专利名称：一种切割曲面的多线切割机及其控制方法
技术领域：
本发明属于多线切割机械的配套设施，主要用于稀土永磁材料切割加工，具体涉及一种切割曲面的多线切割机及其控制方法。
背景技术：
多线切割机是广泛适用于单晶硅、蓝宝石等切割加工领域的切割加工设备。 多线切割机包括沿Z轴方向上下移动的送料机构、收放线机构、钢丝张力调整机构、喷
砂输送机构、控制机构。多线切割机的切割原理是在高速往复运动的细钢丝上，浇注金刚砂或氮化硅或碳化硅砂浆，高速运动的细钢丝连同附着在钢丝上的砂浆，研磨切割单晶硅、蓝宝石等材料，达到切割的目的。多线切割机以其效率高、精度好、光洁度好在单晶硅切割加工中广泛应用。近年来，该设备被引进到稀土永磁材料烧结钕铁硼的平面切割加工中。目前在单晶硅切割加工中的多线切割机，在切割之前，将粘接好的被切割材料固定于送料板固定台上，通过手柄调整与手柄连接的丝杠来调整被切割材料的相对切割位置。调整对0的过程人工操作。在切割的过程中，在多线切割机床控制系统的控制下，送料板沿切割丝网平面垂直方向(即Z轴方向)向上移动，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还有各种异形、曲面的切割加工。其中最普遍的曲面是圆弧面。而目前多线切割设备是不具备此功能的。多线切割设备引入钕铁硼加工领域之后，不同厂家在此方面进行了不少的探索研究，各项专利技术有69项之多。但是到目前为止，还没有一个是以解决曲面加工为目的的专利技术和文献报导。
发明内容
为了满足钕铁硼曲面加工的要求，本发明提供一种切割曲面的多线切割机及其控制方法。本发明的基本思路是在现有多线切割机的切割料固定平台的位置上，增加一个执行控制动作命令的Y轴方向运动执行部件(即为沿Y轴方向前后移动的滑动平台)，在机床的控制系统上增加Y轴方向驱动电机和驱动电路，在控制装置的内部增加曲面参数设置功能和切割时根据曲面参数进行计算的程序并向Y轴方向电机驱动电路发出行进/回退指令，这样，在切割的过程中，通过改变切割钢丝与待切割料在Y轴方向上的相对位置在规则变化，实现对被切割材料的曲面切割控制。一种切割曲面的多线切割机，包括沿Z轴方向上下移动的送料机构、收放线机构、 钢丝张力调整机构、喷砂输送机构、控制机构及控制电路，沿Z轴方向上下移动的送料机构包括Z轴方向上下移动的滑移装置、驱动装置，其特征是Z轴方向上下移动的滑移装置上安装一个沿Y轴方向前后移动的滑动平台，Y轴方向前后移动的滑动平台与Z轴方向上下移动的送料机构进行协同移动，实现曲面切割。所述的Y轴方向前后移动的滑动平台由下安装板、上装料板、滑动导向机构、动力传递机构构成，下安装板与上装料板之间设置滑动导向机构和动力传递机构。
所述的在沿Z轴方向上下移动的送料机构上安装有测量Z轴方向上下移动位移量的测量装置。所述的测量装置为光栅尺位移传感器。所述的滑动导向机构为丝杠螺母组件和导轨滑块组件。所述的动力传递机构为步进电机的输出轴上设有主动轮，主动轮通过皮带连接从动轮，从动轮安装在丝杠的一端。所述的丝杠螺母组件由丝杠和螺母组成，导轨滑块组件由导轨和滑块组成。所述的沿Y轴方向前后移动的滑动平台为手动滑动工作平台或自动滑动工作平台。所述的自动滑动工作平台，包括底座、滑移板，底座的上面设有滑块、丝杠、步进电机，步进电机的输出轴上设有主动轮，主动轮通过皮带连接从动轮，从动轮安装在丝杠的一端，滑移板的下面设有丝杠螺母、滑轨，滑轨设置在滑块的凹槽内，丝杠螺母设置在丝杠上。所述的手动滑动工作平台，包括底座、滑移板，底座的上面设有滑块、丝杠，滑移板的下面设有丝杠螺母、滑轨，滑轨设置在滑块的凹槽内，丝杠螺母设置在丝杠上。本发明中所述的Y轴方向，是指平行于多线切割机的丝网平面且垂直于装料台运动的方向，前后方向移动。所述的Z轴方向是指垂直于多线切割机的丝网平面且垂直于装料台运动的方向， 即上下方向移动。本发明还包括与本发明配套使用的PLC核心处理单元及其控制程序。本发明所指的曲面切割是二维曲面。一种切割曲面的多线切割机的控制方法，其特征是包括下述操作步骤设定待切割曲面参数、启动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、周期读取光栅尺的位置数据、绘制切割实时位置示意图，所述的待切割曲面参数，包括曲面半径、圆心位置在内则或外侧以及待切割产品的弦宽或圆心角；在切割过程中根据Z轴方向的向上移动的切入、向下移动的退出的位移量和待切割的曲面参数来控制Y轴方向前后滑动平台的位移量，实现多线切割机的曲面切割。即设定Z轴方向上下移动的进给速度之后，Y轴方向前后进给速度以Z轴方向上下移动的进给速度为参数，根据切割面的参数(半径R、弦宽W、过切尺寸D)进行Y轴方向前后进给——回退控制；同时将Z轴方向上下移动的进给速度设定于控制装置，控制装置按照参数进行进给和回退的运动控制。具体的控制协调调整Z轴方向向上位移的高度，使切割钢丝正好接触在被切割材料的表面，然后回退(Γ0. 06毫米，准备切割。按下启动键，然后紧接着按下Y轴方向前后滑动平台进给启动键，Z轴方向向上、Y 轴方向向前进给装置开始运动。Z轴方向上下位移量=切割速度X切割时间，Y轴方向前后的位移量根据Z轴方向上下位移量的变化量进行进给或回退的运动控制。在切割过程中意外暂停时，按下暂停功能键之后，立即按下Y轴方向前后滑动平台的暂停键。恢复切割时，按下继续切割键之后立即按下Y轴方向前后滑动平台的继续切割键，直至切割完成。切割过程中的基本参数有半径R (毫米)、宽度H (毫米)、刀缝W (毫米)、公差上限G (毫米)、切割速度V (毫米/秒)、切割时间t (秒)、过切尺寸GQ(mm)。本发明在切割之前，将粘接有待切割料的料板固定于沿Y轴方向前后移动的滑动平台之上，然后向上移动沿Y轴方向前后移动的滑动平台，使切割钢丝正好接触在待切割料的表面上，且钢丝正好位于准备切割的位置上，检查确认圆弧半径、圆心位置(+Y方向或-Y方向)、弦宽、过切量等切割参数，确认无误后按下控制装置的开始键，再启动切割，直至完成，所切割完成的为二维曲面。本发明切割效率高、精度高、光洁度好。
图1是本发明实施例一中ζ轴方向上下移动的送料机构的结构图。图2是图1从另一个方向看的结构图。图3是本发明实施例一、二的切割控制操作方框图。图4是本发明实施例三的切割控制操作方框图。图5是本发明实施例四的切割控制操作方框图。图6是本发明实施例五的切割控制操作方框图。图7是本发明计算Z、Y轴位控制周期时段末应达到的移量的计算原理如图。上述各切割控制操作方框图中实线框为必备的基本功能，虚线框为示意显示切割过程的辅助功能。图中，1、Z轴方向滑移板，2、滑轨，3、电机，4、丝杠，5、丝杠螺母，6、滑块，7、丝母，8、 光栅尺位移传感器，9、光栅尺位移传感器座，10、固定板，11、底座，12、导轨滑块组件，13、主动轮，14、滑移板，15、丝杠螺母组件，16、电机，17、丝杠。实施例一 (Z轴方向装光栅尺，Y轴不装光栅尺)
图1、图2所示，本实施例是在现有的多线切割机上进行改进的，即现有的多线切割机的沿Z轴方向上下移动的送料机构的送料平台上刚性连接安装一个沿Y轴方向前后移动的滑动平台，该滑动平台包括底座、导轨滑块组件、丝杠螺母组件、滑移板，滑移板位于底座的上方且与底座通过丝杠螺母组件和导轨滑块组件连接，丝杠螺母组件由丝杠和丝杠螺母组成，导轨滑块组件由滑轨和滑块组成，其中底座的上面通过螺栓安装有滑块，底座上通过螺栓安装有丝杠座，丝杠座上设有丝杠，滑移板的下面设有丝杠螺母、滑轨。丝杠的一端与从动轮连接，从动轮与主动轮通过传带动连接，主动轮设置在同步电机的输出轴上。沿Z轴方向上下移动的送料机构包括滑移板1、固定板10，固定板10上设有电机 3，电机3的输出轴上安装有丝杠4，丝杠螺母5设置在丝杠4上，丝杠螺母5与滑移板1刚性连接。滑移板1上固定安装有滑块6，固定板10上固定安装有滑轨2，滑块6与滑轨2配合使用。沿Y轴方向前后移动的滑动平台设置在滑移板1的顶端。沿Z轴方向上下移动的送料机构的滑移板1上安装有光栅尺位移传感器座9，沿Z 轴方向上下移动的送料机构的固定板10上安装有光栅尺位移传感器8。本实施例的切割控制操作步骤包括设定待切割曲面参数、启动Y轴方向移动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、周期读取Z轴方向测量装置的位置数据、计算控制Y轴方向移动行进位移量、绘制切割实时位置示意图。其具体步骤是
1、将待切割加工的材料放置在沿Y轴方向前后移动的滑动平台上，调整Z轴方向滑移板的高度，使材料正好与钢丝接触；2、回退0.03毫米，然后按下沿Y轴方向滑动平台控制装置的启动键，此时Y轴方向滑动平台控制装置处于Z轴方向滑移板位置变化量的跟踪状态；
3、在操作控制装置上设置切割参数、切割曲面参数，其中切割参数钢丝张力为28牛 (直径0. 18毫米的钢丝)；滑移板1的进给速度为6毫米/小时；往复钢丝运动速度为400 米/分钟；钢丝往复运动时间为20秒；过切量为1毫米；新丝进给速度为12米/分钟；切割曲面参数材料宽度即滑移板1向上移动24毫米，切割半径为18. 4毫米，材料最大公差为0. 08毫米；瓦片厚度即槽轮钢丝的间隔为3毫米，选择间距为3. 24毫米的槽轮；
4、开始砂浆泵的管路，在砂浆正常之后按下切割启动键；
开始切割之后，滑移板1的位移量被安装于沿Z轴方向上下移动的送料机构的光栅尺周期读取(滑移板的位移量读取周期为5 1000毫秒，本例选择50毫秒)，在控制装置读取滑移板的位移量之后，根据曲面参数计算需要的沿Y轴方向前后移动的滑动平台位移量，根据计算的沿Y轴方向前后移动的滑动平台位移量，对步进电机驱动器进行位移控制。实施例二 本实施例的沿Y轴方向前后移动的滑动平台的驱动采用手动，它与实施例一不同的是沿Y轴方向前后移动的滑动平台的丝杠螺母组件的丝杠的一端设有手柄， 不设同步电机、从动轮、主动轮和从动带，其它结构与实施例一相同。实施例三(Z轴、Y轴方向均装光栅尺)
本实施例与实施例一不同的是在沿Y轴方向前后移动的滑动平台上安装一套光栅尺位移传感器，用以检测Y轴方向行进位移量的数据，其它结构与实施例一相同。其控制模式是用光栅尺位移传感器读取Z轴方向切割进给量，计算Y轴方向进给量的控制模式的操作步骤是设定待切割曲面参数、启动Y轴方向移动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、周期读取Z轴方向测量装置的位置数据、计算控制Y轴方向移动行进位移量、绘制切割实时位置示意图。其具体步骤是
1、将待切割加工的材料放置在沿Y轴方向前后移动的滑动平台上，调整Z轴方向滑移板的高度，使材料正好与钢丝接触；
2、回退0.03毫米，然后按下沿Y轴方向滑动平台控制装置的启动键，此时Y轴方向滑动平台控制装置处于Z轴方向滑移板位置变化量的跟踪状态；
3、在操作控制装置上设置切割参数、切割曲面参数，其中切割参数钢丝张力为28牛 (直径0. 18毫米的钢丝)；滑移板1的进给速度为6毫米/小时；往复钢丝运动速度为400 米/分钟；钢丝往复运动时间为20秒；过切量为1毫米；新丝进给速度为12米/分钟；切割曲面参数材料宽度即滑移板1向上移动24毫米，切割半径为18. 4毫米，材料最大公差为0. 08毫米；瓦片厚度即槽轮钢丝的间隔为3毫米，选择间距为3. 24毫米的槽轮； 4、开始砂浆泵的管路，在砂浆正常之后按下切割启动键；
开始切割之后，滑移板1的位移量被安装于沿Z轴方向上下移动的送料机构的光栅尺周期读取(滑移板的位移量读取周期为5 1000毫秒，本例选择50毫秒)，Y轴方向移动的滑移板的实际位置被设置在Y轴方向移动的光栅尺位移传感器读取，然后在控制装置读取位移数之后，根据曲面参数计算需要的Y轴方向位移量，根据计算的Y轴位移量对Y轴方向移动的步进电机驱动器进行位移控制。其切割参数、曲面参数、槽轮间距(瓦片厚度)同实施例
开始切割时，将首次读取Z轴方向移动的光栅尺位移传感器、Y轴方向移动的光栅尺位移传感器的位置数据定义为起始位置数据，即开始切割之时，读取并保存此数据值。控制计算周期控制系统内部设置，控制监测计算周期为50毫秒。计算Z、Y轴方向位移控制周期时段末应达到的移量的计算原理如图7所示 在图7中，ZR为在Z轴方向的高度位置，ZOO为开始切割时的Z轴割位置，Z0, YO分别
为上个周期末的Z、Y轴位置值，ZUYl分别为本次周期莫期末Z、Y轴的位置， Z轴位移量按照设定的参数值控制；Δ Z=ZO-Zl Yl=YdX [ V— (RXR— (Z0—ZR) X (Z0—ZR) ) —Υ00]
其中Yd值为1时圆心位置在内侧，内弧面向内，Yd值为-1时决圆心位置在外侧，内弧面向外。Yd的默认值为+1，即数值1。实施例四(Ζ轴、Y轴方向均不安装光栅尺)
本实施例与实施例一不同的是不设光栅尺位移传感器，其它结构与实施例一相同。其控制模式的操作步骤是设定待切割曲面参数、启动Y轴方向移动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、启动时间计数器、周期读取计算Z轴滑移板位移量、 计算、控制Y轴方向行进位移量、绘制切割实时位置示意图。本实施例的切割控制操作步骤与的控制协调调整Z轴方向向上位移的高度，使切割钢丝正好接触在被切割材料的表面，然后回退(Γ0. 06毫米，准备切割。按下启动键，然后紧接着按下Y轴方向前后滑动平台进给启动键，Z轴方向向上、Y 轴方向向前进给装置开始运动。Z轴方向上下位移量=切割速度X切割时间，Y轴方向前后的位移量根据Z轴方向上下位移量的变化量进行进给或回退的运动控制。在切割过程中意外暂停时，按下暂停功能键之后，立即按下Y轴方向前后滑动平台的暂停键。恢复切割时，按下继续切割键之后立即按下Y轴方向前后滑动平台的继续切割键，直至切割完成。切割过程中的基本参数有半径R (毫米)、宽度H (毫米)、刀缝W (毫米)、公差上限G (毫米)、切割速度V (毫米/秒)、切割时间t (秒)、过切尺寸GQ(mm)。在图7中，ZR为在Z方向的高度位置，ZOO为开始切割时的Z轴割位置，Z0, YO分别为上个周期末的Ζ、Y轴位置值，ZUYl分别为本次周期莫期末ζ、Y轴的位置，
Z轴位移量按照设定的参数值控制；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值为1时圆心位置在内侧，内弧面向内，Yd值为-1时决圆心位置在外侧，内弧面向外。Yd的默认值为+1，即数值1。切割参数钢丝张力28牛(直径0. 18毫米的钢丝);Z轴进给速度选择6毫米/小时；往复钢丝运动速度400米/分钟；钢丝往复运动时间20秒；过切量1毫米；新丝进给速度Γ40米/分钟；本实施例的材料切割速度为12米/分钟。切割曲面参数材料宽度(Z轴高度)24毫米，切割半径18. 4毫米，材料最大公差 0. 08毫米。瓦片厚度为3毫米，选择间距为3. 24毫米的槽轮。
此种切割模式在如果运行暂停，会产生以时间为传递函数的Z计算轴位移量的误差。实施例五本实施例将控制系统集成于多线切割机。即将Y轴方向移动平台的控制系统，在功能上集成于多线切割机的控制系统中，在控制系统中的操作界面增加曲面参数输入功能键(或者选择菜单)，由曲面参数曲面输入菜单或功能键进入参数设置页面，曲面参数设置内容包括切割半径、材料宽度(弦宽)、过切量、最大公差。开始切割前，将待切割加工的材料放置于沿Y轴方向移动的滑移平台，调整Z轴方向滑移板的高度，使材料正好与钢丝接触，然后回回退0. 03毫米，然后打开砂浆泵的管路， 在砂浆正常之后按下切割启动键开始切割直至完成。实施例五的执行部件的机构与实施例三相同，在具体的控制系统的PLC核心处理单元依据曲面参数，分别对Z轴方向和Y轴方向的步进电机发出行进指令。具体的1)在操作界面增加曲面参数设置菜单(选单)；2)在控制单元内部增加曲Z轴位移量的计算)；3) 在控制结构上增加X轴步进电机驱动电路。
权利要求
1.一种切割曲面的多线切割机，包括沿Z轴方向上下移动的送料机构、收放线机构、钢丝张力调整机构、喷砂输送机构、控制机构及控制电路，沿Z轴方向上下移动的送料机构包括Z轴方向上下移动的滑移装置、驱动装置，其特征是Z轴方向上下移动的滑移装置上安装一个沿Y轴方向前后移动的滑动平台，Y轴方向前后移动的滑动平台与Z轴方向上下移动的送料机构进行协同移动，实现曲面切割。
2.根据权利要求1所述的一种切割曲面的多线切割机，其特征是所述的Y轴方向前后移动的滑动平台由下安装板、上装料板、滑动导向机构、动力传递机构构成，下安装板与上装料板之间设置滑动导向机构和动力传递机构。
3.根据权利要求1所述的一种切割曲面的多线切割机，其特征是所述的在沿Z轴方向上下移动的送料机构上安装有测量Z轴方向上下移动位移量的测量装置，沿Y轴方向前后移动的滑动平台上安装有测量Y轴方向前后移动位移量的测量装置，测量装置为光栅尺位移传感器。
4.根据权利要求2所述的一种切割曲面的多线切割机，其特征是所述的滑动导向机构为丝杠螺母组件和导轨滑块组件，丝杠螺母组件由丝杠和螺母组成，导轨滑块组件由导轨和滑块组成；所述的动力传递机构为步进电机的输出轴上设有主动轮，主动轮通过皮带连接从动轮，从动轮安装在丝杠的一端。
5.根据权利要求1所述的一种切割曲面的多线切割机，其特征是所述的沿Y轴方向前后移动的滑动平台为手动滑动工作平台或自动滑动工作平台。
6.根据权利要求5所述的一种切割曲面的多线切割机，其特征是所述的自动滑动工作平台，包括底座、滑移板，底座的上面设有滑块、丝杠、步进电机，步进电机的输出轴上设有主动轮，主动轮通过皮带连接从动轮，从动轮安装在丝杠的一端，滑移板的下面设有丝杠螺母、滑轨，滑轨设置在滑块的凹槽内，丝杠螺母设置在丝杠上；所述的手动滑动工作平台，包括底座、滑移板，底座的上面设有滑块、丝杠，滑移板的下面设有丝杠螺母、滑轨，滑轨设置在滑块的凹槽内，丝杠螺母设置在丝杠上。
7.切割曲面的多线切割机的控制方法，其特征是包括用光栅尺位移传感器读取Z轴方向切割进给量，计算Y轴方向进给量的控制模式，其操作步骤包括设定待切割曲面参数、 启动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、周期读取光栅尺的位置数据、绘制切割实时位置示意图，所述的待切割曲面参数，包括曲面半径、圆心位置在内则或外侧以及待切割产品的弦宽或圆心角；在切割过程中根据Z轴方向的向上移动的切入、 向下移动的退出的位移量和待切割的曲面参数来控制Y轴方向前后滑动平台的位移量，实现多线切割机的曲面切割。
8.根据权利要求7所述的切割曲面的多线切割机的控制方法，其特征是所述的用光栅尺位移传感器读取Z轴方向切割进给量，计算Y轴方向进给量的控制模式的操作步骤是设定待切割曲面参数、启动Y轴方向移动控制系统、绘制设定切割路径示意图、启动切割操作开始按钮、周期读取Z轴方向测量装置的位置数据、计算控制Y轴方向移动行进位移量、绘制切割实时位置示意图。
全文摘要
一种切割曲面的多线切割机，主要用于稀土永磁材料切割加工，它包括沿Z轴方向上下移动的送料机构、收放线机构、钢丝张力调整机构、喷砂输送机构、控制机构及控制电路，沿Z轴方向上下移动的送料机构包括Z轴方向上下移动的滑移装置、驱动装置，其特征是Z轴方向上下移动的滑移装置上安装一个沿Y轴方向前后移动的滑动平台，Y轴方向前后移动的滑动平台与Z轴方向上下移动的送料机构进行协同移动，实现曲面切割。将粘接有待切割料的料板固定于沿Y轴方向前后移动的滑动平台之上，然后向上移动沿Y轴方向前后移动的滑动平台，使钢丝正好位于准备切割的位置上，确认切割参数，按下开始键，启动切割，直至完成，所完成的曲面是二维曲面。
文档编号B24B47/00GK102225527SQ201110133889
公开日2011年10月26日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者孙绪新, 杨斌, 梁都锁, 王明选, 董清飞 申请人:运城恒磁科技有限公司