基于双目视觉的伺服控制系统，用于提高单晶硅金刚石线切割（DWS）过程中的轨迹精度

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Binocular vision-based servo control for improved trajectory accuracy in diamond wire sawing (DWS) of monocrystalline silicon

　　• 用于实时空间线弓角度测量的双目视觉系统。
• 使用两个标准CMOS相机的双角度阈值开关伺服进给控制。
• 通过开关伺服进给控制，在轮廓锯切过程中增强线弓稳定性。
• 改善了角偏差和相对侧距离的一致性。

引言
金刚石线锯切（DWS）在加工厚、硬和脆性材料（如陶瓷和半导体）方面具有明显优势，这归功于其窄切割缝、线材处理范围和高轨迹灵活性[1]、[2]。然而，垂直于线方向的锯切力会使柔性线材发生弯曲，从而导致线弓现象。这种轨迹误差不仅会降低加工精度，还会产生明显的线痕和边缘崩边等表面缺陷，加速磨料磨损，并最终导致线材断裂。目前关于线弓的研究主要集中在两个主题上：建立理论模型以研究工艺选择如何影响线弓现象，以及开发更精确的测量方法。许多研究探讨了线弓的机械模型。Teomete[3]首次提出了一个基于张力和作用在无限小弦长上的分布载荷的DWS模型。后续研究将机械模型扩展为包括张力、线速和进给率等宏观工艺参数，进一步加深了对线弓形成机制和控制策略的理解[4]、[5]、[6]、[7]。

线弓的定量监测和控制主要采用三种方法：
第一种方法使用离线光学成像。Wang等人[8]发现，通过比较编程进给位移与金刚石线弯曲达到稳定状态后的最终加工切口长度，可以检测线弓。
第二种方法是使用接触式或非接触式传感器进行过程中监测。Yang等人[9]使用安装在小导向滚轮上的弹簧位移传感器来测量线弓。具体来说，Clark等人[10]率先使用了电容式传感器来在线测量线弓角度。Coustier等人[11]开发了一种基于感应距离传感器阵列的原位测量系统，用于监测线弓变化并控制线材磨损进程。Wu等人[12]提出了一种光投影方法，通过跟踪金刚石线的位置变化来检测线弓。然而，这些基于传感器的方法存在某些局限性：光投影方法[12]对光照条件敏感；其他基于传感器的方法[9]、[10]、[11]需要精确安装，并容易受到电磁干扰的影响；此外，传感器布线通常会干扰冷却液供应，从而限制其在工业中的应用。
第三种方法逐渐受到重视，即利用视觉技术。Lin等人[13]在水平切割过程中使用一台高速相机（Phantom v2511），并发现线弓直接影响晶圆表面粗糙度。Zhou等人[14]开发了一种采用两个高帧率电荷耦合器件（CCD）相机的机器视觉系统，以90°固定角度检测线材扭转变形。Xu等人[15]使用一台Phantom v2511同时测量铸锭在进入和退出侧的角度，并分析了工艺参数对线弓角度的影响。然而，这些研究存在三个关键缺陷，因此本研究旨在填补这些研究空白[16]。表1总结了现有基于视觉的研究中的主要局限性。

对硬脆材料（HBMs）进行轮廓锯切的需求不断增加，突显了提高DWS轨迹精度的必要性。因此，轮廓DWS HBMs的关键挑战在于控制柔性空间线锯跟随预定轮廓的同时保持线弓稳定性[17]、[18]。为了解决这一挑战，本研究提出了一种双目非平行视觉系统，该系统使用两台标准互补金属氧化物半导体（CMOS）彩色相机以每秒30帧（FPS）的速度测量空间线弓角度。开发了一种双角度阈值开关进给控制策略：根据测量的线弓角度暂停或恢复工作台进给，从而主动稳定线弓。该方法不需要完全更换线锯控制系统，只需对简单地进行双角度阈值开关进给控制修改，即可经济可行且易于改造。通过对比单晶硅的锯切实验，评估了所提出方法与传统工艺的有效性。

**段落摘录**
**线弓角度与偏差**
图1(a)展示了DWS过程中线弓角度（α和β）与偏差（ω）之间的关系。FN表示垂直于线弓的等效应力。FT表示作用在线弓上的等效应力。T表示金刚石线的张力。该模型关注与工件接触的金刚石线部分，这部分形成一个半径为R、中心为O的圆弧。进入点为C2，退出点为C3。

**基于视觉的α测量**
为了简化测量过程，采用双目视觉系统来测量与上导向滚轮的夹角。该测量角度作为闭环伺服进给启动和停止的反馈信号。系统中的左右CMOS相机同时捕获并确定该位置的α值。测量使用National Instruments（NI）LabVIEW Vision Assistant和IMAQ视觉开发平台进行，实现图像处理。

**利用双目图像融合计算空间角度**
根据图1中的几何模型，α定义为C1C2?段与空间垂直方向之间的夹角。双目立体视觉系统通过对两个相机视图中的对应图像点应用极坐标几何学来测量这一角度（图3(a)）。定义了一个以左相机坐标系为基础的世界参考坐标系，其Z轴与光轴对齐。

**基于α的视觉-伺服控制**
双目视觉系统测得的α值被记为θ，作为伺服进给控制的反馈信号，以保持锯切轨迹精度。定义了三个角度阈值：零参考角（γ）、目标恢复直线角（φ）和极限角（χ）。γ值在完成金刚石线垂直校准后设定，用于确定α的正负符号。φ定义了连续进给的允许范围。

**实验系统设置**
DWS实验系统基于HF320D往复式线材电火花加工（WEDM）设备改装而成，如图5所示。主要修改包括：
(1) 使用聚四氟乙烯导向滚轮升级线材进给机构；
(2) 安装了张力检测和控制系统，以及上下支撑导向滚轮；
(3) 集成了两台1/2.5英寸CMOS彩色相机及其相关控制单元。

**实验材料与参数**
使用直径为0.20毫米的电镀金刚石线（IDT TECH，中国），加工尺寸为50毫米×50毫米×10毫米的(100)取向单晶硅块。整个50毫米×50毫米区域内的厚度变化约为2微米，平均表面粗糙度（Ra）约为0.71微米。所有DWS加工都在(100)晶面上进行，锯切方向垂直于该平面。详细实验参数总结在表3中。

**相邻边角比较**
图8比较了两种工艺加工的八边形棱柱的轮廓。对照组产生的轮廓不完整，每个角都有明显的圆弧和圆滑过渡（图8(a)和8(b)）。而实验组则呈现封闭的八边形轮廓，角部几乎尖锐，边缘整齐（图8(c)和8(d)）。

**结论**
本研究提出了一种基于双目视觉的伺服进给控制DWS工艺，能够在加工过程中测量空间角度α。系统通过将α与预定义的角度阈值进行比较，自动暂停和恢复工作台进给，将α限制在±0.5°的范围内，从而稳定线弓。在单晶硅八边形棱柱上的实验证实了轨迹精度的显著提高。

**作者贡献声明**
Zhidong Liu：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。
Siwei Xia：撰写——初稿、验证、方法论、调查、数据分析。
Xionghui Zeng：可视化、软件、方法论。

**写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本研究的过程中，作者使用了Grammarly工具检查语法并改进语言。使用该工具后，作者根据需要修改了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

**资金来源**
本研究未接受来自公共、商业或非营利部门任何特定的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容。

**致谢**
作者感谢杭州华芳数控机床有限公司提供HF320D WEDM机床和技术设施的支持，同时感谢National Instruments提供的LabVIEW学术许可证和MathWorks公司提供的MATLAB学术许可证。