切割机锯盘磨损自动检测技术

高艳锦 1 马瑞 2

中航工程集成设备有限公司 北京市 102206

摘要：切割机自动切割时，对主轴电机电流值进行连续监测，圆盘锯在与该电流值相适应的锯切量和进刀速度下运转，但由于此时与电流值相适应的锯切和刀进速度是切石机制造商预先设定的，就操作人员而言，不能随意改变。此外，自动切割中锯切磨损而导致切割性能降低时，锯的切割切换成手动，进行修整，待修整完后再切换成正常的自动切割运转(这里正常的切割运转是指除修整外的石材切割)。在切割中往往不一定在与电流值相适应的锯切量和进刀速度下进行切割，未必达到有效的切割效率，由于切割过程中有时需手动调节锯刃，也不见得省力。

关键词：切割机锯盘磨损；自动检测技术；

切割机即针对为划切对象的自动砂轮划片设备。砂轮划片机是以强力磨削为划切原理，空气静压电主轴为执行元件，以30000 ～60000 r/min 的转速磨削晶圆的划切区域，同时承载着晶圆的工作台以一定的速度沿刀具与晶圆接触点的划切线方向呈直线运动，将每一个膜壳上的各个产品分裂出来。

一、切割机锯盘磨损自动检测技术

1.光纤检测原理与方法。BBD即破损检测。本文阐述的BBD 方法采用通过检测光量变化并转化为电压变化的办法来实现，所以又叫做光电检测方法。其原理具体是在锯盘分别放置光纤发生和接收装置，当锯盘产生磨损或者破损时，通过刀具光量的变化即发生变化，把光量的变化通过光电转换为电压的变化，并且采集分析处理电压变化数据，来识别锯盘破损程度。本检测系统主要由4 个部分构成为：光纤发射及接收装置、光纤传感器、A/D 转换器、工控机、警报装置。其中光纤传感器将光量信号转换为电压信号，A/D 传感器将电压的模拟量信号转化为数字信号传送给工控机，工控机再将接收到的一组一组的离散信号按照一定的算法进行分析处理，并且做出判断，由警报器发出警报。

2.数据分析。采集到的数据为离散的电压值，我们将数据分组。在这先要明确以下两种概念的不同：刀具磨损和刀具破损。刀具磨损是指刀具直径均匀的变小，在可以允许的情况下，通过改变划切参数，刀具还可以正常使用；刀具破损是指刀具边缘出现豁口或者裂缝，使得划切效果大大下降，此种情况应该立刻修整刀具或者停止使用。对于采集到的数据进行如下分析：(1)在短时间内的数据不会以一定的规律循环出现。(2) 在光纤传感器输出区间[0,5]之外的值可能由各种干扰或误差造成，无实际意义，可忽略不计，在算法中滤去。(3) 在完整无缺口的刀片试验中，电压值也会达到突变，其余值会围绕着初始电压值上下小幅波动。(4) 根据前面所述的检测原理，理论上破损刀片的检测值应该有一部分的数据会超出初始值，超出的大小由破损刀口的面积大小决定。但是因为刀具在轴上做每秒几万次的转动，破损缺口通过传感器位置所用时间将是亚毫秒级的。并且对于这样的弱电信号，周围环境肯定和设备会带来很多的干扰因素。针对少量的数据我们无法快速准确做出判断，所以我们引入数据统计的几个基本统计量概念：

3.标准差，变异系数，均方递差，偏度和峰度。标准差也称均方差，是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。标准差是一组数值自平均值分散开来的程度的一种测量观念。一个较大的标准差，代表大部分的数值和其平均值之间差异较大；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。当刀具出现破损，采集的数据将有部分数据大幅度偏离平均值，而且随着破损面积的增大，偏离的程度也会大大增加。所以能反映出破损的出现以及程度的变化。变异系数是标准差与平均值的比率。反映单位平均值上的离散程度，常用在两个总体均值不等的离散程度的比较上，若两个总体的均值相等，则比较标准差系数与比较标准差是等价的。由此可见，对于不同初始光量的情况下，通过变异系数才能更好的发现破损变化。并且使用变异系数可以屏蔽正常情况下的刀具磨损，更好的突出刀具破损情况。均方递差作为方差估计值使用，放大了的样本中数值的突变程度。刀具缺口相对整个刀具面积是小的，且刀具高速旋转；这些特性对于突变程度是很好判断的。当刀具出现破损时，均方递差能明显表示出变化，它对于一些比较小的刀具裂缝有很好的判断作用。峰度又称峰态系数，表征概率密度分布曲线在平均值处峰值高低的特征数，刻画数据在均值两侧的集中程度的参数，可以表示数据频数分布曲线峰形的相对高低程度或尖平程度。当破损引起的数据和干扰值在数量上叠加时，数据曲线的尖平程度将能很好地判断出破损与正常的区别。所以峰度值能很好地克服干扰带来的各种数值的突变。偏度表征概率分布密度曲线相对于平均值不对称程度的特征数。当使用者把初始光量没有设置为0 时，仅仅把低于0 值的信号屏蔽对于干扰的处理效果不是很好，所以我们使用偏度判断，就能很好地过滤低于刀具完整状态下光量平均值的干扰值。

4.算法设计。过滤超出放大器输出信号区间的数值。然后将已处理过的数据先经过偏差区域判断，即将大于判断值的数据个数和数值分别累加，这是最简单粗略也最直接的一个判断。接着将标准差与变异系数做并的处理，峰度和偏度做并的处理。再将标准差并变异系数，均方递差，峰度并偏度做一个顺寻判断。

二、切割机锯盘自控系统

该控制系统的设计思路是主轴电流值超过一定值时，开始自动修整锯刃，未达到一定值时修整自动结束，自动控制锯刃，此后使锯刃重新恢复正常的自动切割。由两根支柱和与其两端连接的横梁构成的门形框架、架设在支柱间，可上下自由移动的水平梁钩件、固定在框架上，由螺栓装置使水平梁上下移动的的传动电机、定位在水平梁上，可左右滑动的滑件、固定在滑件上的主轴电机、固定在滑件上，经主轴电机旋转驱动的圆盘锯、固定在水平梁上的，经螺栓装置使滑件左右滑动的进给电机、铺设在基座上的轨道、定位在轨道上的台车、操作台和控制台构成。其中切割机的操作台设有供自动切割的数据输入装置、提供适应主轴电机各电流值的适宜锯切量和进刀速度，另设有供修整的数据输入装置，提供在修整情况下的适宜锯切量和进刀速度。自动切割中锯刃锐利度逐渐降低虽不可避免，主轴电机的电流值随之而上升，依据该电流值，进行如下运作，即自动解除正常的自动切割，在随后的水平移位中自动进行锯刃修整。此时，进行修整，在以各显示的锯切量和进刀速度值运作锯刃的状态下切割。修整时的一次水平位移结束，主轴电机电流值未达到一定值时，修整自动结束，再返回到修整前适宜的锯切量和进刀速度，进行正常的自动切割。一次水平位移下的修整中，主轴电机电流值超过一定值时，设定表的锯切量和进刀速度的最小值运作锯刃，自动进行第二次修整，随后水平移位结束，主轴电机电流值未达到一定值时，又自动与上述一样，又恢复正常的自动切割。若不能满足这样的要求，则反复修整，直到主轴电机的电流值低于一定值。正常自动切割或修整处理中，锯刃负荷过大时，主轴电机电流值上升，达到锯运作自动停止，查明原因后，再手动重启自动切割。

自动切割机的破损检测方法设计得到了很好的验证，只要反复论证和计算各个环节的判断值，此种方法可以将检测精度控制在亚毫米级， 很好地解决了自动切割机对刀具破损检测的要求。本文介绍了切割机锯盘磨损自动检测技术，进行了算法设计，得到了一套针对有效的破损检测方法。

参考文献：

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