CN111390313A - 基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法系统，包括包括激光位移传感器、工具电极、对准标准块及电接触反馈系统，采用激光非接触精确测量来标定工具电极的端部位置，从而实现精确给定绝缘工件初始加工间隙时不损伤工具电极，在更换工具电极后仍然可以通过对准标准块来快速标定出工具电极端部位置，从而可以便捷地实现给定加工间隙；在实际应用中若需要更换工件后可通过激光位移传感器测量快速实现给定加工间隙。本发明系统集成到放电辅助化学加工系统或机床中，实现工具电极端部位置快速标定和给定加工间隙，操作过程简便易行、效率较高。

Description

基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法及系统
技术领域
本发明涉及微细特种加工领域，尤其涉及基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法及系统。
背景技术
放电辅助化学加工(Spark Assisted Chemical Engraving，SACE)可实现玻璃、石英、陶瓷等多种绝缘材料加工，其蚀除机理是在工具电极(阴极)上电解产生氢气，聚集形成气膜作为绝缘介质隔离工具电极和电解液。当气膜两端电压超过临界电压时，氢气膜被击穿产生放电现象，伴随产生的高温高压导致物理作用和化学作用实现工件材料的去除。在放电辅助化学加工中，工具电极与工件之间的加工间隙对加工稳定性、蚀除效率具有显著影响。为实现高精度连续地放辅助化学扫描加工，维持合理的加工间隙是十分必要的，需要在加工前给定初始加工间隙。
对于导电材料工件可直接通过电接触感知法实现给定初始加工间隙，精度高且操作简单。其基本原理：工具电极和导电工件分别接电源正负极；工具电极在数控软件控制下按照预定速度、路线进给，当工具电极与工件表面接触的瞬间产生短路电信号，计算机检测到这个信号后记录当前工具电极位置。将工具电极定位到这个记录的位置，即实现了工具电极对准工件表面，再回退给定距离即可实现给定初始加工间隙。
但对于放电辅助化学加工的绝缘材料工件，工具电极与工件接触时不能产生短路电信号，无法直接应用电接触感知法对准工件表面和给定初始加工间隙。现有的绝缘材料工件表面对准和给定加工间隙方法主要有：
(1)CCD观测对准方法：通过进给工具电极逐步接近工件表面，利用CCD图像观测工具电极与工件表面之间的相对间隙距离。操作较为繁琐，且因图像分辨率限制和CCD视角误差等原因，造成对准和给定加工间隙误差较大。
(2)微力传感器辅助对准方法：利用工具电极与工件表面之间接触力作为传感信号，实现对准和给定加工间隙。对准精度依赖于力传感器的分辨率，若要实现较高对准精度的高分辨率传感器的造价较高，而且此方法对工件表面和工具电极的接触刚度较为敏感。
(3)标准片测间隙辅助对准：即在工件表面放置标准厚度金属片作为辅助，满足电接触回路形成的条件，从而通过工具电极电接触辅助金属片来获知工具电极与工件之间的相对位置，进给工具电极到指定位置可给定加工间隙。但该方法不适用工件表面具有宏观波动误差的不平情况，且测量精度受到标准片大小和形状的限制。
(4)基于超声波测量间隙法：在工作台上安装超声波传感器，通过超声波测量工具电极与工件表面的相对距离实现对准和给定加工间隙过程。这不仅受工作台结构限制和环境影响，而且难以实现微细工具电极的对准过程。
发明内容
本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法及系统，利用本发明方法采用激光非接触精确测量来标定工具电极的端部位置，实现精确给定绝缘工件初始加工间隙时不损伤工具电极。
本发明所采用的技术方案如下：
基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定系统，包括激光位移传感器、工具电极、对准标准块及电接触反馈系统，所述激光传感器固接于带有工具电极的Z轴上；所述电接触反馈系统由控制系统及电源构成，所述电源的正极与工具电极电连接，所述电源的负极与对准标准块电连接。
利用上述系统进行基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定的方法包括以下步骤：
第一步：在带有工具电极的Z轴安装激光位移传感器；
第二步：标定工具电极和激光测距传感器的相对位置；
第三步：通过激光测距传感器精确定位绝缘工件表面并移动工具电极使其对准绝缘工件表面；
第四步：回退工具电极至给定初始加工间隙。
其进一步技术方案在于：
在第二步中先由工具电极电接触感知对准标准块上测量点位置，并将机床坐标置零，然后回退Z轴并用激光位移传感器测量标准块测量点，获得工具电极端部相对于激光位移传感器零点的位置，所述工具电极电接触感知的测量点位置与激光位移传感器测量的测量点位置为同一点；
在第三步中用激光位移传感器测量绝缘工件待加工点位置并再次将机床坐标置零，结合第二步中测量得到的工具电极端部相对于激光位移传感器零点的位置，计算出绝缘工件上待加工点相对于工具电极端部的坐标；
所述对准标准块的表面尺寸大于工具电极直径。
本发明的有益效果如下：
本发明采用激光非接触精确测量来标定工具电极的端部位置，从而实现精确给定绝缘工件初始加工间隙时不损伤工具电极，在更换工具电极后仍然可以通过对准标准块来快速标定出工具电极端部位置，从而可以便捷地实现给定加工间隙；在实际应用中若需要更换工件后可通过激光位移传感器测量快速实现给定加工间隙。本发明系统集成到放电辅助化学加工系统或机床中，实现工具电极端部位置快速标定和给定加工间隙，操作过程简便易行、效率较高。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明给定初始加工间隙的原理图。
其中；1、激光位移传感器；2、工具电极；3、绝缘工件；4、对准标准块；5、电接触反馈系统；501、控制系统；502、电源。
具体实施方式
下面说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法及系统包括激光位移传感器1、工具电极2、对准标准块4及电接触反馈系统5，激光传感器1固接于带有工具电极2的Z轴上；电接触反馈系统5由控制系统501及电源502构成，控制系统501用于对机床输出运动信号实现机床主轴的运动，机床反馈位置信号给控制系统501，同时控制系统501还接收正负极电路的短路反馈信号。电源502的正极与工具电极2电连接，电源502的负极与对准标准块4电连接。
其中上述激光位移传感器1用于测量对准标准块4和绝缘工件3表面的高度。工具电极2与对准标准块4接触产生短路信号，对准标准块4用于标定工具电极2和激光位移传感器1的相对位置。电接触反馈系统5用于检测短路信号时记录接触点当前的位置，并发出Z轴停止进给的运动的命令，上述电接触均采用低电压以避免放电现象。
利用上述系统进行基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：将带有工具电极2的Z轴上安装激光位移传感器1。
第二步：标定相对位置：首先工具电极2接触感知对准标准块4上点O的位置，然后将机床坐标置零为(0，0，0)，然后回退Z轴后再次用激光位移传感器1测量对准标准块4上点O的位置，此时机床坐标为(x0,y0,z0)，激光位移传感器示数为(za)，标定工具电极2端部相对于激光位移传感器零点位置为(x0,y0,z0-za)。
第三步：用激光位移传感器1测量绝缘工件3上待加工点的位置，此时机床坐标为(x1,y1,z1)并再次置零为(0,0,0)，激光位移传感器示数为(zb)，计算可得绝缘工件3上待加工点相对于工具电极2端部坐标为(x0,y0,z0-za+zb)。电接触反馈系统5的系统终端发出运动信号给机床控制Z轴运动使工具电极2端部运动到坐标(-x0,-y0,-z0+za-zb)，从而实现工具电极2端部与绝缘工件3表面对准。
第四步：电接触反馈系统5再次发出运动信号控制Z轴运动使工具电极回退指定距离SB,从而实现给定微细工具电极与绝缘工件表面的初始加工间隙。
本发明中对准标准块的表面尺寸大于工具电极直径，从而保证激光位移传感器的对准平面可以打到对准标准块的表面，本发明中电源正负极与工具电极2、对准标准块4之间的电接触均采用低电压以避免放电现象。在测量过程中若更换工具电极2，可通过一次对准过程(重复第二步)实现再次标定工具电极端部位置；若标定工具电极端部位置后更换绝缘工件，可直接使用激光位移传感器1测量绝缘工件表面高度位置。
实施例1：
如图3所示，本发明方法的详细操作步骤如下：
第一步，预先在Z轴安装激光位移传感器1。
第二步：工具电极2电接触感知对准标准块4上的O点位置，将机床坐标置零为(0,0,0)；再回退Z轴，电接触反馈系统5控制机床Z轴运动使激光位移传感器1测量对准标准块上O点位置，此时机床坐标为(-6，-5，3)，激光传感器示数为(0.020)，可得工具电极2端部相对于激光位移传感器1零点的坐标为(-6，-5，2.980)；
第三步：电接触反馈系统5控制机床Z轴运动使激光位移传感器1测量绝缘工件3上P点位置为(0，0.005)，可得绝缘工件3上P点相对于工具电极2端部坐标为(-6，-5，2.985)；置零机床坐标为(0，0，0)，电接触反馈系统5控制机床Z轴运动使工具电极2运动到坐标(6，5，-2.985)，可实现工具电极2端部与绝缘工件3表面对准；
第四步：再次置零机床坐标为(0，0，0)，电接触反馈系统5控制机床Z轴运动工具电极2向上运动0.003mm即可实现给定初始加工间隙为3μm。
本发明采用激光非接触精确测量来标定工具电极的端部位置，从而实现精确给定绝缘工件初始加工间隙时不损伤工具电极，本发明在更换工具电极后仍然可以通过对准标准块来快速标定出工具电极端部位置，从而可以便捷地实现给定加工间隙；本发明在实际应用中若需要更换工件后可通过激光位移传感器测量快速实现给定加工间隙。本发明系统集成到放电辅助化学加工系统或机床中，实现工具电极端部位置快速标定和给定加工间隙，操作过程简便易行、效率较高。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定系统，其特征在于：包括激光位移传感器(1)、工具电极(2)、对准标准块(4)及电接触反馈系统(5)，所述激光传感器(1)固接于带有工具电极(2)的Z轴上；所述电接触反馈系统(5)由控制系统(501)及电源(502)构成，所述电源(502)的正极与工具电极(2)电连接，所述电源(502)的负极与对准标准块(4)电连接。
2.利用利要求1所述系统进行基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：在带有工具电极的Z轴安装激光位移传感器；
第二步：标定工具电极和激光测距传感器的相对位置；
第三步：通过激光测距传感器精确定位绝缘工件表面并移动工具电极使其对准绝缘工件表面；
第四步：回退工具电极至给定初始加工间隙。
3.如权利要求2所述基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定的方法，其特征在于：
在第二步中先由工具电极电接触感知对准标准块上测量点位置，并将机床坐标置零，然后回退Z轴并用激光位移传感器测量标准块测量点，获得工具电极端部相对于激光位移传感器零点的位置，所述工具电极电接触感知的测量点位置与激光位移传感器测量的测量点位置为同一点。
4.如权利要求2所述基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定的方法，其特征在于：
在第三步中用激光位移传感器测量绝缘工件待加工点位置并再次将机床坐标置零，结合第二步中测量得到的工具电极端部相对于激光位移传感器零点的位置，计算出绝缘工件上待加工点相对于工具电极端部的坐标。
5.如权利要求2所述基于激光测距和电接触感知的加工间隙给定的方法，其特征在于：所述对准标准块的表面尺寸大于工具电极直径。
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