CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在微細(xì)電火花加工機(jī)床上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

摘要：CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)是一套基于光電檢測(cè)技術(shù)的質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器，可用于實(shí)時(shí)觀測(cè)和測(cè)量被加工工件，特別適合安裝應(yīng)用于微細(xì)電火花加工機(jī)床。此系統(tǒng)利用CCD(Charge-Couple Device)傳感器對(duì)工件進(jìn)行非接觸式測(cè)量，提高了微細(xì)電火花加工機(jī)床的工作效率和質(zhì)量。此文對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行討論，分析了其特點(diǎn)和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：CCD傳感器；細(xì)微電火花加工機(jī)床；實(shí)時(shí)傳感

    目前，精密加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，如微米量級(jí)的機(jī)械零器件，微機(jī)電系統(tǒng)，生物醫(yī)藥器械，以及光電設(shè)備。與此同時(shí)，先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)也是精密加工過程中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了控制被加工工件的精度，提高工作效率，通常微細(xì)電火花機(jī)床在加工完后會(huì)用電極絲觸碰法進(jìn)行檢測(cè)采集數(shù)據(jù)，但這種方法會(huì)影響工件表面質(zhì)量，僅適用于對(duì)加工表面粗糙度要求不高的情況。為了避免在測(cè)量過程中磨損工件表面，一般會(huì)使用非接觸式檢測(cè)設(shè)備，這就需要將工件取下后挪送到其他設(shè)備上采集所需數(shù)據(jù)，延長(zhǎng)了加工時(shí)間。因此，為了提高監(jiān)測(cè)效率，優(yōu)化檢測(cè)設(shè)備，一套可被安裝在電火花機(jī)床上，利用CCD傳感器進(jìn)行非接觸式快速測(cè)量的系統(tǒng)被使用。文中介紹了此系統(tǒng)的基本性能，并詳述了其兩大優(yōu)勢(shì)；測(cè)量性能穩(wěn)定，精確度高。

1 CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)
    CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)是一款基于光學(xué)檢測(cè)原理的系統(tǒng)，不光可以用于在線觀測(cè)被加工工件表面情況，還能用來測(cè)量工件的精度，特別適用于電火花加工機(jī)床。此系統(tǒng)的獨(dú)特之處還在于加工完工件后，能馬上進(jìn)行測(cè)量。這種檢測(cè)方式克服了微米量級(jí)工件可視范圍小檢測(cè)難度大的問題。圖1中被安裝在線切割電火花加工機(jī)床上的即為此系統(tǒng)。圖1(a)為瑞士阿奇夏米爾公司的AgieCharmilles CUT 1000。圖1(b)中1號(hào)框內(nèi)是CCD傳感器，也是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分之一。當(dāng)電蝕過程結(jié)束并且電解質(zhì)(如去離子水和油)被清理干凈后，這一設(shè)備將會(huì)自動(dòng)尋找到被測(cè)對(duì)象位置并移動(dòng)到此對(duì)象的上方。然后為了尋找到在Z軸上合適的位置，一個(gè)名為“Autofocus”的程序?qū)?huì)被自動(dòng)運(yùn)行以用來調(diào)整此成像器件與工件表面的最佳距離。測(cè)量過程中成像器件將會(huì)通過拍照的方式將工件表面情況傳送給負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析的電腦，所有被傳送過來的圖片經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析后可得到如圓孔直徑，圓孔中心位置，半弧的直徑和中心位置，兩平行邊之間的間距，不規(guī)則切割邊緣形狀的掃描等數(shù)據(jù)。

    這個(gè)系統(tǒng)的兩大主要功能為：觀察，檢測(cè)。觀察被測(cè)工件表面主要依靠光學(xué)原理將待測(cè)部分放大后進(jìn)行探測(cè)對(duì)比，也正因?yàn)槿绱斯ぜ砻媲闆r能夠在短時(shí)間內(nèi)被收集，即通過操作面板上的顯示屏直接得到。而檢測(cè)功能則需要運(yùn)用空間計(jì)量學(xué)的知識(shí)，來自動(dòng)或手動(dòng)分析計(jì)算出諸如間距，半徑或輪廓掃描等信息。

2 CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量的穩(wěn)定性
    為了檢驗(yàn)CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)工件上3個(gè)小孔的直徑在同樣條件下被重復(fù)測(cè)試33 900次，總共438小時(shí)。同時(shí)，由于機(jī)械探頭接觸掃描式檢測(cè)儀器Leitz PMM866被廣泛用在測(cè)量工件質(zhì)量的過程中，能滿足大多數(shù)客戶對(duì)精度的需求，所以，這種儀器的測(cè)量結(jié)果將被當(dāng)做參照值。
    表1分析總結(jié)收集的所有結(jié)果分別得到3個(gè)圓孔平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差，以及機(jī)械探頭接觸式儀器Leitz PMM866測(cè)量對(duì)比值。

    從表格1中可得所有圓孔半徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差都在0．5μm左右，并且與Leitz PMM866所得結(jié)果的偏差從-0．3μm到0，都滿足小于1μm的需求。同時(shí)，所有結(jié)果的峰值偏移都在±1μm以內(nèi)，同樣也滿足最初的精度需求。綜上所述，該系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量結(jié)果精度都穩(wěn)定在±1μm以內(nèi)，滿足細(xì)微電火花機(jī)床對(duì)工件檢驗(yàn)精度的需求。

3 與其他細(xì)微精加工中常用測(cè)量機(jī)器的對(duì)比
    在微米精加工過程中不同的檢測(cè)機(jī)器被使用，為了與這些常用機(jī)械進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)來對(duì)比它們的精度。
3．1 手動(dòng)式測(cè)量方法
3．1．1 投影儀
    這一類測(cè)量機(jī)器利用光學(xué)衍射原理在被測(cè)工件背面投射背景光，并使用高倍放大鏡頭進(jìn)行接收放大后投射在觀測(cè)屏上。由于此種測(cè)量方式受人為影響較大，為了確定人為因素對(duì)最后結(jié)果精確度影響的程度，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：一個(gè)寬10 mm的標(biāo)準(zhǔn)工件被用作待測(cè)工件，在投影儀的觀測(cè)屏上可以看到一個(gè)XY方向的基準(zhǔn)線，測(cè)量過程中我們需要用人眼判斷出Y軸方向上基準(zhǔn)線和工件邊緣的最佳吻合處。當(dāng)確定位置后按下與投影儀相連用來讀取位置儀器上的按鈕，定義此處為(X，Y)=(0，0)點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)放著工件的托盤沿著X軸移動(dòng)到此工件的另一邊緣，用同樣的方法記錄下另一邊緣處同一X方向上的另一點(diǎn)。此時(shí)可從儀器上讀取兩點(diǎn)間的距離，即為此標(biāo)準(zhǔn)工件兩邊緣間的間距。同樣的實(shí)驗(yàn)被獨(dú)立重復(fù)50次。

    圖2為總和所有結(jié)果出現(xiàn)頻率比。通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差我們可以得到人為因素對(duì)測(cè)量精度影響為當(dāng)可信度為95％時(shí)的±4．05μm，并且此工件的平均寬度為9 996μm，即為-4μm偏離實(shí)際寬度。
3．1．2 高放大倍率CCD可視檢測(cè)儀——TolTec
    TolTec250為放大倍率250的CCD可視檢測(cè)儀事一種高放大率并同時(shí)可安裝在線切割電火花機(jī)床和電火花刻磨機(jī)上。當(dāng)該儀器被安裝在線切割電火花機(jī)床上后工件和鏡頭間的相對(duì)位置就已固定，但若是安裝在電火花刻磨機(jī)上就能對(duì)鏡頭進(jìn)行調(diào)整。因此實(shí)驗(yàn)過程中雖然此儀器被安裝在電火花刻磨機(jī)上，但為了模擬與新研發(fā)的組合式可視檢測(cè)系統(tǒng)同樣被安裝在線切割電火花機(jī)床上的測(cè)試條件，從觀測(cè)屏上看到的工件與XY基準(zhǔn)線呈一定角度。
    為了測(cè)試該儀器的精確度，以下實(shí)驗(yàn)被組織：
    實(shí)驗(yàn)別分組織了13個(gè)人使用此儀器測(cè)量一標(biāo)準(zhǔn)工件的寬，每人可測(cè)量任意次數(shù)，到最后共46個(gè)測(cè)量結(jié)果被收集(平均每人每次測(cè)量用時(shí)5分鐘)。每次測(cè)量時(shí)共需要在工件的兩邊定義3點(diǎn)，然后利用電火花機(jī)床中得數(shù)控系統(tǒng)算出其中一點(diǎn)到另外兩點(diǎn)所確定直線上的垂直距離。

    分析圖3可以得到此種手動(dòng)測(cè)試法的精確度為可信度95％下的±2．6μm，并且-0．01μm偏離實(shí)際寬度。
3．2 自動(dòng)測(cè)量法
3．2．1 光學(xué)測(cè)量?jī)x
    Optical Gaging Products(OGP)是一款基于光學(xué)原理的非接觸式高精度自動(dòng)測(cè)量設(shè)備。使用此儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)可以調(diào)試如光強(qiáng)，放大倍數(shù)等參數(shù)，因此為了確定最佳測(cè)量狀態(tài)，設(shè)計(jì)了以下一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
    10 mm寬標(biāo)準(zhǔn)工件再次被使用，下面分別是4組僅使用背景光照明情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)：1)最小放大率；2)最大放大率僅對(duì)焦一邊；3)最大放大率下對(duì)焦另一邊；4)最大放大率下對(duì)焦兩邊。最后結(jié)果可從表格2中讀出。

    由上述結(jié)果可得，最高放大率下多次對(duì)焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好，95％可信度下的精確度可達(dá)±0．52μm。
3．2．2 CCD實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)
    使用同樣的10 mm寬標(biāo)準(zhǔn)工件，測(cè)量時(shí)在工件邊沿用兩點(diǎn)定義一個(gè)范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)測(cè)量出該范圍的中心位置，重復(fù)同樣步驟在工件另一邊上確定另外兩點(diǎn)，最后點(diǎn)擊“calculate”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出兩邊間的距離?？偨Y(jié)系統(tǒng)最后測(cè)量結(jié)果如表3所示，在95％信任度上的精確度為±0．7μm。

3．3 所有實(shí)驗(yàn)總和
    通過對(duì)比其他非接觸式手動(dòng)或自動(dòng)式微細(xì)測(cè)量?jī)x器，按照表4將所有儀器精確度進(jìn)行分析和總結(jié)。全自動(dòng)式檢測(cè)儀器在手動(dòng)式儀器的基礎(chǔ)上將精確度至少縮小到四分之一，同時(shí)單次執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間也縮短到僅0．1分鐘左右。CCD傳感器系統(tǒng)的精度與OGP非常接近，執(zhí)行單次測(cè)量的時(shí)間也幾乎相同。可以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)檢測(cè)儀器精度的需求。

4 結(jié)論
    通過上述一系列分析和對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)克服了實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及精度上的瓶頸。同時(shí)這種監(jiān)測(cè)加工質(zhì)量的方式不用接觸被測(cè)工件，避免了對(duì)工件表面造成磨損，同時(shí)也加快了檢測(cè)速度。此外，電蝕后可直接在操作臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量，提高了加工效率。通過測(cè)量圓直徑實(shí)驗(yàn)可得，此系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)測(cè)量下精確度可穩(wěn)定在±1μm。通過與其他測(cè)量?jī)x器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)這種CCD傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度可達(dá)±0．70μm，準(zhǔn)確度上也達(dá)到了小于1μm水平，滿足了細(xì)微加工中對(duì)檢測(cè)儀器精度的需求。
    CCD傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)不僅具有很好的研究?jī)r(jià)值，還有著廣闊的市場(chǎng)。隨著技術(shù)不斷改進(jìn)，細(xì)微加工業(yè)對(duì)加工精度和效率的要求也越來越高，這一系統(tǒng)填補(bǔ)了市場(chǎng)空缺，提高了電火花加工機(jī)床的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。