專利名稱：微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種特種加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法。
背景技術(shù)：
與基于平面圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)的硅微細(xì)加工技術(shù)相比，微細(xì)電加工技術(shù)可以適應(yīng)更廣泛的加工材料，其與生俱來的三維加工能力更凸顯出這一加工技術(shù)的獨特優(yōu)勢和強大的生命力，可以滿足航天航空、微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、汽車、化纖、模具、微型燃料電池、微型內(nèi)燃發(fā)動機等日益增長的微細(xì)化制造的需求。近年來微細(xì)電加工在工業(yè)應(yīng)用研究方面取得了很多突破，正因為如此，微細(xì)電加工技術(shù)又重新獲得了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，在日本與歐美形成了一股新的研究熱潮。微細(xì)電極的制造是微細(xì)電加工的關(guān)鍵技術(shù)問題。如果采用離線方式加工并二次安裝的方法，則不可避免的產(chǎn)生安裝誤差和變形誤差；如果采用在線方式加工，則需要解決在線觀察和測量等問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)張勇在博士學(xué)位論文《微細(xì)電火花加工系統(tǒng)及其工藝技術(shù)研究》第44-47頁中提到，通過微細(xì)電極在x和y方向分別接觸標(biāo)準(zhǔn)棒，在線測量微細(xì)電極的尺寸，但是存在放電間隙，而且二者軸線的平行度不易保證。上述方法屬于接觸式測量，由于放電間隙的存在，測量精度受到了一定程度的限制，更重要的是，上述方法無法在線觀察微細(xì)電極，也就很難發(fā)現(xiàn)微細(xì)電極制作過程中的斷裂現(xiàn)象。當(dāng)微細(xì)電極直徑達到幾微米時，利用肉眼或者手持放大鏡的方法已經(jīng)無法觀察。哈爾濱工業(yè)大學(xué)賈寶賢在博士學(xué)位論文《多功能微細(xì)特種加工系統(tǒng)及加工技術(shù)的研究》第13-34頁中提到，日本的Panasonic MG-ED82W和瑞士的AGIE Compact 1都裝備有光學(xué)顯微鏡，可以清晰地觀察電極狀態(tài)，但是無法在線測量電極尺寸。日本的Micro Researchμ-spark2000和哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工及機電控制研究所研制的微細(xì)特種加工機床都裝備有CCD數(shù)字顯微儀，在Windows下既可以觀察微細(xì)電極，也可以進行簡單測量。但是由于選用的是通用的集成數(shù)字顯微儀產(chǎn)品，沒有針對微細(xì)電火花加工的工況進行優(yōu)化，也沒有進行系統(tǒng)標(biāo)定，所以圖像及其邊緣不太清晰，測量精度也比較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，使其取代傳統(tǒng)的測量裝置，基于顯微光學(xué)成像和數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)微細(xì)電極的在線觀察和測量。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟(1)顯微光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計采用具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)。由于目前先進的微細(xì)電火花加工機床可以加工出Φ5μm的微細(xì)孔及Φ3μm的微細(xì)軸，因此設(shè)計顯微光學(xué)成像系統(tǒng)必須具有合適的分辨率和放大率，為觀察電極狀態(tài)和測量電極尺寸提供充分的圖像信息。
(2)顯微光學(xué)成像系統(tǒng)與微細(xì)電加工機床的集成在微細(xì)電加工機床上安裝6自由度支架夾持顯微光學(xué)成像系統(tǒng)，便于調(diào)節(jié)二者之間的相對位置。由于微細(xì)電加工的技術(shù)特點，顯微光學(xué)成像系統(tǒng)與微細(xì)電加工機床必須具有若干相對位置關(guān)系，既能使微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)獲得合理的成像位置關(guān)系，又能滿足微細(xì)電加工的微細(xì)電極裝卸要求。因此在微細(xì)電加工機床上安裝6自由度支架夾持顯微光學(xué)成像系統(tǒng)。
(3)基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理基于V4L2 API(V4L2 API是一種基于Linux的圖像采集設(shè)備應(yīng)用編程接口)開發(fā)了圖像采集模塊，采用mmap()(mmap()是一種基于Linux的內(nèi)存映射方法)方法將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進程的地址空間以獲取圖像數(shù)據(jù)；基于OpenCV(OpenCV是一種圖像處理函數(shù)庫，具有跨平臺的特點，既可以在Windows下使用，也可以在Linux下使用)開發(fā)了圖像處理模塊，經(jīng)圖像濾波、去噪之后，通過Canny邊緣檢測算法提取了微細(xì)電極的邊界形狀，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)的同時測量微細(xì)電極的特征尺寸。
(4)基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理與數(shù)控系統(tǒng)的集成由于微細(xì)電加工的技術(shù)特點，數(shù)控系統(tǒng)和微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)必須互相配合，既能實現(xiàn)微細(xì)電極的精確測量，又能使數(shù)控加工有效運行。因此在數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面中集成了圖像采集和處理功能。在基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面中，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，測量微細(xì)電極的直徑。
所述的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計是指對顯微成像系統(tǒng)進行光學(xué)分析，在校正了幾何像差之后，衍射現(xiàn)象成為制約光學(xué)系統(tǒng)分辨率的重要因素，根據(jù)瑞利判據(jù)和阿貝正弦條件，提高顯微物鏡分辨率有兩個途徑，一是用短波長的光照明，二是提高顯微物鏡的數(shù)值孔徑。光學(xué)系統(tǒng)的分辨率不能用增大放大率的辦法來提高，這是因為增大放大率雖然放大了像點之間的距離，但是每個像點的艾里斑也同樣被放大了，光學(xué)系統(tǒng)原來所不能分辨的細(xì)節(jié)即使放得再大，仍然不能被肉眼或圖像傳感器所分辨。所以分辨率是在線檢測系統(tǒng)必須首先確定的關(guān)鍵參數(shù)。目前先進的微細(xì)電火花加工機床可以加工出Φ5μm的微細(xì)孔及Φ3μm的微細(xì)軸，根據(jù)瑞利判據(jù)和阿貝正弦條件，確定微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)的分辨率小于2μm。根據(jù)機床加工的實際工況，微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)的其他參數(shù)包括50mm左右的工作距離、10倍以上的光學(xué)放大率和500倍以上的總放大率。
所述的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)與微細(xì)電加工機床的集成是指在機床本體上安裝6自由度支架夾持顯微光學(xué)成像系統(tǒng)，便于調(diào)節(jié)二者之間的相對位置。當(dāng)裝卸微細(xì)電極時使成像系統(tǒng)遠(yuǎn)離機床主軸；當(dāng)裝卸微細(xì)電極后調(diào)整6自由度支架，使系統(tǒng)在最小倍率下通過圖像顯示找到電極，鎖緊6自由度支架，保證成像系統(tǒng)與電極的空間相對位置不變；然后使系統(tǒng)處于最大倍率(景深最小，像深最大)，調(diào)整前焦距，使得系統(tǒng)成像清晰；接著使系統(tǒng)處于最小倍率(景深最大，像深最小)，調(diào)整后焦距，使得系統(tǒng)成像清晰；由于變焦顯微鏡頭具有齊焦性(parfocal)，因此通過上述過程后，系統(tǒng)在變倍時不需要做任何調(diào)整都可以清晰成像。
所述的基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理是指由于Linux具有開源免費、功能全面、高效靈活等特點，因此基于Linux進行微細(xì)電極圖像采集和處理，通過屏幕人工觀測或計算機自動測量，獲取微細(xì)電極的加工狀態(tài)和特征尺寸?；赩4L2 API進行圖像采集，使圖像采集模塊具有設(shè)備無關(guān)性，可以不加改動地移植到任何支持V4L2的圖像采集設(shè)備。首先配置圖像采集設(shè)備和圖像采集窗口，然后以幀為單位采集圖像，采用mmap()方法將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進程的地址空間，快速大量的獲取圖像數(shù)據(jù)?；贠penCV庫進行圖像處理，首先進行圖像濾波、去噪，然后采用Canny邊緣檢測算法獲取微細(xì)電極的邊界形狀，觀察電極的加工狀態(tài)和測量電極的特征尺寸。
所述的基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理與數(shù)控系統(tǒng)的集成是指在基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面中集成了圖像采集和處理功能。當(dāng)分層加工微細(xì)電極時，每加工完一層，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，決定下一層加工的電參數(shù)；測量微細(xì)電極的直徑，決定下一層加工的進給量。在微細(xì)電火花銑削或微細(xì)電化學(xué)銑削時，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，測量微細(xì)電極的尺寸，進行微細(xì)電極的補償。利用G代碼自動移動微細(xì)電極到觀測區(qū)域是通過編寫PMAC程序?qū)崿F(xiàn)的，PMAC允許用戶解釋G代碼，因此可以利用空閑的G代碼(如G60)在數(shù)控程序中實現(xiàn)觀測電極的功能首先各軸按原軌跡回退到初始位置，然后Z軸快速運動到觀測位置等待用戶觀測，接著Z軸快速運動到初始位置，最后各軸按原軌跡運動到原加工位置。
本發(fā)明在微細(xì)電加工機床上安裝6自由度支架，夾持具有1.61μm分辨率和113-729放大率的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)，基于Linux進行微細(xì)電極圖像采集和處理，并與數(shù)控系統(tǒng)進行功能和界面集成，在進行微細(xì)電加工時，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，測量微細(xì)電極的直徑。本發(fā)明具有檢測方便、高效、高精度的特點，為微細(xì)電加工技術(shù)的發(fā)展提供了重要的觀測方法，為微細(xì)電加工機床的應(yīng)用提供了重要的工具支持。
具體實施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例本實施例采用的控制平臺主要包括微細(xì)電加工數(shù)控系統(tǒng)和微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)。微細(xì)電加工數(shù)控系統(tǒng)主要包括工業(yè)PC、運動控制器、直線電機、直線光柵等，運動控制器采用美國Delta Tau公司的開放式多軸運動控制器PMAC，可以同時控制八個伺服軸，與工業(yè)PC構(gòu)成NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)伺服軸采用美國Copley的直線電機和直線光柵構(gòu)成全閉環(huán)控制。其xyz三軸的行程范圍為100mm×100mm×100mm，各運動軸的進給分辨率為0.1μm，重復(fù)定位誤差不大于2μμm。微細(xì)電極在線檢測系統(tǒng)由鹵素?zé)艄庠础⒆兘癸@微鏡頭、CCD攝像機和6自由度支架組成。鹵素?zé)艄庠赐ㄟ^玻璃光纖與變焦鏡頭連接，實現(xiàn)同軸照明方式。顯微光學(xué)成像系統(tǒng)具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率。在Linux平臺下，基于V4L2 API開發(fā)了圖像采集模塊，圖像采集模塊獲取微細(xì)電極的圖像信息，一方面圖像信息傳遞至屏幕顯示，使用戶觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)；另一方面圖像信息傳遞至圖像處理模塊作進一步處理?；贠penCV開發(fā)了圖像處理模塊，圖像處理模塊接收圖像采集模塊獲取的圖像信息，首先濾波去噪，然后通過Canny邊緣檢測算法提取了微細(xì)電極的邊緣輪廓，使用戶測量微細(xì)電極的特征尺寸，如直徑尺寸和長度尺寸等。在基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面中集成了圖像采集和處理功能，因此可以在加工過程中根據(jù)需要隨時觀測微細(xì)電極，用來確定下一步加工的工藝參數(shù)，例如在分層加工微細(xì)電極時，每加工完一層，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，決定下一層加工的電參數(shù)，測量微細(xì)電極的直徑，決定下一層加工的進給量；在微細(xì)電火花銑削或微細(xì)電化學(xué)銑削時，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，測量微細(xì)電極的尺寸，進行微細(xì)電極的補償。
實施效果根據(jù)本發(fā)明方法，可實現(xiàn)各種微細(xì)軸、微細(xì)孔和三維微結(jié)構(gòu)的加工，具有完善的功能、較高的精度和優(yōu)良的性能。通過加工實驗，可以加工最小孔不大于Φ20μm，最小軸不大于Φ15μm，具有復(fù)合加工和三維加工的能力。
權(quán)利要求
1.一種微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，其特征在于，包括以下步驟(1)顯微光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計，采用具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)；(2)顯微光學(xué)成像系統(tǒng)與微細(xì)電加工機床的集成，在微細(xì)電加工機床上安裝6自由度支架夾持顯微光學(xué)成像系統(tǒng)；(3)基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理，基于V4L2 API開發(fā)了圖像采集模塊，采用mmap()方法將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進程的地址空間以獲取圖像數(shù)據(jù)；基于OpenCV開發(fā)了圖像處理模塊，經(jīng)圖像濾波、去噪之后，通過Canny邊緣檢測算法提取了微細(xì)電極的邊界形狀，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)的同時測量微細(xì)電極的特征尺寸；(4)基于Linux的微細(xì)電極圖像采集和處理與數(shù)控系統(tǒng)的集成，在基于Linux的數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面中，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，測量微細(xì)電極的直徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，其特征是步驟(2)中，顯微光學(xué)成像系統(tǒng)在當(dāng)裝卸微細(xì)電極時遠(yuǎn)離機床主軸，裝卸微細(xì)電極后調(diào)整6自由度支架，使系統(tǒng)在最小倍率下通過圖像顯示找到電極，鎖緊6自由度支架，保證成像系統(tǒng)與電極的空間相對位置不變；然后使系統(tǒng)處于最大倍率，調(diào)整前焦距，使得系統(tǒng)成像清晰；接著使系統(tǒng)處于最小倍率，調(diào)整后焦距，使得系統(tǒng)成像清晰；變焦顯微鏡頭具有齊焦性，通過上述過程后，系統(tǒng)在變倍時不需要做任何調(diào)整都能清晰成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，其特征是步驟(3)中，基于V4L2 API進行圖像采集，圖像采集模塊具有設(shè)備無關(guān)性，能移植到任何支持V4L2的圖像采集設(shè)備，采集數(shù)據(jù)時，首先配置圖像采集設(shè)備和圖像采集窗口，然后以幀為單位采集圖像，采用mmap()方法將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶進程的地址空間，獲取圖像數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，其特征是步驟(4)中，在分層加工微細(xì)電極時，每加工完一層，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，決定下一層加工的電參數(shù)，測量微細(xì)電極的直徑，決定下一層加工的進給量；在微細(xì)電火花銑削或微細(xì)電化學(xué)銑削時，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，測量微細(xì)電極的尺寸，進行微細(xì)電極的補償。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，其特征是步驟(4)中，利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域是通過編寫PMAC程序?qū)崿F(xiàn)的，PMAC允許用戶解釋G代碼，利用空閑的G代碼在數(shù)控程序中實現(xiàn)觀測電極首先各軸按原軌跡回退到初始位置，然后Z軸快速運動到觀測位置等待用戶觀測，接著Z軸快速運動到初始位置，最后各軸按原軌跡運動到原加工位置。
全文摘要
一種微細(xì)電加工的微細(xì)電極在線檢測方法，屬于特種加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在微細(xì)電加工機床上安裝6自由度支架，夾持具有1.61μm分辨率和113－729放大率的顯微光學(xué)成像系統(tǒng)，基于Linux進行微細(xì)電極圖像采集和處理，并與數(shù)控系統(tǒng)進行功能和界面集成，在進行微細(xì)電加工時，人工手動或利用G代碼自動將微細(xì)電極移動到觀測區(qū)域，觀察微細(xì)電極的加工狀態(tài)，測量微細(xì)電極的直徑。本發(fā)明具有檢測方便、高效、高精度的特點，為微細(xì)電加工技術(shù)的發(fā)展提供了重要的觀測方法，為微細(xì)電加工機床的應(yīng)用提供了重要的工具支持。
文檔編號G01B21/00GK1865916SQ20061002796
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者趙萬生 申請人:上海交通大學(xué)