度较大、平行度较差、总厚度误差和中心厚度误差较大。可以通过控制张力来控制加工过程中线锯的振动。张力控制不好将产生线痕片、崩边、甚至断线，从而造成重大的经济损失，并且在切割过程的不同阶段所要求的线锯张力也不相同。

往复式电镀金刚石线锯在加工过程中受到的作用力情况复杂多变，振动情况十分复杂。线锯的振动既有接近线锯固有频率的高频振动，也有相对低频率的振动；不仅有垂直于运丝方向的横向振动，还有沿运丝方向的纵向振动。并且横向振动对线切割机床的加工质量的影响更为显著。线锯张力的变化是造成线锯振动的不可忽视的重要因素。线锯张力恒定，避免线锯的时紧时松，能明显改善运丝系统的稳定性。因此，需要设计一种张力控制机构来维持线锯张力的稳定，从而改善线锯在切割过程中的振动情况，获得良好的加工质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构，用于使线锯张力在切割过程中维持稳定，获得良好的加工质量。

本发明的另一目的是提供一种往复式金刚石线锯切割机张力控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构，包括水平设置的底板，底板的一端设有电机，电机的主轴上套接有齿轮a，齿轮a与齿轮b啮合，齿轮b与齿轮a的轴线平行且位于齿轮a的正下方，滚珠丝杠的一端套接在齿轮b中并通过轴承座b支撑，轴承座b固定在底板上并靠近齿轮b设置，滚珠丝杠的另一端通过轴承座a支撑，轴承座a的上方设有导线轮支架，导线轮支架上设有两个导线轮，轴承座a位于底板的另一端，滚珠丝杠与底板平行设置，滚珠丝杠上设有丝杠螺母座，丝杠螺母座上方设有移动基座，移动基座上设有传感器和张力调节轮，传感器和电机驱动器均与控制器连接，控制器还连接有上位机，电机驱动器与电机连接；

其中张力调节轮与两个导线轮位于同一水平面上且成三角形方位设置，两个导线轮的中心轴线与张力调节轮的中心轴线均与底板垂直；

其中移动基座包括水平设置的滑板，滑板的两端分别设有支座a和支座b，支座a和支座b之间设有两条相互平行的光杆，浮动块的两端分别设置在两条光杆上，张力调节轮设置在浮动块的上端，传感器位于支座a和浮动块之间。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

其中轴承座a与轴承座b之间还设有两条相互平行的圆柱形导轨，两条导轨均与滚珠丝杠平行，且滚珠丝杠位于两条导轨之间。

其中导线轮支架的两端分别开设有调节槽，两个导线轮的中心处分别套接有螺栓a，两个螺栓a相应穿过两个调节槽并通过螺母固定。

其中控制器内部的芯片型号为TMS320F28335DSP。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种往复式金刚石线锯切割机张力控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将张力控制机构与整个运丝系统连接，连接完成后对工件进行切割；

连接的具体过程为：将线锯依次从一个导线轮、张力调节轮及另一个导线轮中呈“U”型路线绕过；

步骤2，将移动基座调节置于滚珠丝杠的中间位置，启动上位机，在上位机中设置参数；

参数具体为：线锯张力的预设值T₀，电机驱动器的脉冲频率F，线锯张力调节量的误差e_T，控制器的采样间隔时间t；

步骤3，通过传感器采集线锯切割过程中的张力T，并输出与张力T对应的模拟电压V，然后将模拟电压V发送给控制器，控制器将模拟电压V转化为数字量；

步骤4，重复执行步骤3多次，求上述得到的各数字量的平均值U_m；

步骤5，在控制器中将步骤4所得的平均值U_m转换为张力值Tt，根据所得的张力值T_t分别判断电机启停的电平高低与电机转向的电平高低；

步骤6，电机驱动器根据步骤5所得的判断结果驱动电机进行相应的动作，从而对线锯的张力进行调节，间隔时间t之后转至步骤3。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

其中步骤2中控制器的采样时间t为0.002s～0.005s，电机驱动器的脉冲频率F为2000Hz～4000Hz。

其中步骤5中通过如下公式(1)将数字量平均值U_m转换为张力值Tt：

$Tt=\frac{3.0}{4095}\·U_m---\left(1\right);$

当|Tt-T0|≥e_T时，控制器的电机启动/停止控制端口输出高电平，反之，输出低电平；

当Tt≥T0时，控制器的电机转向控制端口输出高电平，反之输出低电平。

其中步骤6的具体过程为：

当电机驱动器接收到控制器的启动/停止控制端口输出的高电平时，电机启动，并以脉冲频率F运转，反之停止。

当电机驱动器接收到控制器的电机转向控制端口输出的高电平时，电机正转，反之反转。

本发明的有益效果是，本发明提供的线锯张力控制机构，采用传感器对线锯张力进行实时监测，传感器将采集到的张力值以模拟电压的形式输送到控制器内，控制器将模拟电压值转换为数字量，将数字量再次转换成张力值，将此张力值与预设的张力值进行比较，判断电机的启停与转向，从而对线锯张力进行相应的调节，实现了线锯张力的恒定控制，保证加工过程切削材料表面质量的稳定性。本发明提供的线锯张力控制方法能够在线锯加工过程中，实时控制线锯的张力保持在预设值，避免线锯张力过大发生拉断，并且能够降低线锯的振动。

附图说明

图1是本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构的主视图；

图2是本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构的俯视图；

图3是本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构中导线轮支架的俯视图；

图4是线锯切割工件时的运丝系统结构示意图。

图中，1.轴承座a，2.导线轮支架，3.支座a，4.传感器，5.浮动块，6.支座b，7.轴承座b，8.齿轮a，9.齿轮b，10.底板，11.丝杠螺母座，12.线锯，13.导线轮，14.滑板，15.张力调节轮，16.导轨，17.电机，18.滚珠丝杠，19.光杆，20.螺栓a，21.螺栓b，22.调节槽，23.控制器，24.上位机，25.电机驱动器，26.导轮a，27.导轮b，28.导轮c，29.储丝筒，30.工件，31.导轮d。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构，结构如图1、2所示，包括水平设置的底板10，底板10的一端设有电机17，电机17的主轴上套接有齿轮a8，齿轮a8与齿轮b9啮合，齿轮b9(轴线)与齿轮a8的轴线平行且位于齿轮a8的正下方，滚珠丝杠18的一端套接在齿轮b9中并通过轴承座b7支撑(滚珠丝杠18的一端通过齿轮b9支撑)，轴承座b7固定在底板10上并靠近齿轮b9设置，滚珠丝杠18的另一端通过轴承座a1支撑，轴承座a1的上方设有导线轮支架2，导线轮支架2上设有两个导线轮13，轴承座a1位于底板10的另一端，滚珠丝杠18与底板10平行设置，滚珠丝杠18上设有丝杠螺母座11(丝杠螺母座11中设有与滚珠丝杠18配合的丝杠螺母)，丝杠螺母座11上方设有移动基座，移动基座上设有传感器4和张力调节轮15，传感器4和电机驱动器25均与控制器23连接，控制器23还连接有上位机24，电机驱动器25与电机17连接。

控制器23采用TI(德州仪器)公司的TMS320F28335DSP芯片，该芯片处理速度高，外部接口多，能够更好地实现张力控制器所需要的功能。

电机驱动器25的型号为DM542。

其中张力调节轮15与两个导线轮13位于同一水平面上且成三角形方位设置，两个导线轮13的中心轴线与张力调节轮15的中心轴线均与底板10垂直。

其中移动基座包括水平设置的滑板14，滑板14的两端分别设有支座a3和支座b6，支座a3和支座b6之间设有两条相互平行的光杆19，浮动块5的两端分别设置在两条光杆19上，张力调节轮15设置在浮动块5的上端，传感器4的一端连接在支座a3的一侧，传感器4的另一端连接在浮动块5的一侧(传感器4内部的传感器拨片靠近浮动块5设置)。浮动块5可沿光杆19运动。

其中传感器4的型号为ZNLBM—±5KG。

其中电机17为步进电机。

其中轴承座a1与轴承座b7之间还设有两条相互平行的圆柱形导轨16，两条导轨16均与滚珠丝杠18平行，且滚珠丝杠18位于两条导轨16之间。

其中导线轮支架2的两端分别开设有调节槽22(参见图3)，两个导线轮13的中心处分别套接有螺栓a20，两个螺栓a20相应穿过两个调节槽22并通过螺母固定，两个导线轮13可分别沿着两个导向槽22移动，从而调节两个导向轮13之间的相对距离。两个导线轮13可绕螺栓a20转动，张力调节轮15可绕螺栓b21转动。

本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构的工作原理为：线锯12依次从一个导线轮13、张力调节轮15及另一个导线轮13中绕过，在线锯切割过程中，移动基座初始位置位于滚珠丝杠18的中间，通过PC机24输入线锯12初始所受张力的预设值，即线锯12在初始时受到预紧力，传感器4在初始时能感应到由初始的预紧力产生的压力，线锯12在切割过程中，线锯12张紧或放松时，张力调节轮15会产生相应的位移，浮动块5会随着张力调节轮15一起运动，由于张力调节轮15与传感器4连接，因此浮动块5运动会改变传感器4所受到的压力，传感器4在浮动块5运动过程中产生的压力会实时发送给控制器23，控制器23根据此时产生的压力计算出此时线锯12产生的张力，如果此时线锯12的张力大于其预设值，控制器23将会将此信号发送给电机驱动器25，电机驱动器25驱动电机17正转，电机17将会输出一定的角位移使丝杠螺母座11带动张力调节轮15向左(靠近传感器4所在方位)移动，减小线锯12的张紧程度从而减小线锯12的张力，直到达到预设值或者在预设值允许的误差(即调节误差量e_T)范围内为止；如果线锯12张力小于其预设值，控制器23将此信号发送给电机驱动器25，电机驱动器25驱动电机17反转，电机17将会输出一定的角位移使丝杠螺母座11带动张力调节轮15向右(远离传感器4所在方位)移动，增大线锯12的张紧程度从而使线锯12张力增大直到达到预设值或者在预设值允许的误差范围内为止；在线锯12切割过程中，线锯12的张力调节过程根据线锯12的张紧或放松情况重复进行，直至整个切割过程结束为止，整个装置停止动作。

本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将张力控制机构(即上述一种往复式金刚石线锯切割机张力控制机构)与整个运丝系统连接，连接完成后对工件30进行切割；

连接的具体过程为：将线锯依次从一个导线轮13、张力调节轮15及另一个导线轮13中呈“U”型路线绕过；

如图4所示，工件切割过程中，线锯12从储丝筒29出来后依次从导轮a26、一个导线轮13(导线轮a)、张力调节轮15、另一个导线轮13(导线轮b)、导轮b27、工件30、导轮c28及导轮d31中绕过，最后又回到了储丝筒29。

步骤2，将移动基座调节置于滚珠丝杠18的中间位置，启动上位机24，在上位机24中设置参数；

参数具体为：线锯张力的预设值T₀(预设值T₀即线锯12在切割过程中正常状态下的张力值)，电机驱动器25的脉冲频率F(F为2000Hz～4000Hz)，线锯张力调节量的误差e_T，控制器23的采样间隔时间t(t为0.002s～0.005s)；

步骤3，通过传感器4采集线锯切12割过程中的张力T，并输出与张力T对应的模拟电压V，然后将模拟电压V发送给控制器23，控制器23将模拟电压V转化为数字量；

步骤4，重复执行步骤3多次，求上述得到的各数字量的平均值U_m(例如：重复执行步骤3十次，将十次所得的数字量加起来求和再除以10，记得平均值U_m)；

步骤5，在控制器23中将步骤4所得的平均值U_m转换为张力值Tt，根据所得的张力值T_t分别判断电机17启停的电平高低与电机17转向的电平高低；

具体过程为：通过如下公式(1)将数字量平均值U_m转换为张力值Tt：

$Tt=\frac{3.0}{4095}\·U_m---\left(1\right);$

当|Tt-T0|≥e_T时，控制器(23)的电机启动/停止控制端口输出高电平，反之，当|Tt-T0|<e_T时，控制器(23)的电机启动/停止控制端口输出低电平；

当Tt≥T0时，控制器(23)的电机转向控制端口输出高电平，反之，当Tt<T0时，控制器(23)的电机转向控制端口输出低电平。

步骤6，电机驱动器25根据步骤5所得的判断结果驱动电机17进行相应的动作，从而对线锯12的张力进行调节，间隔时间t之后转至步骤3，在对工件30切割过程中，步骤6执行完成后会，间隔时间t之后跳转至步骤3继续执行整个过程，若执行至步骤6，工件30被切割完成，则步骤6执行完成后就停止动作，不再向步骤3跳转。

步骤6的具体过程为：

当电机驱动器25接收到控制器23的启动/停止控制端口输出的高电平时，电机17启动，并以脉冲频率F运转，反之，若电机驱动器25接收到控制器23的启动/停止控制端口输出的低电平时，电机17停止动作；

当电机驱动器25接收到控制器23的电机转向控制端口输出的高电平时，电机17正转，反之，若电机驱动器25接收到控制器23的电机转向控制端口输出的低电平时，电机17反转；

电机17正转时，电机17带动齿轮a8转动，齿轮a8通过齿轮b9带动滚珠丝杠18转动，滚珠丝杠18转动时，移动基座(通过丝杠螺母座11)在滚动丝杠18上运动，移动基座带动张力调节轮15向左(图1中靠近传感器4所在方位)移动，减小线锯12的张紧程度从而减小线锯12的张力；

电机17反转时，电机17带动齿轮a8转动，轮a8通过齿轮b9带动滚珠丝杠18转动，滚珠丝杠18转动时，移动基座(通过丝杠螺母座11)在滚动丝杠18上运动，移动基座带动张力调节轮15向右(远离传感器4所在方位)移动，增大线锯12的张紧程度从而使线锯12张力增大；

控制器23先对电机17的启动或停止进行判断，若电机17启动，再对电机17的转向进行判断。

本发明一种往复式金刚石线锯切割机张力控制方法，需要重复步骤3～7多次，在每一次从步骤3～7执行的过程中，当执行到第5步时，都需要重复步骤3多次(重复次数可为10n次，n＝1、2、3……)，求得数字量的平均值U_m后，再执行下一个步骤。

本发明能够在线锯加工过程中，实时控制线锯12的张力保持在预设值，避免线锯张力过大发生拉断，并且能够降低线锯的振动，提高加工质量。