本發(fā)明屬于振動控制技術領域，涉及一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構，本發(fā)明還涉及利用上述控制機構進行張力控制的方法。

背景技術：

在單線往復式金剛石線鋸切割機床切割硬脆材料時，線鋸由于剛度較低，在加工過程中極易產(chǎn)生變形及振動，振動幅度和頻率直接決定了加工的質量。在實際鋸切過程中不可避免地存在線鋸的橫向振動，造成鋸縫側面工件材料的二次去除，在鋸縫表面形成新的裂紋，擴展原有的裂紋，使工件材料以脆性材料去除方式從鋸縫側面去除，最終鋸縫略大于線鋸線徑。但是隨著工件直徑越來越大和切片厚度越來越小，使得對線鋸振動控制的要求越來越高。通常情況下，線鋸振動越嚴重，加工表面的質量越差，尺寸誤差也越大。主要表現(xiàn)為切割出來的單晶片翹曲度較大、平行度較差、總厚度誤差和中心厚度誤差較大?？梢酝ㄟ^控制張力來控制加工過程中線鋸的振動。張力控制不好將產(chǎn)生線痕片、崩邊、甚至斷線，從而造成重大的經(jīng)濟損失，并且在切割過程的不同階段所要求的線鋸張力也不相同。

往復式電鍍金剛石線鋸在加工過程中受到的作用力情況復雜多變，振動情況十分復雜。線鋸的振動既有接近線鋸固有頻率的高頻振動，也有相對低頻率的振動；不僅有垂直于運絲方向的橫向振動，還有沿運絲方向的縱向振動。并且橫向振動對線切割機床的加工質量的影響更為顯著。線鋸張力的變化是造成線鋸振動的不可忽視的重要因素。線鋸張力恒定，避免線鋸的時緊時松，能明顯改善運絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，需要設計一種張力控制機構來維持線鋸張力的穩(wěn)定，從而改善線鋸在切割過程中的振動情況，獲得良好的加工質量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構，用于使線鋸張力在切割過程中維持穩(wěn)定，獲得良好的加工質量。

本發(fā)明的另一目的是提供一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術方案是，一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構，包括水平設置的底板，底板的一端設有電機，電機的主軸上套接有齒輪a，齒輪a與齒輪b嚙合，齒輪b與齒輪a的軸線平行且位于齒輪a的正下方，滾珠絲杠的一端套接在齒輪b中并通過軸承座b支撐，軸承座b固定在底板上并靠近齒輪b設置，滾珠絲杠的另一端通過軸承座a支撐，軸承座a的上方設有導線輪支架，導線輪支架上設有兩個導線輪，軸承座a位于底板的另一端，滾珠絲杠與底板平行設置，滾珠絲杠上設有絲杠螺母座，絲杠螺母座上方設有移動基座，移動基座上設有傳感器和張力調節(jié)輪，傳感器和電機驅動器均與控制器連接，控制器還連接有上位機，電機驅動器與電機連接；

其中張力調節(jié)輪與兩個導線輪位于同一水平面上且成三角形方位設置，兩個導線輪的中心軸線與張力調節(jié)輪的中心軸線均與底板垂直；

其中移動基座包括水平設置的滑板，滑板的兩端分別設有支座a和支座b，支座a和支座b之間設有兩條相互平行的光桿，浮動塊的兩端分別設置在兩條光桿上，張力調節(jié)輪設置在浮動塊的上端，傳感器位于支座a和浮動塊之間。

本發(fā)明第一種技術方案的特點還在于，

其中軸承座a與軸承座b之間還設有兩條相互平行的圓柱形導軌，兩條導軌均與滾珠絲杠平行，且滾珠絲杠位于兩條導軌之間。

其中導線輪支架的兩端分別開設有調節(jié)槽，兩個導線輪的中心處分別套接有螺栓a，兩個螺栓a相應穿過兩個調節(jié)槽并通過螺母固定。

其中控制器內部的芯片型號為TMS320F28335DSP。

本發(fā)明所采用的第二種技術方案是，一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制方法，具體包括以下步驟：

步驟1，將張力控制機構與整個運絲系統(tǒng)連接，連接完成后對工件進行切割；

連接的具體過程為：將線鋸依次從一個導線輪、張力調節(jié)輪及另一個導線輪中呈“U”型路線繞過；

步驟2，將移動基座調節(jié)置于滾珠絲杠的中間位置，啟動上位機，在上位機中設置參數(shù)；

參數(shù)具體為：線鋸張力的預設值T₀，電機驅動器的脈沖頻率F，線鋸張力調節(jié)量的誤差e_T，控制器的采樣間隔時間t；

步驟3，通過傳感器采集線鋸切割過程中的張力T，并輸出與張力T對應的模擬電壓V，然后將模擬電壓V發(fā)送給控制器，控制器將模擬電壓V轉化為數(shù)字量；

步驟4，重復執(zhí)行步驟3多次，求上述得到的各數(shù)字量的平均值U_m；

步驟5，在控制器中將步驟4所得的平均值U_m轉換為張力值Tt，根據(jù)所得的張力值T_t分別判斷電機啟停的電平高低與電機轉向的電平高低；

步驟6，電機驅動器根據(jù)步驟5所得的判斷結果驅動電機進行相應的動作，從而對線鋸的張力進行調節(jié)，間隔時間t之后轉至步驟3。

本發(fā)明第二種技術方案的特點還在于，

其中步驟2中控制器的采樣時間t為0.002s～0.005s，電機驅動器的脈沖頻率F為2000Hz～4000Hz。

其中步驟5中通過如下公式(1)將數(shù)字量平均值U_m轉換為張力值Tt：

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

當|Tt-T0|≥e_T時，控制器的電機啟動/停止控制端口輸出高電平，反之，輸出低電平；

當Tt≥T0時，控制器的電機轉向控制端口輸出高電平，反之輸出低電平。

其中步驟6的具體過程為：

當電機驅動器接收到控制器的啟動/停止控制端口輸出的高電平時，電機啟動，并以脈沖頻率F運轉，反之停止。

當電機驅動器接收到控制器的電機轉向控制端口輸出的高電平時，電機正轉，反之反轉。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的線鋸張力控制機構，采用傳感器對線鋸張力進行實時監(jiān)測，傳感器將采集到的張力值以模擬電壓的形式輸送到控制器內，控制器將模擬電壓值轉換為數(shù)字量，將數(shù)字量再次轉換成張力值，將此張力值與預設的張力值進行比較，判斷電機的啟停與轉向，從而對線鋸張力進行相應的調節(jié)，實現(xiàn)了線鋸張力的恒定控制，保證加工過程切削材料表面質量的穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的線鋸張力控制方法能夠在線鋸加工過程中，實時控制線鋸的張力保持在預設值，避免線鋸張力過大發(fā)生拉斷，并且能夠降低線鋸的振動。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構的主視圖；

圖2是本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構的俯視圖；

圖3是本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構中導線輪支架的俯視圖；

圖4是線鋸切割工件時的運絲系統(tǒng)結構示意圖。

圖中，1.軸承座a，2.導線輪支架，3.支座a，4.傳感器，5.浮動塊，6.支座b，7.軸承座b，8.齒輪a，9.齒輪b，10.底板，11.絲杠螺母座，12.線鋸，13.導線輪，14.滑板，15.張力調節(jié)輪，16.導軌，17.電機，18.滾珠絲杠，19.光桿，20.螺栓a，21.螺栓b，22.調節(jié)槽，23.控制器，24.上位機，25.電機驅動器，26.導輪a，27.導輪b，28.導輪c，29.儲絲筒，30.工件，31.導輪d。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構，結構如圖1、2所示，包括水平設置的底板10，底板10的一端設有電機17，電機17的主軸上套接有齒輪a8，齒輪a8與齒輪b9嚙合，齒輪b9(軸線)與齒輪a8的軸線平行且位于齒輪a8的正下方，滾珠絲杠18的一端套接在齒輪b9中并通過軸承座b7支撐(滾珠絲杠18的一端通過齒輪b9支撐)，軸承座b7固定在底板10上并靠近齒輪b9設置，滾珠絲杠18的另一端通過軸承座a1支撐，軸承座a1的上方設有導線輪支架2，導線輪支架2上設有兩個導線輪13，軸承座a1位于底板10的另一端，滾珠絲杠18與底板10平行設置，滾珠絲杠18上設有絲杠螺母座11(絲杠螺母座11中設有與滾珠絲杠18配合的絲杠螺母)，絲杠螺母座11上方設有移動基座，移動基座上設有傳感器4和張力調節(jié)輪15，傳感器4和電機驅動器25均與控制器23連接，控制器23還連接有上位機24，電機驅動器25與電機17連接。

控制器23采用TI(德州儀器)公司的TMS320F28335DSP芯片，該芯片處理速度高，外部接口多，能夠更好地實現(xiàn)張力控制器所需要的功能。

電機驅動器25的型號為DM542。

其中張力調節(jié)輪15與兩個導線輪13位于同一水平面上且成三角形方位設置，兩個導線輪13的中心軸線與張力調節(jié)輪15的中心軸線均與底板10垂直。

其中移動基座包括水平設置的滑板14，滑板14的兩端分別設有支座a3和支座b6，支座a3和支座b6之間設有兩條相互平行的光桿19，浮動塊5的兩端分別設置在兩條光桿19上，張力調節(jié)輪15設置在浮動塊5的上端，傳感器4的一端連接在支座a3的一側，傳感器4的另一端連接在浮動塊5的一側(傳感器4內部的傳感器撥片靠近浮動塊5設置)。浮動塊5可沿光桿19運動。

其中傳感器4的型號為ZNLBM—±5KG。

其中電機17為步進電機。

其中軸承座a1與軸承座b7之間還設有兩條相互平行的圓柱形導軌16，兩條導軌16均與滾珠絲杠18平行，且滾珠絲杠18位于兩條導軌16之間。

其中導線輪支架2的兩端分別開設有調節(jié)槽22(參見圖3)，兩個導線輪13的中心處分別套接有螺栓a20，兩個螺栓a20相應穿過兩個調節(jié)槽22并通過螺母固定，兩個導線輪13可分別沿著兩個導向槽22移動，從而調節(jié)兩個導向輪13之間的相對距離。兩個導線輪13可繞螺栓a20轉動，張力調節(jié)輪15可繞螺栓b21轉動。

本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構的工作原理為：線鋸12依次從一個導線輪13、張力調節(jié)輪15及另一個導線輪13中繞過，在線鋸切割過程中，移動基座初始位置位于滾珠絲杠18的中間，通過PC機24輸入線鋸12初始所受張力的預設值，即線鋸12在初始時受到預緊力，傳感器4在初始時能感應到由初始的預緊力產(chǎn)生的壓力，線鋸12在切割過程中，線鋸12張緊或放松時，張力調節(jié)輪15會產(chǎn)生相應的位移，浮動塊5會隨著張力調節(jié)輪15一起運動，由于張力調節(jié)輪15與傳感器4連接，因此浮動塊5運動會改變傳感器4所受到的壓力，傳感器4在浮動塊5運動過程中產(chǎn)生的壓力會實時發(fā)送給控制器23，控制器23根據(jù)此時產(chǎn)生的壓力計算出此時線鋸12產(chǎn)生的張力，如果此時線鋸12的張力大于其預設值，控制器23將會將此信號發(fā)送給電機驅動器25，電機驅動器25驅動電機17正轉，電機17將會輸出一定的角位移使絲杠螺母座11帶動張力調節(jié)輪15向左(靠近傳感器4所在方位)移動，減小線鋸12的張緊程度從而減小線鋸12的張力，直到達到預設值或者在預設值允許的誤差(即調節(jié)誤差量e_T)范圍內為止；如果線鋸12張力小于其預設值，控制器23將此信號發(fā)送給電機驅動器25，電機驅動器25驅動電機17反轉，電機17將會輸出一定的角位移使絲杠螺母座11帶動張力調節(jié)輪15向右(遠離傳感器4所在方位)移動，增大線鋸12的張緊程度從而使線鋸12張力增大直到達到預設值或者在預設值允許的誤差范圍內為止；在線鋸12切割過程中，線鋸12的張力調節(jié)過程根據(jù)線鋸12的張緊或放松情況重復進行，直至整個切割過程結束為止，整個裝置停止動作。

本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制方法，具體包括以下步驟：

步驟1，將張力控制機構(即上述一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制機構)與整個運絲系統(tǒng)連接，連接完成后對工件30進行切割；

連接的具體過程為：將線鋸依次從一個導線輪13、張力調節(jié)輪15及另一個導線輪13中呈“U”型路線繞過；

如圖4所示，工件切割過程中，線鋸12從儲絲筒29出來后依次從導輪a26、一個導線輪13(導線輪a)、張力調節(jié)輪15、另一個導線輪13(導線輪b)、導輪b27、工件30、導輪c28及導輪d31中繞過，最后又回到了儲絲筒29。

步驟2，將移動基座調節(jié)置于滾珠絲杠18的中間位置，啟動上位機24，在上位機24中設置參數(shù)；

參數(shù)具體為：線鋸張力的預設值T₀(預設值T₀即線鋸12在切割過程中正常狀態(tài)下的張力值)，電機驅動器25的脈沖頻率F(F為2000Hz～4000Hz)，線鋸張力調節(jié)量的誤差e_T，控制器23的采樣間隔時間t(t為0.002s～0.005s)；

步驟3，通過傳感器4采集線鋸切12割過程中的張力T，并輸出與張力T對應的模擬電壓V，然后將模擬電壓V發(fā)送給控制器23，控制器23將模擬電壓V轉化為數(shù)字量；

步驟4，重復執(zhí)行步驟3多次，求上述得到的各數(shù)字量的平均值U_m(例如：重復執(zhí)行步驟3十次，將十次所得的數(shù)字量加起來求和再除以10，記得平均值U_m)；

步驟5，在控制器23中將步驟4所得的平均值U_m轉換為張力值Tt，根據(jù)所得的張力值T_t分別判斷電機17啟停的電平高低與電機17轉向的電平高低；

具體過程為：通過如下公式(1)將數(shù)字量平均值U_m轉換為張力值Tt：

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

當|Tt-T0|≥e_T時，控制器(23)的電機啟動/停止控制端口輸出高電平，反之，當|Tt-T0|<e_T時，控制器(23)的電機啟動/停止控制端口輸出低電平；

當Tt≥T0時，控制器(23)的電機轉向控制端口輸出高電平，反之，當Tt<T0時，控制器(23)的電機轉向控制端口輸出低電平。

步驟6，電機驅動器25根據(jù)步驟5所得的判斷結果驅動電機17進行相應的動作，從而對線鋸12的張力進行調節(jié)，間隔時間t之后轉至步驟3，在對工件30切割過程中，步驟6執(zhí)行完成后會，間隔時間t之后跳轉至步驟3繼續(xù)執(zhí)行整個過程，若執(zhí)行至步驟6，工件30被切割完成，則步驟6執(zhí)行完成后就停止動作，不再向步驟3跳轉。

步驟6的具體過程為：

當電機驅動器25接收到控制器23的啟動/停止控制端口輸出的高電平時，電機17啟動，并以脈沖頻率F運轉，反之，若電機驅動器25接收到控制器23的啟動/停止控制端口輸出的低電平時，電機17停止動作；

當電機驅動器25接收到控制器23的電機轉向控制端口輸出的高電平時，電機17正轉，反之，若電機驅動器25接收到控制器23的電機轉向控制端口輸出的低電平時，電機17反轉；

電機17正轉時，電機17帶動齒輪a8轉動，齒輪a8通過齒輪b9帶動滾珠絲杠18轉動，滾珠絲杠18轉動時，移動基座(通過絲杠螺母座11)在滾動絲杠18上運動，移動基座帶動張力調節(jié)輪15向左(圖1中靠近傳感器4所在方位)移動，減小線鋸12的張緊程度從而減小線鋸12的張力；

電機17反轉時，電機17帶動齒輪a8轉動，輪a8通過齒輪b9帶動滾珠絲杠18轉動，滾珠絲杠18轉動時，移動基座(通過絲杠螺母座11)在滾動絲杠18上運動，移動基座帶動張力調節(jié)輪15向右(遠離傳感器4所在方位)移動，增大線鋸12的張緊程度從而使線鋸12張力增大；

控制器23先對電機17的啟動或停止進行判斷，若電機17啟動，再對電機17的轉向進行判斷。

本發(fā)明一種往復式金剛石線鋸切割機張力控制方法，需要重復步驟3～7多次，在每一次從步驟3～7執(zhí)行的過程中，當執(zhí)行到第5步時，都需要重復步驟3多次(重復次數(shù)可為10n次，n＝1、2、3……)，求得數(shù)字量的平均值U_m后，再執(zhí)行下一個步驟。

本發(fā)明能夠在線鋸加工過程中，實時控制線鋸12的張力保持在預設值，避免線鋸張力過大發(fā)生拉斷，并且能夠降低線鋸的振動，提高加工質量。