專利名稱：一種切割曲面的多線切割機及其控制方法
技術領域：
本發明屬于多線切割機械的配套設施，主要用于稀土永磁材料切割加工，具體涉及一種切割曲面的多線切割機及其控制方法。
背景技術：
多線切割機是廣泛適用于單晶硅、藍寶石等切割加工領域的切割加工設備。 多線切割機包括沿Z軸方向上下移動的送料機構、收放線機構、鋼絲張力調整機構、噴
砂輸送機構、控制機構。多線切割機的切割原理是在高速往復運動的細鋼絲上，澆注金剛砂或氮化硅或碳化硅砂漿，高速運動的細鋼絲連同附著在鋼絲上的砂漿，研磨切割單晶硅、藍寶石等材料，達到切割的目的。多線切割機以其效率高、精度好、光潔度好在單晶硅切割加工中廣泛應用。近年來，該設備被引進到稀土永磁材料燒結釹鐵硼的平面切割加工中。目前在單晶硅切割加工中的多線切割機，在切割之前，將粘接好的被切割材料固定于送料板固定臺上，通過手柄調整與手柄連接的絲杠來調整被切割材料的相對切割位置。調整對0的過程人工操作。在切割的過程中，在多線切割機床控制系統的控制下，送料板沿切割絲網平面垂直方向(即Z軸方向)向上移動，完成平面切割。而在稀土永磁材料的加工中，除平面切割加工之外還有各種異形、曲面的切割加工。其中最普遍的曲面是圓弧面。而目前多線切割設備是不具備此功能的。多線切割設備引入釹鐵硼加工領域之后，不同廠家在此方面進行了不少的探索研究，各項專利技術有69項之多。但是到目前為止，還沒有一個是以解決曲面加工為目的的專利技術和文獻報導。
發明內容
為了滿足釹鐵硼曲面加工的要求，本發明提供一種切割曲面的多線切割機及其控制方法。本發明的基本思路是在現有多線切割機的切割料固定平臺的位置上，增加一個執行控制動作命令的Y軸方向運動執行部件(即為沿Y軸方向前后移動的滑動平臺)，在機床的控制系統上增加Y軸方向驅動電機和驅動電路，在控制裝置的內部增加曲面參數設置功能和切割時根據曲面參數進行計算的程序并向Y軸方向電機驅動電路發出行進/回退指令，這樣，在切割的過程中，通過改變切割鋼絲與待切割料在Y軸方向上的相對位置在規則變化，實現對被切割材料的曲面切割控制。一種切割曲面的多線切割機，包括沿Z軸方向上下移動的送料機構、收放線機構、 鋼絲張力調整機構、噴砂輸送機構、控制機構及控制電路，沿Z軸方向上下移動的送料機構包括Z軸方向上下移動的滑移裝置、驅動裝置，其特征是Z軸方向上下移動的滑移裝置上安裝一個沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，Y軸方向前后移動的滑動平臺與Z軸方向上下移動的送料機構進行協同移動，實現曲面切割。所述的Y軸方向前后移動的滑動平臺由下安裝板、上裝料板、滑動導向機構、動力傳遞機構構成，下安裝板與上裝料板之間設置滑動導向機構和動力傳遞機構。
所述的在沿Z軸方向上下移動的送料機構上安裝有測量Z軸方向上下移動位移量的測量裝置。所述的測量裝置為光柵尺位移傳感器。所述的滑動導向機構為絲杠螺母組件和導軌滑塊組件。所述的動力傳遞機構為步進電機的輸出軸上設有主動輪，主動輪通過皮帶連接從動輪，從動輪安裝在絲杠的一端。所述的絲杠螺母組件由絲杠和螺母組成，導軌滑塊組件由導軌和滑塊組成。所述的沿Y軸方向前后移動的滑動平臺為手動滑動工作平臺或自動滑動工作平臺。所述的自動滑動工作平臺，包括底座、滑移板，底座的上面設有滑塊、絲杠、步進電機，步進電機的輸出軸上設有主動輪，主動輪通過皮帶連接從動輪，從動輪安裝在絲杠的一端，滑移板的下面設有絲杠螺母、滑軌，滑軌設置在滑塊的凹槽內，絲杠螺母設置在絲杠上。所述的手動滑動工作平臺，包括底座、滑移板，底座的上面設有滑塊、絲杠，滑移板的下面設有絲杠螺母、滑軌，滑軌設置在滑塊的凹槽內，絲杠螺母設置在絲杠上。本發明中所述的Y軸方向，是指平行于多線切割機的絲網平面且垂直于裝料臺運動的方向，前后方向移動。所述的Z軸方向是指垂直于多線切割機的絲網平面且垂直于裝料臺運動的方向， 即上下方向移動。本發明還包括與本發明配套使用的PLC核心處理單元及其控制程序。本發明所指的曲面切割是二維曲面。一種切割曲面的多線切割機的控制方法，其特征是包括下述操作步驟設定待切割曲面參數、啟動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、周期讀取光柵尺的位置數據、繪制切割實時位置示意圖，所述的待切割曲面參數，包括曲面半徑、圓心位置在內則或外側以及待切割產品的弦寬或圓心角；在切割過程中根據Z軸方向的向上移動的切入、向下移動的退出的位移量和待切割的曲面參數來控制Y軸方向前后滑動平臺的位移量，實現多線切割機的曲面切割。即設定Z軸方向上下移動的進給速度之后，Y軸方向前后進給速度以Z軸方向上下移動的進給速度為參數，根據切割面的參數(半徑R、弦寬W、過切尺寸D)進行Y軸方向前后進給——回退控制；同時將Z軸方向上下移動的進給速度設定于控制裝置，控制裝置按照參數進行進給和回退的運動控制。具體的控制協調調整Z軸方向向上位移的高度，使切割鋼絲正好接觸在被切割材料的表面，然后回退(Γ0. 06毫米，準備切割。按下啟動鍵，然后緊接著按下Y軸方向前后滑動平臺進給啟動鍵，Z軸方向向上、Y 軸方向向前進給裝置開始運動。Z軸方向上下位移量=切割速度X切割時間，Y軸方向前后的位移量根據Z軸方向上下位移量的變化量進行進給或回退的運動控制。在切割過程中意外暫停時，按下暫停功能鍵之后，立即按下Y軸方向前后滑動平臺的暫停鍵。恢復切割時，按下繼續切割鍵之后立即按下Y軸方向前后滑動平臺的繼續切割鍵，直至切割完成。切割過程中的基本參數有半徑R (毫米)、寬度H (毫米)、刀縫W (毫米)、公差上限G (毫米)、切割速度V (毫米/秒)、切割時間t (秒)、過切尺寸GQ(mm)。本發明在切割之前，將粘接有待切割料的料板固定于沿Y軸方向前后移動的滑動平臺之上，然后向上移動沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，使切割鋼絲正好接觸在待切割料的表面上，且鋼絲正好位于準備切割的位置上，檢查確認圓弧半徑、圓心位置(+Y方向或-Y方向)、弦寬、過切量等切割參數，確認無誤后按下控制裝置的開始鍵，再啟動切割，直至完成，所切割完成的為二維曲面。本發明切割效率高、精度高、光潔度好。
圖1是本發明實施例一中ζ軸方向上下移動的送料機構的結構圖。圖2是圖1從另一個方向看的結構圖。圖3是本發明實施例一、二的切割控制操作方框圖。圖4是本發明實施例三的切割控制操作方框圖。圖5是本發明實施例四的切割控制操作方框圖。圖6是本發明實施例五的切割控制操作方框圖。圖7是本發明計算Z、Y軸位控制周期時段末應達到的移量的計算原理如圖。上述各切割控制操作方框圖中實線框為必備的基本功能，虛線框為示意顯示切割過程的輔助功能。圖中，1、Z軸方向滑移板，2、滑軌，3、電機，4、絲杠，5、絲杠螺母，6、滑塊，7、絲母，8、 光柵尺位移傳感器，9、光柵尺位移傳感器座，10、固定板，11、底座，12、導軌滑塊組件，13、主動輪，14、滑移板，15、絲杠螺母組件，16、電機，17、絲杠。實施例一 (Z軸方向裝光柵尺，Y軸不裝光柵尺)
圖1、圖2所示，本實施例是在現有的多線切割機上進行改進的，即現有的多線切割機的沿Z軸方向上下移動的送料機構的送料平臺上剛性連接安裝一個沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，該滑動平臺包括底座、導軌滑塊組件、絲杠螺母組件、滑移板，滑移板位于底座的上方且與底座通過絲杠螺母組件和導軌滑塊組件連接，絲杠螺母組件由絲杠和絲杠螺母組成，導軌滑塊組件由滑軌和滑塊組成，其中底座的上面通過螺栓安裝有滑塊，底座上通過螺栓安裝有絲杠座，絲杠座上設有絲杠，滑移板的下面設有絲杠螺母、滑軌。絲杠的一端與從動輪連接，從動輪與主動輪通過傳帶動連接，主動輪設置在同步電機的輸出軸上。沿Z軸方向上下移動的送料機構包括滑移板1、固定板10，固定板10上設有電機 3，電機3的輸出軸上安裝有絲杠4，絲杠螺母5設置在絲杠4上，絲杠螺母5與滑移板1剛性連接。滑移板1上固定安裝有滑塊6，固定板10上固定安裝有滑軌2，滑塊6與滑軌2配合使用。沿Y軸方向前后移動的滑動平臺設置在滑移板1的頂端。沿Z軸方向上下移動的送料機構的滑移板1上安裝有光柵尺位移傳感器座9，沿Z 軸方向上下移動的送料機構的固定板10上安裝有光柵尺位移傳感器8。本實施例的切割控制操作步驟包括設定待切割曲面參數、啟動Y軸方向移動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、周期讀取Z軸方向測量裝置的位置數據、計算控制Y軸方向移動行進位移量、繪制切割實時位置示意圖。其具體步驟是
1、將待切割加工的材料放置在沿Y軸方向前后移動的滑動平臺上，調整Z軸方向滑移板的高度，使材料正好與鋼絲接觸；2、回退0.03毫米，然后按下沿Y軸方向滑動平臺控制裝置的啟動鍵，此時Y軸方向滑動平臺控制裝置處于Z軸方向滑移板位置變化量的跟蹤狀態；
3、在操作控制裝置上設置切割參數、切割曲面參數，其中切割參數鋼絲張力為28牛 (直徑0. 18毫米的鋼絲)；滑移板1的進給速度為6毫米/小時；往復鋼絲運動速度為400 米/分鐘；鋼絲往復運動時間為20秒；過切量為1毫米；新絲進給速度為12米/分鐘；切割曲面參數材料寬度即滑移板1向上移動24毫米，切割半徑為18. 4毫米，材料最大公差為0. 08毫米；瓦片厚度即槽輪鋼絲的間隔為3毫米，選擇間距為3. 24毫米的槽輪；
4、開始砂漿泵的管路，在砂漿正常之后按下切割啟動鍵；
開始切割之后，滑移板1的位移量被安裝于沿Z軸方向上下移動的送料機構的光柵尺周期讀取(滑移板的位移量讀取周期為5 1000毫秒，本例選擇50毫秒)，在控制裝置讀取滑移板的位移量之后，根據曲面參數計算需要的沿Y軸方向前后移動的滑動平臺位移量，根據計算的沿Y軸方向前后移動的滑動平臺位移量，對步進電機驅動器進行位移控制。實施例二 本實施例的沿Y軸方向前后移動的滑動平臺的驅動采用手動，它與實施例一不同的是沿Y軸方向前后移動的滑動平臺的絲杠螺母組件的絲杠的一端設有手柄， 不設同步電機、從動輪、主動輪和從動帶，其它結構與實施例一相同。實施例三(Z軸、Y軸方向均裝光柵尺)
本實施例與實施例一不同的是在沿Y軸方向前后移動的滑動平臺上安裝一套光柵尺位移傳感器，用以檢測Y軸方向行進位移量的數據，其它結構與實施例一相同。其控制模式是用光柵尺位移傳感器讀取Z軸方向切割進給量，計算Y軸方向進給量的控制模式的操作步驟是設定待切割曲面參數、啟動Y軸方向移動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、周期讀取Z軸方向測量裝置的位置數據、計算控制Y軸方向移動行進位移量、繪制切割實時位置示意圖。其具體步驟是
1、將待切割加工的材料放置在沿Y軸方向前后移動的滑動平臺上，調整Z軸方向滑移板的高度，使材料正好與鋼絲接觸；
2、回退0.03毫米，然后按下沿Y軸方向滑動平臺控制裝置的啟動鍵，此時Y軸方向滑動平臺控制裝置處于Z軸方向滑移板位置變化量的跟蹤狀態；
3、在操作控制裝置上設置切割參數、切割曲面參數，其中切割參數鋼絲張力為28牛 (直徑0. 18毫米的鋼絲)；滑移板1的進給速度為6毫米/小時；往復鋼絲運動速度為400 米/分鐘；鋼絲往復運動時間為20秒；過切量為1毫米；新絲進給速度為12米/分鐘；切割曲面參數材料寬度即滑移板1向上移動24毫米，切割半徑為18. 4毫米，材料最大公差為0. 08毫米；瓦片厚度即槽輪鋼絲的間隔為3毫米，選擇間距為3. 24毫米的槽輪； 4、開始砂漿泵的管路，在砂漿正常之后按下切割啟動鍵；
開始切割之后，滑移板1的位移量被安裝于沿Z軸方向上下移動的送料機構的光柵尺周期讀取(滑移板的位移量讀取周期為5 1000毫秒，本例選擇50毫秒)，Y軸方向移動的滑移板的實際位置被設置在Y軸方向移動的光柵尺位移傳感器讀取，然后在控制裝置讀取位移數之后，根據曲面參數計算需要的Y軸方向位移量，根據計算的Y軸位移量對Y軸方向移動的步進電機驅動器進行位移控制。其切割參數、曲面參數、槽輪間距(瓦片厚度)同實施例
開始切割時，將首次讀取Z軸方向移動的光柵尺位移傳感器、Y軸方向移動的光柵尺位移傳感器的位置數據定義為起始位置數據，即開始切割之時，讀取并保存此數據值。控制計算周期控制系統內部設置，控制監測計算周期為50毫秒。計算Z、Y軸方向位移控制周期時段末應達到的移量的計算原理如圖7所示 在圖7中，ZR為在Z軸方向的高度位置，ZOO為開始切割時的Z軸割位置，Z0, YO分別
為上個周期末的Z、Y軸位置值，ZUYl分別為本次周期莫期末Z、Y軸的位置， Z軸位移量按照設定的參數值控制；Δ Z=ZO-Zl Yl=YdX [ V— (RXR— (Z0—ZR) X (Z0—ZR) ) —Υ00]
其中Yd值為1時圓心位置在內側，內弧面向內，Yd值為-1時決圓心位置在外側，內弧面向外。Yd的默認值為+1，即數值1。實施例四(Ζ軸、Y軸方向均不安裝光柵尺)
本實施例與實施例一不同的是不設光柵尺位移傳感器，其它結構與實施例一相同。其控制模式的操作步驟是設定待切割曲面參數、啟動Y軸方向移動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、啟動時間計數器、周期讀取計算Z軸滑移板位移量、 計算、控制Y軸方向行進位移量、繪制切割實時位置示意圖。本實施例的切割控制操作步驟與的控制協調調整Z軸方向向上位移的高度，使切割鋼絲正好接觸在被切割材料的表面，然后回退(Γ0. 06毫米，準備切割。按下啟動鍵，然后緊接著按下Y軸方向前后滑動平臺進給啟動鍵，Z軸方向向上、Y 軸方向向前進給裝置開始運動。Z軸方向上下位移量=切割速度X切割時間，Y軸方向前后的位移量根據Z軸方向上下位移量的變化量進行進給或回退的運動控制。在切割過程中意外暫停時，按下暫停功能鍵之后，立即按下Y軸方向前后滑動平臺的暫停鍵。恢復切割時，按下繼續切割鍵之后立即按下Y軸方向前后滑動平臺的繼續切割鍵，直至切割完成。切割過程中的基本參數有半徑R (毫米)、寬度H (毫米)、刀縫W (毫米)、公差上限G (毫米)、切割速度V (毫米/秒)、切割時間t (秒)、過切尺寸GQ(mm)。在圖7中，ZR為在Z方向的高度位置，ZOO為開始切割時的Z軸割位置，Z0, YO分別為上個周期末的Ζ、Y軸位置值，ZUYl分別為本次周期莫期末ζ、Y軸的位置，
Z軸位移量按照設定的參數值控制；Δ Z=ZO-Zl
AY=YdX [ V — (RXR— (Z0—ZR) X (ZO-ZR) ) 一 V — (RXR— (Zl-ZR) X (Zl— ZR))]
Yl=YdX [ V— (RXR— (Z0—ZR) X (ZO-ZR) ) —Y00]
其中Yd值為1時圓心位置在內側，內弧面向內，Yd值為-1時決圓心位置在外側，內弧面向外。Yd的默認值為+1，即數值1。切割參數鋼絲張力28牛(直徑0. 18毫米的鋼絲);Z軸進給速度選擇6毫米/小時；往復鋼絲運動速度400米/分鐘；鋼絲往復運動時間20秒；過切量1毫米；新絲進給速度Γ40米/分鐘；本實施例的材料切割速度為12米/分鐘。切割曲面參數材料寬度(Z軸高度)24毫米，切割半徑18. 4毫米，材料最大公差 0. 08毫米。瓦片厚度為3毫米，選擇間距為3. 24毫米的槽輪。
此種切割模式在如果運行暫停，會產生以時間為傳遞函數的Z計算軸位移量的誤差。實施例五本實施例將控制系統集成于多線切割機。即將Y軸方向移動平臺的控制系統，在功能上集成于多線切割機的控制系統中，在控制系統中的操作界面增加曲面參數輸入功能鍵(或者選擇菜單)，由曲面參數曲面輸入菜單或功能鍵進入參數設置頁面，曲面參數設置內容包括切割半徑、材料寬度(弦寬)、過切量、最大公差。開始切割前，將待切割加工的材料放置于沿Y軸方向移動的滑移平臺，調整Z軸方向滑移板的高度，使材料正好與鋼絲接觸，然后回回退0. 03毫米，然后打開砂漿泵的管路， 在砂漿正常之后按下切割啟動鍵開始切割直至完成。實施例五的執行部件的機構與實施例三相同，在具體的控制系統的PLC核心處理單元依據曲面參數，分別對Z軸方向和Y軸方向的步進電機發出行進指令。具體的1)在操作界面增加曲面參數設置菜單(選單)；2)在控制單元內部增加曲Z軸位移量的計算)；3) 在控制結構上增加X軸步進電機驅動電路。
權利要求
1.一種切割曲面的多線切割機，包括沿Z軸方向上下移動的送料機構、收放線機構、鋼絲張力調整機構、噴砂輸送機構、控制機構及控制電路，沿Z軸方向上下移動的送料機構包括Z軸方向上下移動的滑移裝置、驅動裝置，其特征是Z軸方向上下移動的滑移裝置上安裝一個沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，Y軸方向前后移動的滑動平臺與Z軸方向上下移動的送料機構進行協同移動，實現曲面切割。
2.根據權利要求1所述的一種切割曲面的多線切割機，其特征是所述的Y軸方向前后移動的滑動平臺由下安裝板、上裝料板、滑動導向機構、動力傳遞機構構成，下安裝板與上裝料板之間設置滑動導向機構和動力傳遞機構。
3.根據權利要求1所述的一種切割曲面的多線切割機，其特征是所述的在沿Z軸方向上下移動的送料機構上安裝有測量Z軸方向上下移動位移量的測量裝置，沿Y軸方向前后移動的滑動平臺上安裝有測量Y軸方向前后移動位移量的測量裝置，測量裝置為光柵尺位移傳感器。
4.根據權利要求2所述的一種切割曲面的多線切割機，其特征是所述的滑動導向機構為絲杠螺母組件和導軌滑塊組件，絲杠螺母組件由絲杠和螺母組成，導軌滑塊組件由導軌和滑塊組成；所述的動力傳遞機構為步進電機的輸出軸上設有主動輪，主動輪通過皮帶連接從動輪，從動輪安裝在絲杠的一端。
5.根據權利要求1所述的一種切割曲面的多線切割機，其特征是所述的沿Y軸方向前后移動的滑動平臺為手動滑動工作平臺或自動滑動工作平臺。
6.根據權利要求5所述的一種切割曲面的多線切割機，其特征是所述的自動滑動工作平臺，包括底座、滑移板，底座的上面設有滑塊、絲杠、步進電機，步進電機的輸出軸上設有主動輪，主動輪通過皮帶連接從動輪，從動輪安裝在絲杠的一端，滑移板的下面設有絲杠螺母、滑軌，滑軌設置在滑塊的凹槽內，絲杠螺母設置在絲杠上；所述的手動滑動工作平臺，包括底座、滑移板，底座的上面設有滑塊、絲杠，滑移板的下面設有絲杠螺母、滑軌，滑軌設置在滑塊的凹槽內，絲杠螺母設置在絲杠上。
7.切割曲面的多線切割機的控制方法，其特征是包括用光柵尺位移傳感器讀取Z軸方向切割進給量，計算Y軸方向進給量的控制模式，其操作步驟包括設定待切割曲面參數、 啟動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、周期讀取光柵尺的位置數據、繪制切割實時位置示意圖，所述的待切割曲面參數，包括曲面半徑、圓心位置在內則或外側以及待切割產品的弦寬或圓心角；在切割過程中根據Z軸方向的向上移動的切入、 向下移動的退出的位移量和待切割的曲面參數來控制Y軸方向前后滑動平臺的位移量，實現多線切割機的曲面切割。
8.根據權利要求7所述的切割曲面的多線切割機的控制方法，其特征是所述的用光柵尺位移傳感器讀取Z軸方向切割進給量，計算Y軸方向進給量的控制模式的操作步驟是設定待切割曲面參數、啟動Y軸方向移動控制系統、繪制設定切割路徑示意圖、啟動切割操作開始按鈕、周期讀取Z軸方向測量裝置的位置數據、計算控制Y軸方向移動行進位移量、繪制切割實時位置示意圖。
全文摘要
一種切割曲面的多線切割機，主要用于稀土永磁材料切割加工，它包括沿Z軸方向上下移動的送料機構、收放線機構、鋼絲張力調整機構、噴砂輸送機構、控制機構及控制電路，沿Z軸方向上下移動的送料機構包括Z軸方向上下移動的滑移裝置、驅動裝置，其特征是Z軸方向上下移動的滑移裝置上安裝一個沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，Y軸方向前后移動的滑動平臺與Z軸方向上下移動的送料機構進行協同移動，實現曲面切割。將粘接有待切割料的料板固定于沿Y軸方向前后移動的滑動平臺之上，然后向上移動沿Y軸方向前后移動的滑動平臺，使鋼絲正好位于準備切割的位置上，確認切割參數，按下開始鍵，啟動切割，直至完成，所完成的曲面是二維曲面。
文檔編號B24B47/00GK102225527SQ201110133889
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月23日 優先權日2011年5月23日
發明者孫緒新, 楊斌, 梁都鎖, 王明選, 董清飛 申請人:運城恒磁科技有限公司