[发明专利]一种金刚石线锯精密切割过程实时纠偏方法

说明书

技术领域

本发明属于大尺寸人工晶体的精密切割加工技术领域，涉及一种金刚石线 锯精密切割过程实时纠偏方法。

背景技术

随着光电子、强激光等高技术领域的发展，对大尺寸硬脆材料的切割提出 了更高的加工精度和质量要求。金刚石线锯采用电镀到钢丝基体上的固结金刚 石磨料对材料进行切割，具有切割质量高、切缝小、可切割大尺寸工件的优点。 其切割范围不仅包括石材、玻璃等普通硬脆材料，而且可以用于宝石、硅片、 功能晶体等贵重材料。随着美国国家点火装置(NIF)的即将运行和激光惯性约 束核聚变能源技术日益得到各个国家的高度重视，作为激光惯性约束核聚变用 倍频晶体和电光开关关键元件的大口径软脆晶体磷酸二氢钾(KDP)晶体将有越 来越多的需求。作为从大尺寸晶体坯料制成大尺寸平面镜头(410mm×410mm ×10mm)的前道工序，精密切割能够为后续的精密和超精密加工提供具有较 好平面度、平行度、低损伤值的切片是至关重要的。当切割尺寸在500mm左右， 传统的带锯切割由于极易产生崩边、脆裂等导致昂贵的晶体材料报废已经无法 适用。目前大尺寸脆性材料的切割可包含带锯切割和线锯切割。然而在KDP晶 体的带锯切割中，因为带锯锯片的振动，经常发生晶体碎裂的情况，这对于贵 重晶体而言，是绝不可接受的。较之带锯切割，线锯切割具有更小的切割应力、 更小的切缝，因此不易导致晶体碎裂。然而在实际切割过程中，因为需要切割 尺寸较大，所以线锯切割跨度较大，柔性的金刚石线锯易发生切割跑偏，从而 导致切缝呈现“S”型或跑偏，造成晶体切割表面平面度较差。通过提高线丝张 力和机床精度可以一定程度的降低切割跑偏的程度，而这样则会导致线丝寿命 降低、无法使用更细的线丝、机床制造成本迅速提升等问题，而且工件各向异 性、工件形状的不规则等因素依然会加剧切割过程的跑偏。

鉴于该类大尺寸线锯切割机床切割对象材料的特殊性和保密性(大口径人 造晶体材料)，相关的切割过程纠偏技术难以检索得到。在与线锯切割具有一定 相似性的带锯切割技术领域，检索到两篇与纠偏相关的专利。美国专利US 2005/0103176A1通过在带锯锯床上面安装照明系统而实现带锯切割过程纠偏。 该专利利用光源及相应的光路生成一束光线投射到所切割的木材表面，从而指 示切割方向，便于操作人员观察切割情况，并在发生切偏时可以及时调整。该 专利的切割偏差由人眼观察得到，且纠偏方法为人工完成，对人工有依赖。

美国专利US 4,336,731提出一种带锯切割自动纠偏方法。在切割区域近旁 安装电感式位移传感器，以此测量带锯锯片的偏移，该偏移量通过控制逻辑作 用后，形成纠偏信号，并传递给两个驱动器，以驱动相应的两个与锯片接触的 触片，从而纠正锯片偏移。该方法采用的电感式位移传感器可以用于锯片的位 置检测，但无法用于线锯锯丝；且该方法的最终纠偏执行机构是与活动的锯片 接触的，这个方法对于电镀金刚石磨料且高速移动的锯丝是不合适的。

机床加工精度的提高可以通过采用提高机床精度的方法，即所谓的“母机” 原理；或者通过美国所倡导的误差检测-修正原理，即对刀具等执行机构或者工 件进行误差检测，并把误差反馈给控制系统，控制系统再做出相应调整，直至 加工精度得以保证。该途径在避免提高机床本身精度所带来的成本上升问题同 时，通过先进的误差检测、反馈、校正等步骤，同样实现高精度工件加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是金刚石线锯精密切割过程实时纠偏，特别是针对 大尺寸材料的金刚石线锯精密切割过程易发生跑偏问题而提出的一种方法。该 方法可以克服传统纠偏方法的缺陷和不足，在不显著提高切割系统成本的同时， 满足实际切割需要，得到高质量的工件切割表面，降低后续工序加工成本，提 高工件材料总体加工效率。

本发明采用的技术方案是：

通过使用光电位置检测元件，实时检测金刚石线锯沿垂直于切割面方向的 位置偏移量，并反馈给计算机控制系统，经相应算法，控制工作台沿垂直于切 割面方向做出相应的位置、角度调整，使线锯向降低切割偏差的方向移动，从 而实现金刚石线锯精密切割过程实时精确纠偏。分别叙述如下：

(1)基于线阵CCD或面阵CCD等光电元件的位置偏差检测