专利名称：微细电加工的微细电极在线检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种特种加工技术领域的方法，具体是一种微细电加工的微细电极在线检测方法。
背景技术：
与基于平面图形转印技术的硅微细加工技术相比，微细电加工技术可以适应更广泛的加工材料，其与生俱来的三维加工能力更凸显出这一加工技术的独特优势和强大的生命力，可以满足航天航空、微电子、光电子、生物医学、医疗、汽车、化纤、模具、微型燃料电池、微型内燃发动机等日益增长的微细化制造的需求。近年来微细电加工在工业应用研究方面取得了很多突破，正因为如此，微细电加工技术又重新获得了学术界和产业界的高度重视，在日本与欧美形成了一股新的研究热潮。微细电极的制造是微细电加工的关键技术问题。如果采用离线方式加工并二次安装的方法，则不可避免的产生安装误差和变形误差；如果采用在线方式加工，则需要解决在线观察和测量等问题。
经对现有技术的文献检索发现哈尔滨工业大学张勇在博士学位论文《微细电火花加工系统及其工艺技术研究》第44-47页中提到，通过微细电极在x和y方向分别接触标准棒，在线测量微细电极的尺寸，但是存在放电间隙，而且二者轴线的平行度不易保证。上述方法属于接触式测量，由于放电间隙的存在，测量精度受到了一定程度的限制，更重要的是，上述方法无法在线观察微细电极，也就很难发现微细电极制作过程中的断裂现象。当微细电极直径达到几微米时，利用肉眼或者手持放大镜的方法已经无法观察。哈尔滨工业大学贾宝贤在博士学位论文《多功能微细特种加工系统及加工技术的研究》第13-34页中提到，日本的Panasonic MG-ED82W和瑞士的AGIE Compact 1都装备有光学显微镜，可以清晰地观察电极状态，但是无法在线测量电极尺寸。日本的Micro Researchμ-spark2000和哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所研制的微细特种加工机床都装备有CCD数字显微仪，在Windows下既可以观察微细电极，也可以进行简单测量。但是由于选用的是通用的集成数字显微仪产品，没有针对微细电火花加工的工况进行优化，也没有进行系统标定，所以图像及其边缘不太清晰，测量精度也比较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种微细电加工的微细电极在线检测方法，使其取代传统的测量装置，基于显微光学成像和数字图像处理技术实现微细电极的在线观察和测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤(1)显微光学成像系统的设计采用具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率的显微光学成像系统。由于目前先进的微细电火花加工机床可以加工出Φ5μm的微细孔及Φ3μm的微细轴，因此设计显微光学成像系统必须具有合适的分辨率和放大率，为观察电极状态和测量电极尺寸提供充分的图像信息。
(2)显微光学成像系统与微细电加工机床的集成在微细电加工机床上安装6自由度支架夹持显微光学成像系统，便于调节二者之间的相对位置。由于微细电加工的技术特点，显微光学成像系统与微细电加工机床必须具有若干相对位置关系，既能使微细电极在线检测系统获得合理的成像位置关系，又能满足微细电加工的微细电极装卸要求。因此在微细电加工机床上安装6自由度支架夹持显微光学成像系统。
(3)基于Linux的微细电极图像采集和处理基于V4L2 API(V4L2 API是一种基于Linux的图像采集设备应用编程接口)开发了图像采集模块，采用mmap()(mmap()是一种基于Linux的内存映射方法)方法将设备内存映射到用户进程的地址空间以获取图像数据；基于OpenCV(OpenCV是一种图像处理函数库，具有跨平台的特点，既可以在Windows下使用，也可以在Linux下使用)开发了图像处理模块，经图像滤波、去噪之后，通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边界形状，观察微细电极的加工状态的同时测量微细电极的特征尺寸。
(4)基于Linux的微细电极图像采集和处理与数控系统的集成由于微细电加工的技术特点，数控系统和微细电极在线检测系统必须互相配合，既能实现微细电极的精确测量，又能使数控加工有效运行。因此在数控系统人机交互界面中集成了图像采集和处理功能。在基于Linux的数控系统人机交互界面中，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，测量微细电极的直径。
所述的显微光学成像系统的设计是指对显微成像系统进行光学分析，在校正了几何像差之后，衍射现象成为制约光学系统分辨率的重要因素，根据瑞利判据和阿贝正弦条件，提高显微物镜分辨率有两个途径，一是用短波长的光照明，二是提高显微物镜的数值孔径。光学系统的分辨率不能用增大放大率的办法来提高，这是因为增大放大率虽然放大了像点之间的距离，但是每个像点的艾里斑也同样被放大了，光学系统原来所不能分辨的细节即使放得再大，仍然不能被肉眼或图像传感器所分辨。所以分辨率是在线检测系统必须首先确定的关键参数。目前先进的微细电火花加工机床可以加工出Φ5μm的微细孔及Φ3μm的微细轴，根据瑞利判据和阿贝正弦条件，确定微细电极在线检测系统的分辨率小于2μm。根据机床加工的实际工况，微细电极在线检测系统的其他参数包括50mm左右的工作距离、10倍以上的光学放大率和500倍以上的总放大率。
所述的显微光学成像系统与微细电加工机床的集成是指在机床本体上安装6自由度支架夹持显微光学成像系统，便于调节二者之间的相对位置。当装卸微细电极时使成像系统远离机床主轴；当装卸微细电极后调整6自由度支架，使系统在最小倍率下通过图像显示找到电极，锁紧6自由度支架，保证成像系统与电极的空间相对位置不变；然后使系统处于最大倍率(景深最小，像深最大)，调整前焦距，使得系统成像清晰；接着使系统处于最小倍率(景深最大，像深最小)，调整后焦距，使得系统成像清晰；由于变焦显微镜头具有齐焦性(parfocal)，因此通过上述过程后，系统在变倍时不需要做任何调整都可以清晰成像。
所述的基于Linux的微细电极图像采集和处理是指由于Linux具有开源免费、功能全面、高效灵活等特点，因此基于Linux进行微细电极图像采集和处理，通过屏幕人工观测或计算机自动测量，获取微细电极的加工状态和特征尺寸。基于V4L2 API进行图像采集，使图像采集模块具有设备无关性，可以不加改动地移植到任何支持V4L2的图像采集设备。首先配置图像采集设备和图像采集窗口，然后以帧为单位采集图像，采用mmap()方法将设备内存映射到用户进程的地址空间，快速大量的获取图像数据。基于OpenCV库进行图像处理，首先进行图像滤波、去噪，然后采用Canny边缘检测算法获取微细电极的边界形状，观察电极的加工状态和测量电极的特征尺寸。
所述的基于Linux的微细电极图像采集和处理与数控系统的集成是指在基于Linux的数控系统人机交互界面中集成了图像采集和处理功能。当分层加工微细电极时，每加工完一层，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，决定下一层加工的电参数；测量微细电极的直径，决定下一层加工的进给量。在微细电火花铣削或微细电化学铣削时，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，测量微细电极的尺寸，进行微细电极的补偿。利用G代码自动移动微细电极到观测区域是通过编写PMAC程序实现的，PMAC允许用户解释G代码，因此可以利用空闲的G代码(如G60)在数控程序中实现观测电极的功能首先各轴按原轨迹回退到初始位置，然后Z轴快速运动到观测位置等待用户观测，接着Z轴快速运动到初始位置，最后各轴按原轨迹运动到原加工位置。
本发明在微细电加工机床上安装6自由度支架，夹持具有1.61μm分辨率和113-729放大率的显微光学成像系统，基于Linux进行微细电极图像采集和处理，并与数控系统进行功能和界面集成，在进行微细电加工时，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，测量微细电极的直径。本发明具有检测方便、高效、高精度的特点，为微细电加工技术的发展提供了重要的观测方法，为微细电加工机床的应用提供了重要的工具支持。
具体实施例方式
结合本发明方法的内容提供以下实施例本实施例采用的控制平台主要包括微细电加工数控系统和微细电极在线检测系统。微细电加工数控系统主要包括工业PC、运动控制器、直线电机、直线光栅等，运动控制器采用美国Delta Tau公司的开放式多轴运动控制器PMAC，可以同时控制八个伺服轴，与工业PC构成NC嵌入PC结构的数控系统，系统伺服轴采用美国Copley的直线电机和直线光栅构成全闭环控制。其xyz三轴的行程范围为100mm×100mm×100mm，各运动轴的进给分辨率为0.1μm，重复定位误差不大于2μμm。微细电极在线检测系统由卤素灯光源、变焦显微镜头、CCD摄像机和6自由度支架组成。卤素灯光源通过玻璃光纤与变焦镜头连接，实现同轴照明方式。显微光学成像系统具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率。在Linux平台下，基于V4L2 API开发了图像采集模块，图像采集模块获取微细电极的图像信息，一方面图像信息传递至屏幕显示，使用户观察微细电极的加工状态；另一方面图像信息传递至图像处理模块作进一步处理。基于OpenCV开发了图像处理模块，图像处理模块接收图像采集模块获取的图像信息，首先滤波去噪，然后通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边缘轮廓，使用户测量微细电极的特征尺寸，如直径尺寸和长度尺寸等。在基于Linux的数控系统人机交互界面中集成了图像采集和处理功能，因此可以在加工过程中根据需要随时观测微细电极，用来确定下一步加工的工艺参数，例如在分层加工微细电极时，每加工完一层，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，决定下一层加工的电参数，测量微细电极的直径，决定下一层加工的进给量；在微细电火花铣削或微细电化学铣削时，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，测量微细电极的尺寸，进行微细电极的补偿。
实施效果根据本发明方法，可实现各种微细轴、微细孔和三维微结构的加工，具有完善的功能、较高的精度和优良的性能。通过加工实验，可以加工最小孔不大于Φ20μm，最小轴不大于Φ15μm，具有复合加工和三维加工的能力。
权利要求
1.一种微细电加工的微细电极在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤(1)显微光学成像系统的设计，采用具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率的显微光学成像系统；(2)显微光学成像系统与微细电加工机床的集成，在微细电加工机床上安装6自由度支架夹持显微光学成像系统；(3)基于Linux的微细电极图像采集和处理，基于V4L2 API开发了图像采集模块，采用mmap()方法将设备内存映射到用户进程的地址空间以获取图像数据；基于OpenCV开发了图像处理模块，经图像滤波、去噪之后，通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边界形状，观察微细电极的加工状态的同时测量微细电极的特征尺寸；(4)基于Linux的微细电极图像采集和处理与数控系统的集成，在基于Linux的数控系统人机交互界面中，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，测量微细电极的直径。
2.根据权利要求1所述的微细电加工的微细电极在线检测方法，其特征是步骤(2)中，显微光学成像系统在当装卸微细电极时远离机床主轴，装卸微细电极后调整6自由度支架，使系统在最小倍率下通过图像显示找到电极，锁紧6自由度支架，保证成像系统与电极的空间相对位置不变；然后使系统处于最大倍率，调整前焦距，使得系统成像清晰；接着使系统处于最小倍率，调整后焦距，使得系统成像清晰；变焦显微镜头具有齐焦性，通过上述过程后，系统在变倍时不需要做任何调整都能清晰成像。
3.根据权利要求1所述的微细电加工的微细电极在线检测方法，其特征是步骤(3)中，基于V4L2 API进行图像采集，图像采集模块具有设备无关性，能移植到任何支持V4L2的图像采集设备，采集数据时，首先配置图像采集设备和图像采集窗口，然后以帧为单位采集图像，采用mmap()方法将设备内存映射到用户进程的地址空间，获取图像数据。
4.根据权利要求1所述的微细电加工的微细电极在线检测方法，其特征是步骤(4)中，在分层加工微细电极时，每加工完一层，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，决定下一层加工的电参数，测量微细电极的直径，决定下一层加工的进给量；在微细电火花铣削或微细电化学铣削时，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，测量微细电极的尺寸，进行微细电极的补偿。
5.根据权利要求1或者4所述的微细电加工的微细电极在线检测方法，其特征是步骤(4)中，利用G代码自动将微细电极移动到观测区域是通过编写PMAC程序实现的，PMAC允许用户解释G代码，利用空闲的G代码在数控程序中实现观测电极首先各轴按原轨迹回退到初始位置，然后Z轴快速运动到观测位置等待用户观测，接着Z轴快速运动到初始位置，最后各轴按原轨迹运动到原加工位置。
全文摘要
一种微细电加工的微细电极在线检测方法，属于特种加工技术领域。本发明在微细电加工机床上安装6自由度支架，夹持具有1.61μm分辨率和113－729放大率的显微光学成像系统，基于Linux进行微细电极图像采集和处理，并与数控系统进行功能和界面集成，在进行微细电加工时，人工手动或利用G代码自动将微细电极移动到观测区域，观察微细电极的加工状态，测量微细电极的直径。本发明具有检测方便、高效、高精度的特点，为微细电加工技术的发展提供了重要的观测方法，为微细电加工机床的应用提供了重要的工具支持。
文档编号G01B21/00GK1865916SQ20061002796
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月22日 优先权日2006年6月22日
发明者赵万生 申请人:上海交通大学