一种微细电极在线监测装置及监测方法

本发明属于特种加工，尤其涉及一种微细电极在线监测装置及监测方法。

背景技术：

1、微细电火花加工技术广泛应用于微小三维结构件、微小孔加工等复杂微小型零部件制造。在微细电火花加工过程中，微细电极存在电极损耗，极大的影响加工工件的形状精度和尺寸精度，因此需要在加工中设置电极补偿量，或者对电极进行修整。

2、在加工中设置电极补偿量需要对微细电极进行精密测量，但目前的显微测量方法存在测量范围和测量精度之间的矛盾。由于微细电极尺寸较小，需要使用十分昂贵的显微测量设备，但同时测量范围有限。如果采用离线修整电极，造成工件二次装卡，则不可避免的产生工件的定位误差，导致加工精度下降。

3、目前在微细电极监测中常使用机器视觉技术进行观测，但由于需要配备不同的显微放大镜头，只能针对某一尺寸范围的电极进行成像测量，同时需要高精密标定板对像元对应实际尺寸进行标定，测量步骤繁琐。因此一种微细电极在线监测模组及监测方法的提出就具有重要的工程意义和实用价值。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种微细电极在线监测装置及监测方法，能够充分考虑在微细电火花机床上进行集成，实现微细电极损耗的快速高精度监测。

2、为实现上述目的，本发明的一种微细电极在线监测装置及监测方法的具体技术方案如下：

3、一种微细电极在线监测装置，包括同轴全息成像模块、led背光成像模块、运动控制模块和图像采集卡，图像采集卡与cmos相机ⅰ和cmos相机ⅱ通信连接；

4、同轴全息成像模块由小功率激光源、准直扩束镜、cmos相机ⅰ和激光功率控制器组成；

5、led背光成像模块由led光源、准直镜组、cmos相机ⅱ、低倍远心镜头和led亮度控制器组成；

6、运动控制模块由运动平移台ⅰ、运动平移台ⅱ、反射镜ⅰ、反射镜ⅱ和运动控制器组成，反射镜ⅰ、反射镜ⅱ分别安装在运动平移台ⅰ、运动平移台ⅱ上，运动平移台ⅰ、运动平移台ⅱ均与运动控制器电性连接；

7、运动控制器、led亮度控制器、激光功率控制器、图像采集卡均与pc处理机通信连接；

8、反射镜ⅰ、反射镜ⅱ所处位置分别在p0、q0位置时，同轴全息成像模块对安装在电极主轴上的微细电极成像；反射镜ⅰ、反射镜ⅱ所处位置分别在p1、q1位置时，led背光成像模块对安装在电极主轴上的微细电极成像；

9、pc处理机发送控制信号到激光功率控制器，激光功率控制器控制小功率激光源出射激光，激光经由准直扩束镜进行准直扩束，并通过运动平移台ⅰ上的反射镜ⅰ进行光路偏转，照射到微细电极，然后激光继续传输通过运动平移台ⅱ上的反射镜ⅱ进行光路偏转，进入cmos相机ⅰ进行全息同轴干涉成像；

10、pc处理机发送控制信号到led亮度控制器，led亮度控制器控制led光源出射led光束，led光束经由准直镜组进行准直，并通过运动平移台ⅱ上的反射镜ⅱ进行光路偏转，照射到微细电极，然后led光继续传输通过运动平移台ⅰ上的反射镜ⅰ进行光路偏转，通过低倍远心镜头进入cmos相机ⅱ进行led背光成像。

11、进一步，保护光窗ⅰ和保护光窗ⅱ与反射镜ⅰ、反射镜ⅱ分布在同一光轴上。

12、进一步，led光源与led亮度控制器通信连接，通过led亮度控制器调节led光源光强，且led光源波长为可见光波段。

13、本发明还提供了一种微细电极在线监测方法，包括微细电极粗定位过程和微细电极检测过程：

14、所述微细电极的粗定位过程包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

15、步骤a1、通过pc处理机控制运动控制器驱动运动控制模块，开启led背光成像模块工作模式；

16、步骤a2、预先设置微细电极成像图像候选定位框，长宽设置为图像大小的一半，且候选定位框与图像中心重合；

17、步骤a3、调整微细电极的x向位置，led背光成像模块对微细电极进行清晰成像；

18、步骤a4、通过对图像进行亚像素轮廓提取，获取微细电极末端在图像中的位置；

19、步骤a5、针对初始微细电极，判断微细电极的末端位置是否处于图像中心，若不在图像中心，重复精密调整电极主轴位置，使得微细电极末端位置和图像中心重合，并记录下电极主轴的坐标值，并确保后续的微细电极检测过程中电极主轴先移动到这一坐标值；

20、微细电极检测过程包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

21、步骤b1、通过pc处理机控制运动控制器驱动运动控制模块，开启同轴全息成像模块工作模式；

22、步骤b2、采集一张微细电极的全息图，并使用微细电极粗定位过程步骤a2中的微细电极成像图像候选定位框大小，裁剪全息图大小与候选定位框大小一致；

23、步骤b3、采用超分辨率深度学习模型对所述步骤a2中的裁剪全息图进行超分辨重建，获得超分辨全息图；

24、步骤b4、对所述步骤b3获得的超分辨全息图采用角谱法进行全息图重建，获得重建全息图；

25、步骤b5、根据所述步骤b4的重建全息图进行轮廓提取，获取微细电极轮廓；

26、步骤b6、根据步骤b1到步骤b5中的微细电极轮廓确定方法，获得电极初始和电极使用后的轮廓，并对轮廓水平方向上最大轮廓偏差进行计算，与预设偏差进行比较，确定电极补偿量。

27、进一步，所述步骤a3中采用基于方差信息熵算法判定微细电极是否处于清晰位置：

28、

29、其中σ2(i,xj,yj)为图像以(xj,yj)为中心点3×3邻域的局域方差，μ为该邻域的平均灰度，f(xj+a,yj+b)为图像(xj+a,yj+b)像素点处的灰度值；

30、

31、其中pi为各灰度级出现的概率，l为图像灰度级总数256；

32、通过判别hvar达到最大值时，微细电极图像f为清晰成像。

33、本发明的一种微细电极在线监测装置及监测方法具有以下优点：利用了微细电极微尺寸下的干涉成像原理，采用了远心视觉微细电极图像定位和同轴全息成像检测的复合方法，能够对微细电极进行在线监测电极轮廓变化，实现对电极损耗程度判别，同时通过低倍率图像定位，减少了图像全息重建计算量，利用超分辨率深度学习模型提高全息图的分辨精度。与传统的机器视觉方法和激光测量方法相比，在微细电火花机床更容易部署，并且更容易对微细电极损耗程度进行量化判别，提高了测量精度和可靠性，高精度的电极损耗测量数据可为微细电火花超精密加工提供技术支撑。

技术特征：

1.一种微细电极在线监测装置，其特征在于，包括同轴全息成像模块、led背光成像模块、运动控制模块和图像采集卡(19)，图像采集卡(19)与cmos相机ⅰ(10)和cmos相机ⅱ(5)通信连接；

2.根据权利要求1所述的微细电极在线监测装置，其特征在于，保护光窗ⅰ(7)和保护光窗ⅱ(12)与反射镜ⅰ(2)、反射镜ⅱ(11)分布在同一光轴上。

3.根据权利要求1所述的微细电极在线监测装置，其特征在于，led光源(13)与led亮度控制器(17)通信连接，通过led亮度控制器(17)调节led光源(13)光强，且led光源(13)波长为可见光波段。

4.一种微细电极在线监测方法，其特征在于，包括微细电极粗定位过程和微细电极检测过程：

5.根据权利要求4所述的微细电极在线监测方法，其特征在于，所述步骤a3中采用基于方差信息熵算法判定微细电极(8)是否处于清晰位置：

6.根据权利要求4所述的微细电极在线监测方法，其特征在于，所述步骤b4全息图u：

7.根据权利要求4所述的微细电极在线监测方法，其特征在于，所述步骤b6具体包括：

技术总结
本发明一种微细电极在线监测装置及监测方法，属于特种加工技术领域；在线监测装置包括同轴全息成像模块、LED背光成像模块、运动控制模块、图像采集卡、激光功率控制器、LED亮度控制器组成。其中LED背光成像模块进行微细电极图像定位；同轴全息成像模块对微细电极进行全息干涉成像，基于全息重构算法，获取电极轮廓信息，进而判别电极损耗程度。同轴全息成像模块和LED背光成像模块通过运动控制模块进行反射镜位置切换实现不同成像方式的控制，采集到的图像经图像采集卡进入PC机，进行图像算法分析，对微细电极损耗程度进行判别。本发明实现微细电极损耗的在线监测。

技术研发人员：于占江,张晓冬,张向辉,于朋,李英,刘岩,李一全,杨珅,许金凯
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15