Способ управления процессом резки заготовки ленточной пилой

1158 О орректор 825/11 Тираж 1036 Под ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4Зак ис лиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул, Проектная Составитель В.Алексеенкоедактор И,Рыбченко Техред М.Гергель1115870Ч - скорость движения пилы,0 - диаметр заготовки;- радиус приводного шкива,ДМ,Ч)- среднее значение амплитуды колебаний;- коэффициент, определяе.мый по формуле 1сР-д Дф 1 Ь - допустимое отклонение от прямолинейности отрезаемой пластины,"МСх - коэффициенты, определяемые из выраженияМ О)" С,.1Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в станках и установках для распиловки материалов бесконечными ленточными пилами. 5Известен способ управления процес сом резки заготовки ленточной пилой отрезной машины путем регулировки скоростей подачи пилы или заготовки и измерения скорости движения ленточ О ной пилы и крутящего момента на валу приводного шкива. Согласно такому способу сохраняется постоянным соотношение скорости подачи к скорости движения ленточной пилы в процессе резания так, что усилие подачи остается постоянным и оптимальным для обрабатываемого материала 1 .Однако данноетехническое решение характеризуется низким качеством 2 О поверхности отрезаемых пластин и большим расходом разрезаемого материала из-за увеличения ширины пропила и невозможности отрезания пластин малой толщины ввиду их разрушения и вследствие отсутствия связей устанавливаемых скоростей с величинами колебаний ленточной пилы.В процессе резки алмазными бесконечными ленточными пилами, необходи- ЗО мо поддерживать амплитуды, отличные от резонансных, и определенное положение инструмента в пропиле. Это объясняется тем, что инструмент используют, как правило, при резке крупных З 5 заготовок, диаметр или сечение которых находится в пределах 200-2000 мм(200 х 200 до 2000 х 2000 мм), Раэрезаемые материалы (специальные, полупроводниковые, оптические и др,) очень 4 О дефицитны, дорогостоящи (сотни - десятки тысяч рублей за килограмм) ивременноемки в изготовлении (напри 1. мер, кристалл ДКДР размером 200 х 200 х х 400 мм при непрерывном поддержании постоянных условий растет 11-12 мес. Большинство из разрезаемых материалов обладают очень высокой хрупкостью и большими внутренними напряжениями, ослабляющими их стойкость к воздействию вибрационных нагрузок. В основном, резку заготовок на пластины выполняют при отношении диаметра к толщине 1:150.Указанные и ряд других особенностей ставят вопрос уменьшения амплитуд вибраций инструментов и стабилизации положения инструмента в зоне пропила на первое место, при разработке и оптимизации процесса резки различных материалов ленточным инструментом. Высокая эффективность процесса резки, определяемая производительностью резки, шириной пропила, макро- и микрогеометрией образующихся в процессе резки поверхностей и дефектным слоем, может быть достигнута лишь в том случае, когда воздействия инструмента на отрезаемые детали минимальны. Этому способствуют, во-первых, проте" кание процесса резки вне эоны резонансных частот инструмента и отрезаемой детали, во-вторых, отсутствие переходных вибрационных процессов при резке, а в-третьих, перемещение инструмента в пропиле без отклонения в плоскости наименьшей жесткости от первоначального положения в пространстве.Цель изобретения - повьппение точности реза, качества отрезаемых пластин и сокращение расхода материалов при оптимальной производительности.Поставленная цель достигается тем, что по способу управления процессомрезки заготовки ленточной пилой,включающему регулирование скорости подачи заготовки относительно пилы по результатам измерения крутящего момента на валу приводного шкива и скорости движения пилы, дополнительно измеряют величины амплитуд поперечных колебаний режущей кромки пилы в точках перед входом ее в контакт с заготовкой А после выхода из контакта А и в точках им противосто О2 ящих на противоположной кромке пилы А 1 и А 1, величину усилия натяжения пилы 11 , длинуперемещения заготовки относительно пилы после нача- ла реза, сравнивают измеренные значения амплитуд колебаний и усилия натяжения пилы с допустимыми значениями и при превышении измеренными значениями допустимых определяют необходимое значение усилия натяжения по формулер 4 Рди: - я 2 А;кф.оьо 2 оь Таас.Вдч 1 сравнивают его значение с допустимым и в случае, если оно не превышает допустимого значения, осуществляют регулирование усилия натяжения, а в случае, если оно превышает допус тимое значение, осуществляют регулирование скорости Ч движения пилы по формуле ЗО (ДЧ:-ЕР.т 1 ОДО 1 ОЪ.ЕС -кЕИ1 после чего осуществляют регулирование скорости подачи по формуле -- .п,о м.гнм 1 мМ =Чо гго 7,А(Н,1 Я по результатам измерения определяют величину А удаления режущей кром- о ки пилы от плоскости реза по формуле (А 1-А у)+ (А А)2 сравнивают полученное значение с до- ф 5 пустимым и в случае превышения им до. пустимого значения осуществляют дополнительную корректировку скорости подачи по приведенной выше зависимости,50 где А;(Й,У) - амплитуда колебаний кромок пилы в указанных выше точках, "цА - скорость движения пилы, заданная по условию обес. 55 печения требуемой производительности процесса резки;М Э Г Я (,14,Чширина реза заготовки;толщина режущей кромкипилы,измеренное значение усилия натяжения пилы;крутящий момент на валуприводного шкива,скорость движения пилы,диаметр заготовки,радиус приводного шкива,среднее значение амплитуды колебаний, - коэффициент, определяемыйпо формуле21Ь - допустимое отклонение отпрямолинейности отрезаемой пластины;Ф,С- коэффициенты, определяемые из выражения, А(14,М= Снч мНа фиг. 1 изображена схема устройства для реализации способа, нафиг.2 - заготовка диаметром Э длярасчета длины реза, поперечное сечение, на фиг.З - удаление режущейкромки пилы от плоскости реза заготовки; на фиг,4 - диаграммы сигналовдля определения удаления кромок пилыот плоскости реза (а - в положении Ана фиг. 3; б - в положении В нафиг.З),Устройство, реализующее способ,содержит станину 1, натяжной шкив 2и приводной шкив 3, несущие ленточную пилу 4, механизм 5 крепления заготовки 6, механизм 7 подачи заготовки с приводом 8 подачи, датчик 9 скорости движения пилы, датчик 10 крутящего момента на валу привода 11 приводного шкива 3, вычислительную машину (ЭВМ) 12, входы которой соединеныс выходами датчиков 9 и 10, механизм13 перемещения натяжного шкива с приводом 14 и датчиком 15 величины натяжения пилы, бесконтактные датчики поперечных колебаний режущей 16, 17 ипротивоположной 18, 19 кромок пкпы,размещенные над механизмом креплениязаготовки с обеих ее сторон, датчик20 поперечных колебаний поверхностейотрезаемой пластины, датчик 21 длиныперемещения заготовки от начала реза,кронштейн 22 крепления бесконтактныхдатчиков с основанием, изолированнымот воздействия вибраций с помощьюлитуды колебаний поверхности отрезаемой пластины А в точке, максимально удаленной от линии реза. Это значение сравнивается в ЭВМ с предельно допустимой величиной Ап,и , храни мой в ее памяти. Величину Аш, акоп Определяют экспериментально для каждой толщины пластины с учетом коэффициента прочности конкретного материала. Для этого выбирают такую скорость движения пилы, при которой амплитуда колебаний полотна пилы я К,М Ф - что ведет к возникновению больших колебаний амплитуд пластины, и фиксируют измеряемое датчиком 20 значение 15 А, при котором происходит скол пластины. Значение амплитуды, состав-. ляющее величину 0,707 А, максимальное и берется как величина А и. При А=А О ЭВМ выдает сигнал на 20 табло оператору "Уменьшить А ". Оператор подводит к пластине демпфер (амортизатор), который уменьшает колебания отрезаемой пластины, т.е, выполняется условие 25па йв, акопДля реализации способа имеются три взаимосвязанных и управляемых от вычислительной машины основных контура управления.Первый контур управления предназначен для установления в соответствии с заданной производительностью станка, плотностью, ударной вязкостью разрезаемого материала и твердостью инструмента такой скорости движения ленточной пилы 4, при которой ампли- туды колебаний кромок пилы, измеренные до входа в контакт с заготовкой 40 датчиками 16, 18 и после выхода пилы из контакта датчиками 17, 19 меньше их резонансных значений и приближаются по , величине к их предельно допустимому минимальному значению , - , где йЬ-щширина реза заготовки, ю - толщина режущей кромки пилы. Контур включает в себя датчик 9 скорости движения пилы, привод 11 приводного шкива, управляемый от ЭВМ 12 с учетом указанных ранее математических соотношений амплитуды колебаний пилы и скорости движения пилы.Второй контур управления предназначен для изменения в допустимых пределах от й до Й величины усилия натяжения пилы и тем самым уменьшения амплитуды колебаний пилы до требуемого значения " Й , а так. же для выдачи управляющйх воздействий в первый контур управления, если величина усилия натяжения уже достигла своего предельно допустимого значения. Контур включает в себя датчик 15 усилия натяжения пилы, привод 14 механизма натяжения, управляемый от вычислительной машины 12 с учетом указанных ранее соотношений амплитуд колебаний пилы и величины усилия натяжения пилы, датчики 16 и 18, колебаний кромок пилы до входа ее в контакт с заготовкой, датчики 17 и 19 колебаний кромок пилы после выхода ее из контакта с заготовкой, датчик 20 колебаний поверхности отрезаемой пластины.Третий контур регулирования предназначен для задания по величине крутящего момента на валу приводного шкива, измеренной скорости движения пилы, длины относительного перемещения заготовки и пилы такой скорости движения заготовки относительно пилы, которая обеспечивает высокую, производительность процесса резки и отклонение поверхности отрезаемой пластины от прямолинейности це хуже допустимого значения Ь . Контур включает в себя датчик 10 крутящего момента на валу приводного шкива,. датчики 16 и 18 амплитуд колебаний кромок пилы до входа в контакт с заготовкой и датчики 17 и 19 амплитуд колебаний кромок пилы после выхода ее из контакта с заготовкой, привод 8 подачи, управляемый от ЭВМ с учетом математического соотношения измеренных величин по (24). Поскольку радиус приводного шкива у станков, реализующих способ резки заготовки ленточной пилой, достаточно велик (сотни милиметрОв), а угол между направлением проложения силы и плечом ее приложения, равным радиусу приводного шкива, составляет 1, то величина момента на валу приводного шкива очень чувствительна к изменениям усилия в зоне реза. Это позволяет достаточно точно задавать скорость подачи по величине момента на валу привода через малые отрезки времени, обеспечивая высокую эффективность процесса резки,П р и м е р. В системе управлениястанком, реализующим способ, в памятьвычислительной машины (ЭВМ) вводятисходные данные процесса резки: вели70 2заданной Чад (30 м/с), сит нал рассогласования преобразовывается в управляющее воздействие и через устройство вывода ЭВМ выдается на при" вод 11, который плавно набирает заданную скорость. Одновременно с этим датчики 16-19 амплитуд колебаний кромок пилы измеряют амплитуды колебаний и выдают их значения в ЭВМ, которая. рассчитывает среднее значение текущей амплитуды колебаний полотна пилы.1 Д;М,Ч)/41, сравнивает это значение с мйнимально допустимым=0,09 мм), выдает управляющееЬ ювоздействие, пропорциональное этой разности и с учетом соотношения (16) и данных датчика 15 об усилии натяжения Н 4 (например, 14,75 кгс) через устройство вывода на отработку приводом 11 требуемой скорости движения. При этом ЭВМ вычисляет величину скорости движения пилы=35,75 (м/с).С учетом данных от датчика 9 (например, ЧаД =35 м/с) и требуемой амплитуды колебаний пилы (0,09 мм) в ЭВМ рассчитывается по соотношению (12) требуемое усилие натяжения -1,41268 В Н =80,09-РР 03548+ +3,0286 1 35, 3 М =1,188511, Ь15,45 (кгс).Кроме того, данные от датчика 15 сравниваются с предельно допустимым значением М (20 кгс), и при 8 с Й управляющее воздействие от ЭВМ, пропорциональное разности упомянутых выше амплитуд колебаний пилы, выдается на отработку приводом 14 требуемого усилия натяжения. При расчетном значении усилия, большем допустимого, осуществляется регулирование скорости пилы.Одновременно информация от датчика 10 о величине момента (например, 3,3 кгс/м) и от датчика 21 длины (например, 15 мм) поступает в ЭВМ, которая рассчитывает текущую величину длины реза - Ь (59,4 мм) и требуемую скорость подачи 11158 чина диаметра заготовки здесь и в дальнейшем в скобках приведены количественные значения параметров для примера реализации способа 3 (250 мм),ф требуемая ширийа реза заготовки 6 (0,58 мм); радиус приводного шкива и (275 мм), ширина режущей кромки пилы н (0,38-0,40 мм); допустимое отклонение от прямолинейности поверхности отрезаемой пластины Ь (0,002 мм); 10 скорость движения пилы Ч дд (30 м/с), обеспечивающая требуемую производительность станка, величина крутящего момента на валу приводного шкива в режиме холостого хода М(1,5 кгс,м) и его заданное рабочее значение М (5,0 кгс м), начальное И цц (10 кгс) и предельно допустимое М до (20 кгс) значения усилия натяжения пильц чувствительность контуров управления гд скоростью пилы Г (0,025), усилением натяжения(0,01), скоростью подачи(0,02) и допустимая величина амплитуд .колебаний поверхности отрезаемой пластины Ап , (30 мкм). 25 Оператор задает начальную скорость движения пилы Чнц 10,6 м/с), подводит с начальной скоростью 5 с,ч (12,5 мм/мин) заготовку (5; - монокристаллический кремний) к пиле и вы-З 0 полняет многофакторный эксперимент, описанный выше.В соответствии с программой выполняют расчет постоянных и показателей степени. Полученные результаты позволяют представить зависимость (8) в виде 40 Данная зависимость позволяет вычислительной машине системы управления процессам резки вырабатывать управляющие зависимости для соответствующихконтуров управления по И и 7 и ми 45 нимизировать амплитуду колебаний, обеспечивая заданную производительность процесса.В процессе управления датчик 9 измеряет и выдает в ЭВМ величину текущей скорости движения пилы У 150 (10,6 м/с), которая сравнивается с3 3 35 ф 10 4г -- 12 10 3510 275(0 4+й59 4Ф4275(0,4+20,09) 0,638 10(мм/с)ф Б =120 (мм/мин).значением и выдается управляющеевоздействие, пропорциональное этой ци Ч 203 48, 1 оз 11-Ю 1268 -з,огеь=1,9977 При этом сравнивается текущее значение момента на валу с его заданным 20,09) 1944 10 -Од 6699 104 0 13 111587разности, на привод 8 скорости подачи. По данным датчиков 16-19 рассчитывается среднее значение удалениярежущей кромки пилы от плоскости реза заготовки по соотношению 35(А -А 1)+(Аф-Ац)ф2 фэто значениесравнивается с величиной допустимогоотклонения поверхности отрезаемойпластинки от прямолинейности и корректируется управляющее воздействиена привод скорости подачи.В процессе реза с момента его начала, когда МтМ, датчиком 21 отсчитывается длина относительного перемещения заготовки и пилы 1, которыйпри равенстве их значений диаметрузаготовки выдает сигналы на приведение системы в исходное состояние,Управление процессом резки заготовок ленточными пилами осуществляется с помощью специальной информаци-онно-измерительной системы, в составекоторой имеются высокоточные безконтактные измерители типа БИМП,25БИМПМ, бесконтактные виброизмерители типа ВВ, контактные датчикитипа КД 35 с виброметрами 5 М=2418 РТ ,измерители усилий реза, измерительмомента на валу привода, приборы 30регистрации информаций по 18 каналам типа Н 338 и Н 115, частотомерФ 5035, спектроанализатор СК-56,устройство коммутации ф 799/2, аналогоцифровой преобразователь Ф 4222,пульт управления и сервисного контро"ля системы.Предлагаемый способ осуществленпри разрезании монокристаллов кремния и германия при следующих техничес"40ких характеристиках процесса: диаметр разрезаемой заготовки до 200 мм толщина отрезаемой пластины 0,6-1,2 мм, скорость резания 24-40 м/с ф рабочая подача заготовки 10-40 мм/мин, дли" на ленточной пилы 4100 мм; толщина корпуса пилы 0,2 мм, бесконтактные датчики съема амплитудно-частотных характеристик колебаний отрезаемой пластины и кромок полотна пилы типа БИМПМ с чувствительностью не хуже 0,1 мкм в диапазоне до 500,мкм на расстоянии до 2 мм, диапазон измерения датчика усилия натяжения ленты 5-30 кгс.Способ позволяет поддерживать амплитуды колебаний полотна пилы (0,089- 0,091 мм при 9 =14,5 кгс и У=30 м/с) отличными от их максимальных значений при резонансных явлениях (0,52 мм при Й =10 кгс и У=24 м/с), имеющих место нри совпадении частот колебаний узлов станка, заготовки и полотна пилы. Резка монокристаллов кремния осуществлена бесконечной ленточной пилой с алмазной режущей кромкой при следующей характеристике алмазоносного слоя: марка алмазов АСВ, АСК, АСН зернистостью 60 ДО; 80/63; 100/80, связка - электролитически оеажденный никель. Благодаря применению предлагаемого способа стало возможным выполнять резку на пластины толщиной 0,8 мм при диаметре заготовки до 200 мм; ширина пропила уменьшена на 0,2 мм, погрешность формы (отклонение от прямолинейности поверхности) уменьшена на 0,5 мм на диаметре до 200 мм, глубина нарушенного слоя - на 20-30 мкм.