一种线锯切割过程的闭环速度控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，通过测力仪实时采集工件受力信息，由控制单元对当前采集力和预先设定的参考力进行比较，计算线锯速度的调节量，控制电机驱动模块调整滚筒电机的输出转速，从而实现线锯切割过程中线锯速度控制。本发明专利技术还公开了该方法所用的控制系统。本发明专利技术能对线锯切割过程的锯丝速度进行实时调控，实现线锯切割过程中切割力的恒定控制，既能避免切割离过大发生锯丝断裂，又能避免机床的微小振动造成的切片裂纹，保证切割加工过程中切片表面质量的稳定性与精度。

Closed loop speed control system and control method for wire saw cutting process

The invention discloses a closed loop speed control method for the wire saw cutting process. Through the dynamometer, the force information of the workpiece is collected in real time. The control unit compares the current acquisition force with the predetermined reference force, calculates the speed of the wire saw, and controls the output speed of the motor drive module to adjust the roller motor. The speed control of the wire saw in the cutting process of the wire saw. The invention also discloses a control system used in the method. This invention can control the wire saw speed in real time and realize the constant control of the cutting force in the cutting process of the wire saw, which can not only avoid cutting off the breakage of the saw wire, but also avoid the micro crack caused by the small vibration of the machine tool, and ensure the stability and precision of the slice surface quality during the cutting process.

【技术实现步骤摘要】
一种线锯切割过程的闭环速度控制系统及控制方法
本专利技术属于线锯切割
，具体涉及一种线锯切割过程的闭环速度控制系统，还涉及了其控制方法。
技术介绍
近年来，现代信息产业飞速发展，硅以及碳化硅等半导体材料作为集成电路产业的重要材料应用日趋广泛，对半导体材料的纯度、表面质量、精度要求也越来越严格。线锯切割机是目前最广泛应用的切割设备，该设备只能在进给速度和线锯速度等工艺参数恒定的情况下进行切片的加工，但在线锯速度恒定的切割过程中，切削量一般少于进给量，切割直径一直在发生变化，工件与线锯之间的接触弧长以及切割力呈持续变化趋势，机床的微小振动可能会导致晶片裂纹，并快速发展使得晶片周边裂纹增多。切割过程中线锯一直与晶片摩擦，导致晶片沿裂纹碎成多块，无法得到完整的后续工艺可用于切片。另外，对于往复式线锯切割，线锯切割机床切割工件材料时，锯丝在运动过程中存在频繁换向，切割力突变；线锯在换向期间受到瞬间冲击力而产生绷断，切片易崩碎；线锯切割过程中，线锯与工件材料的接触弧长时刻发生变化，切割力波动，切片表面平整度不足。在整个切割过程中由于多种因素，如线锯的磨损、机床的振动、切削液的浓度、线锯的张紧力等一些未知因素等都有可能导致锯切力发生变化。根据施工要求，切片的精度必须保持在一定的范围内，而现有线锯切割对于切割力的控制都不能达到理想的状态。切割力过大会使晶片崩碎、线锯易磨损甚至绷断，影响工件材料的表面质量，加大线锯切割加工的总体成本。切割力过小会造成切割时间过长，影响切割加工的整体效率。因此，如何使控制切割过程中的切割力保持稳定是保证工件材料切割质量的亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，对锯丝速度进行实时调控以维持恒定切割力，解决目前线锯切割过程无法控制切割力的问题。本专利技术的另一目的是提供一种线锯切割过程的闭环速度控制系统。本专利技术的原理是通过测力仪将工件所受力的信息传送到控制单元，控制单元对当前采集力和预先设定的参考力进行比较，确定是否需要调整线锯速度，然后控制电机驱动模块调整滚筒电机的转速，进而实现对切割力的控制。因此，本专利技术所采用的第一个技术方案是，一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，包括以下步骤：步骤1，启动控制系统，设定参考切割力Fr以及允许的误差n。步骤2，启动线锯切割机对工件进行线锯切割，切割过程中，每间隔一定时间由测力仪采集切割过程中工件所受的法向力Fn，并传送给控制单元。步骤3，控制单元接收到测力仪的数据后，计算切割力偏差e(k)，e(k)＝Fn-Fr，若│e(k)│≤n，则维持当前线锯速度不变；若e(k)＞n，控制单元计算出线锯速度调整值Vs，然后控制线锯切割机的滚筒电机的转速升高至Vs(k)，从而使切割力降低至允许的范围内；反之，控制滚筒电机的转速降低至Vs(k)，从而使切割力升高至允许的范围内。其中，线锯速度调整值Vs(k)的计算方法有两种，一种为PID控制法，一种为最小方差自适应控制法。(1)PID控制的计算过程如下：e(k)＝Fn(k)-Frup(k)＝[kc*e(k)]u(k)＝up(k)+uI(k)+uD(k)Vs(k)＝u(k)式中，kc表示控制器增益，e(k)表示切割力偏差，Δt是控制器的采样间隔时间，Ti为积分系数，Td为微分系数。(2)最小方差自适应控制计算过程如下：系统模型为A(z-1)Fn(k)＝z-1B(z-1)Vs(k)+ξ(k)Fn(k)+a1Fn(k-1)+a2Fn(k-2)＝b0Vs(k-1)+b1Vs(k-2)+ξ(k)a2,f0＝b0,f1＝b1其中，A(z-1)＝1+a1z-1+a2z-2B(z-1)＝b0+b1z-1,b0≠0C(z-1)＝1E(z-1)＝1G(z-1)＝g0+g1z-1F(z-1)＝f0+f1z-1根据下式即Diophantine方程C(z-1)＝A(z-1)E(z-1)+z-1G(z-1)F(z-1)＝B(z-1)E(z-1)得：g0＝-a1,g1＝-a2,f0＝b0,f1＝b1故：根据系统辨识中阶次辨识线锯速度与切割力组成的对应系统为二阶系统，式中a1,a2,b0,b1是采用遗忘因子最小二乘法实现在线辨识得到的系统参数，Fn(k)表示k时刻的切割力，Fn(k-1)表示(k-1)时刻的切割力，Vs(k-1)表示(k-1)时刻的线锯速度，ξ(k)表示系统中的噪声干扰以及振动误差，Vs(k)表示k时刻输出的线锯速度。本专利技术的控制方法适用于多种线锯切割机，如往复式线锯切割机、多线式线锯切割机、电火花线切割、游离磨料线锯切割或金刚石线锯切割机等。本专利技术采用的另一个技术方案是，一种用于上述方法的线锯切割过程的闭环速度控制系统，所述控制系统包括安装在待切割工件上的测力仪和控制单元，控制单元包括数据采集卡和用于控制滚筒电机实时调速的调速模块，数据采集卡与测力仪相连，调速模块与线锯切割机的电机驱动模块相连。其中，调速模块包括单片机、RS232串口、电源控制模块和连接模块。测力仪优选三向压电式测力仪。本专利技术的有益效果是，本专利技术的闭环速度控制方法和控制系统能对线锯切割过程的锯丝速度进行实时调控，实现线锯切割过程中切割力的恒定控制，既能避免切割离过大发生锯丝断裂，又能避免机床的微小振动造成的切片裂纹，保证切割加工过程中切片表面质量的稳定性与精度。附图说明图1是实施例往复式固结金刚石磨粒线锯切割机的结构示意图；图2是本专利技术闭环速度控制系统的结构示意图；图3是本专利技术闭环速度控制中控制单元的结构示意图；图4是本专利技术闭环速度控制中调速模块的原理图；图5是本专利技术闭环速度控制方法的流程示意图。图中，1.机床，2.滚筒，3.线锯，4.电机，5.测力仪，6.工件，7.编码器，8.拖板。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术并不限于这些实施方式。将本专利技术闭环速度控制系统用于往复式固结金刚石磨粒线锯切割机的控制，往复式固结金刚石磨粒线锯切割机通常用于切割硅晶体、碳化硅等半导体材料以及蓝宝石等贵重硬脆材料。该往复式固结金刚石磨粒线锯切割机的结构如图1所示，包括水平放置的拖板8，拖板8的一端设有电机4，电机4通过联轴器带动滚筒2的主轴转动控制着对工件6切削成型的线锯3的速度，在与滚筒相连接的位置安装旋转编码器7实现对线锯速度的反馈。该切割机的具体结构为，电机4与带轮a通过主轴相连，带轮a通过皮带带动带轮b转动，带轮b与带轮a的轴线a平行且位于带轮a的正下方，带轮c与带轮b通过主轴b相连，带轮c通过皮带2带动带轮d转动，实现两级传动。滚珠丝杠的一端套接在带轮d上并通过丝杠螺母座d支撑，滚珠丝杠与拖板平行设置，拖板下方设置有丝杠螺母座，电机驱动滚筒通过带轮带动滚珠丝杠实现拖板左右移动。其中，拖板8为水平设置，拖板的两端分别设置有支座a、b和支座c、d，支座a、c和支座b、d之间通过两根相互平行的光杆连接，拖板底部有六个滑动块，分别均匀分布设置在两条光杆上，滑动块与拖板通过螺栓连接固定。丝杠螺母座与固结在机床本体上，且丝杠螺母座中心轴线的位置与滚珠丝杠以及光杆支座的中心轴线位置保持在同一平面上且相互平行。为了使往复式固结金刚石磨粒线锯切割机能够实现线锯调节，将原有的步进电机110HS20替换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，启动控制系统，设定参考切割力Fr以及允许的误差n；步骤2，启动线锯切割机对工件进行线锯切割，切割过程中，每间隔一定时间由测力仪采集切割过程中工件所受的法向力Fn，并传送给控制单元；步骤3，控制单元接收到测力仪的数据后，计算切割力偏差e(k)，e(k)＝Fn‑Fr，若│e(k)│≤n，则维持当前线锯速度不变；若e(k)＞n，控制单元计算出线锯速度调整值Vs，然后控制线锯切割机的滚筒电机的转速升高至Vs(k)，从而使切割力降低至允许的范围内；反之，控制滚筒电机的转速降低至Vs(k)，从而使切割力升高至允许的范围内。

【技术特征摘要】
1.一种线锯切割过程的闭环速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，启动控制系统，设定参考切割力Fr以及允许的误差n；步骤2，启动线锯切割机对工件进行线锯切割，切割过程中，每间隔一定时间由测力仪采集切割过程中工件所受的法向力Fn，并传送给控制单元；步骤3，控制单元接收到测力仪的数据后，计算切割力偏差e(k)，e(k)＝Fn-Fr，若│e(k)│≤n，则维持当前线锯速度不变；若e(k)＞n，控制单元计算出线锯速度调整值Vs，然后控制线锯切割机的滚筒电机的转速升高至Vs(k)，从而使切割力降低至允许的范围内；反之，控制滚筒电机的转速降低至Vs(k)，从而使切割力升高至允许的范围内。2.根据权利要求1所述的线锯切割过程的闭环速度控制方法，其特征在于，所述线锯速度调整值Vs(k)的计算方法为PID控制法，e(k)＝Fn(k)-Frup(k)＝[kc*e(k)]u(k)＝up(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淑娟，安蓓，王嘉宾，汤奥斐，赵智渊，李言，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61