本发明具体涉及一种基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法，属于金刚石线伺服控制(servo control technology of diamond wire saw)。
背景技术：
1、金刚石线切割广泛应用在硬脆材料加工中，除了半导体行业和光伏产业等对晶体硅等材料的切片加工要求外，高能光学等领域技术的发展对硬脆材料加工提出了形状切割的新要求。由于金刚石线切割是一种接触式切割，加工过程中工件与金刚石线之间存在接触力，金刚石线会产生一定的挠曲变形，形成弯丝现象。金刚石线切割过程中弯丝不可避免，弯丝量过大影响加工精度，过小则会影响加工效率，增加加工成本。同时，弯丝状态会导致金刚石线中部滞后，导致实际加工位置落后于理论加工位置，工件高度方向进给长度不一样，会出现严重的“腰鼓”现象，影响型面加工的精度，甚至完全无法满足加工型面要求。
2、目前国内现有的用金刚石线进行形状切割进给控制方法是保持匀速进给，加工轨迹采取的是传统数控插补方法，对弯丝状态的没有实时检测反馈和伺服进给策略，加工出的工件有明显的线痕和“腰鼓”现象，甚至出现严重的轨迹偏离。或者操作人员根据金刚石线状态实时调整机床进给，这种方法虽然可以较好的进行加工，但是依赖操作人员经验丰富程度，加工效率低，加工成本高。(见文章，“金刚石线电火花复合形状切割工艺及弯丝控制研究”，作者周威威，南京航空航天大学，2018)。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法。
2、本发明所采用的技术方案是：
3、一种基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法，其特征在于以金刚石线张力实时检测装置(3)采集的实时张力值f为判据，根据金刚石线(2)实时张力值f在回直、正常加工和濒临断丝时三种状态的区别，通过控制器分析实时张力值f实施不同的进给电机伺服驱动策略，实现预定的轨迹形状加工，达到高精度和高效率金刚石线形状切割。加工时通过张力实时检测装置(3)得到金刚石线(2)实时张力值f。通过试加工工件(8)，得到金刚石线(2)的初始张力f0、最大张力f1、张力预警值f2。如图1所示，所述基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法，包括以下步骤：
4、(a)、加工开始，上位机设置加工轨迹，输入加工程序，下位机控制进给电机带动工件(8)开始进给，金刚石线(2)开始加工。
5、(b)、进入第一段程序。首先判断是否处于正常加工状态。当实时张力值f超过张力预警值f2时，此时金刚石线(2)濒临断丝。当实时张力值f处于张力允许范围f1～f2时，此时加工不稳定，加工精度低。两者情况都属于非正常加工状态，上位机发出回退信号，下位机控制进给电机回退，直到实时张力值f接近最大张力f1，进给电机继续进给。
6、(c)、当实时张力值f处于张力允许范围f0～f1时，此时为正常加工状态，但是加工效率没有达到最佳，上位机发出调整信号，下位机控制进给电机适当提高进给速度，直到实时张力值f等于最大张力f1。
7、(d)、当实时张力值f等于最大张力f1时，此时为最佳加工状态，加工效率达到最佳，上位机没有改变加工状态的控制信号发出，下位机控制进给电机维持此速度正常进给。
8、(e)、当加工程序走到预定位置时，上位机发出暂停信号，下位机控制进给电机暂停进给一段时间，直到实时张力值f等于初始张力f0时再进行下一步动作。当金刚石线(2)实时张力值f等于初始张力f0时，此时金刚石线(2)回直，实际切割到达预定位置。第一段程序加工结束，进入下一段程序。
9、(f)、下一段程序重复第一段程序的控制流程，直到所有程序加工结束，预定加工轨迹完成，退出系统。
10、所述金刚石线(2)张力的不同状态，如图2所示，具体表现为金刚石线(2)的弯丝量，能够直观反应加工状态。加工开始时，金刚石线(2)为l0状态，金刚石线(2)保持回直状态与工件(8)接触，此时金刚石线(2)没有弯丝，对应的张力即为初始张力f0。随着加工的进行，金刚石线(2)为l1状态，工件(8)沿进给方向运动，金刚石线(2)弯曲程度逐渐增大，材料去除效率不断增大，对应的张力处于允许范围f0～f1之间。当材料去除效率与进给速度达到平衡时，金刚石线(2)弯丝量基本保持恒定，直到加工结束，此时金刚石线(2)为l2状态，即最大弯丝状态，对应的张力即为最大张力f1。当进给速度继续增大时，材料去除率无法继续增加，金刚石线(2)的弯曲程度加大，导致加工不稳定，加工精度低，金刚石线(2)甚至有断丝的危险。因此设置张力预警值f2，张力预警值f2大于最大张力f1。
11、所述机床进给到程序预定位置时，如图3所示，指的是电机带动工件(8)到达程序预定位置即理论加工位置(10)。但是由于弯丝导致的金刚石线(2)滞后，金刚石线(2)实际加工位置(9)落后于理论加工位置(10)。此时电机暂停进给一定时间，金刚石线(2)由弯丝状态自动逐渐回直。当金刚石线(2)处于回直状态l0时，实际加工位置(9)到达理论加工位置(10)，有效改善了弯丝导致的滞后问题。
12、所述走丝机构，如图3所示，其特征在于走丝机构由丝筒(1)、上线架(4)、下线架(7)、上导轮(5)、下导轮(6)、张力实时检测装置(3)等组成。其中，张力实时检测装置(3)由张力轮(31)、张力传感器(32)、丝杠(33)、滑块导轮(34)、步进电机(35)等组成，并通过螺栓连接固定在机床上。金刚石线(2)均匀缠绕在丝筒上，丝筒电机驱动丝筒，带动金刚石线(2)以一定速度作往复走丝运动。
13、所述张力实时检测装置(3)，其特征在于张力实时检测装置(3)通过张力传感器(32)将张力转化为应变后对应力进行测量，将张力大小传送给放大电路进行后续处理。张力实时检测装置(3)直接安装在机床走丝系统上，通过由计算机组成上位机、单片机组成下位机的控制器能够实时检测显示加工中金刚石线(2)的张力波动情况。
14、本发明的有益效果是：
15、本发明以金刚石线张力为判据进行伺服进给，对金刚石线切割中弯丝滞后现象进行合理地控制，降低金刚石线断丝的危险，实现金刚石线的高精度加工。同时基于张力取样的伺服驱动策略，机床自动实时进给，实现金钢石线切割的高效率加工。本发明可以实现硬脆材料的精确形状切割，大幅提高了形状切割的切割效率及切割稳定性，加工精度及表面质量都有较大改善。
1.一种基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法，其特征在于以金刚石线张力实时检测装置(3)采集的实时张力值f为判据，根据金刚石线(2)实时张力值f在回直、正常加工和濒临断丝时三种状态的区别，通过控制器分析实时张力值f实施不同的进给电机伺服驱动策略，实现预定的轨迹形状加工，达到高精度和高效率金刚石线形状切割。加工时通过张力实时检测装置(3)得到金刚石线(2)实时张力值f。通过试加工工件(8)，得到金刚石线(2)的初始张力f0、最大张力f1、张力预警值f2。所述基于金刚石线张力取样的高精度切割伺服控制方法，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述金刚石线(2)张力的不同状态，具体表现为金刚石线(2)的弯丝量，能够直观反应加工状态。加工开始时，金刚石线(2)为l0状态，金刚石线(2)保持回直状态与工件(8)接触，此时金刚石线(2)没有弯丝，对应的张力即为初始张力f0。随着加工的进行，金刚石线(2)为l1状态，工件(8)沿进给方向运动，金刚石线(2)弯曲程度逐渐增大，材料去除效率不断增大，对应的张力处于允许范围f0～f1之间。当材料去除效率与进给速度达到平衡时，金刚石线(2)弯丝量基本保持恒定，直到加工结束，此时金刚石线(2)为l2状态，即最大弯丝状态，对应的张力即为最大张力f1。当进给速度继续增大时，材料去除率无法继续增加，金刚石线(2)的弯曲程度加大，导致加工不稳定，加工精度低，金刚石线(2)甚至有断丝的危险。因此设置张力预警值f2，张力预警值f2大于最大张力f1。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述加工过程中，当机床进给到程序预定位置时，指的是电机带动工件(8)到达程序预定位置即理论加工位置(10)。但是由于弯丝导致的金刚石线(2)滞后，金刚石线(2)实际加工位置(9)落后于理论加工位置(10)。此时电机暂停进给一定时间，金刚石线(2)由弯丝状态自动逐渐回直。当金刚石线(2)处于回直状态l0时，实际加工位置(9)到达理论加工位置(10)，有效改善了弯丝导致的滞后问题。
4.一种实现权利要求1所述方法的走丝机构，其特征在于走丝机构由丝筒(1)、上线架(4)、下线架(7)、上导轮(5)、下导轮(6)、张力实时检测装置(3)等组成。其中，张力实时检测装置(3)由张力轮(31)、张力传感器(32)、丝杠(33)、滑块导轮(34)、步进电机(35)等组成，并通过螺栓连接固定在机床上。金刚石线(2)均匀缠绕在丝筒上，丝筒电机驱动丝筒，带动金刚石线(2)以一定速度作往复走丝运动。
5.一种实现权利要求1所述方法的张力实时检测装置，其特征在于张力实时检测装置(3)通过张力传感器(32)将张力转化为应变后对应力进行测量，将张力大小传送给放大电路进行后续处理。张力实时检测装置(3)直接安装在机床走丝系统上，通过由计算机组成上位机、单片机组成下位机的控制器能够实时检测显示加工中金刚石线(2)的张力波动情况。