CCD傳感器實時檢測技術(shù)在微細電火花加工機床上應用的優(yōu)勢

摘要：CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)是一套基于光電檢測技術(shù)的質(zhì)量監(jiān)測儀器，可用于實時觀測和測量被加工工件，特別適合安裝應用于微細電火花加工機床。此系統(tǒng)利用CCD(Charge-Couple Device)傳感器對工件進行非接觸式測量，提高了微細電火花加工機床的工作效率和質(zhì)量。此文對這一系統(tǒng)進行討論，分析了其特點和優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：CCD傳感器；細微電火花加工機床；實時傳感

    目前，精密加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于各個領(lǐng)域，如微米量級的機械零器件，微機電系統(tǒng)，生物醫(yī)藥器械，以及光電設備。與此同時，先進的檢測技術(shù)也是精密加工過程中重要的一個環(huán)節(jié)。為了控制被加工工件的精度，提高工作效率，通常微細電火花機床在加工完后會用電極絲觸碰法進行檢測采集數(shù)據(jù)，但這種方法會影響工件表面質(zhì)量，僅適用于對加工表面粗糙度要求不高的情況。為了避免在測量過程中磨損工件表面，一般會使用非接觸式檢測設備，這就需要將工件取下后挪送到其他設備上采集所需數(shù)據(jù)，延長了加工時間。因此，為了提高監(jiān)測效率，優(yōu)化檢測設備，一套可被安裝在電火花機床上，利用CCD傳感器進行非接觸式快速測量的系統(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；測量性能穩(wěn)定，精確度高。

1 CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)
    CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)是一款基于光學檢測原理的系統(tǒng)，不光可以用于在線觀測被加工工件表面情況，還能用來測量工件的精度，特別適用于電火花加工機床。此系統(tǒng)的獨特之處還在于加工完工件后，能馬上進行測量。這種檢測方式克服了微米量級工件可視范圍小檢測難度大的問題。圖1中被安裝在線切割電火花加工機床上的即為此系統(tǒng)。圖1(a)為瑞士阿奇夏米爾公司的AgieCharmilles CUT 1000。圖1(b)中1號框內(nèi)是CCD傳感器，也是整個檢測系統(tǒng)中重要的組成部分之一。當電蝕過程結(jié)束并且電解質(zhì)(如去離子水和油)被清理干凈后，這一設備將會自動尋找到被測對象位置并移動到此對象的上方。然后為了尋找到在Z軸上合適的位置，一個名為“Autofocus”的程序?qū)蛔詣舆\行以用來調(diào)整此成像器件與工件表面的最佳距離。測量過程中成像器件將會通過拍照的方式將工件表面情況傳送給負責數(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)。

    這個系統(tǒng)的兩大主要功能為：觀察，檢測。觀察被測工件表面主要依靠光學原理將待測部分放大后進行探測對比，也正因為如此工件表面情況能夠在短時間內(nèi)被收集，即通過操作面板上的顯示屏直接得到。而檢測功能則需要運用空間計量學的知識，來自動或手動分析計算出諸如間距，半徑或輪廓掃描等信息。

2 CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)重復測量的穩(wěn)定性
    為了檢驗CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)重復測量的穩(wěn)定性，標準工件上3個小孔的直徑在同樣條件下被重復測試33 900次，總共438小時。同時，由于機械探頭接觸掃描式檢測儀器Leitz PMM866被廣泛用在測量工件質(zhì)量的過程中，能滿足大多數(shù)客戶對精度的需求，所以，這種儀器的測量結(jié)果將被當做參照值。
    表1分析總結(jié)收集的所有結(jié)果分別得到3個圓孔平均直徑和標準偏差，以及機械探頭接觸式儀器Leitz PMM866測量對比值。

    從表格1中可得所有圓孔半徑的標準偏差都在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，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)重復測量結(jié)果精度都穩(wěn)定在±1μm以內(nèi)，滿足細微電火花機床對工件檢驗精度的需求。

3 與其他細微精加工中常用測量機器的對比
    在微米精加工過程中不同的檢測機器被使用，為了與這些常用機械進行對比，設計了一系列的實驗來對比它們的精度。
3．1 手動式測量方法
3．1．1 投影儀
    這一類測量機器利用光學衍射原理在被測工件背面投射背景光，并使用高倍放大鏡頭進行接收放大后投射在觀測屏上。由于此種測量方式受人為影響較大，為了確定人為因素對最后結(jié)果精確度影響的程度，我們設計了如下實驗：一個寬10 mm的標準工件被用作待測工件，在投影儀的觀測屏上可以看到一個XY方向的基準線，測量過程中我們需要用人眼判斷出Y軸方向上基準線和工件邊緣的最佳吻合處。當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，然后轉(zhuǎn)動放著工件的托盤沿著X軸移動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。此時可從儀器上讀取兩點間的距離，即為此標準工件兩邊緣間的間距。同樣的實驗被獨立重復50次。

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

    分析圖3可以得到此種手動測試法的精確度為可信度95％下的±2．6μm，并且-0．01μm偏離實際寬度。
3．2 自動測量法
3．2．1 光學測量儀
    Optical Gaging Products(OGP)是一款基于光學原理的非接觸式高精度自動測量設備。使用此儀器進行測量時可以調(diào)試如光強，放大倍數(shù)等參數(shù)，因此為了確定最佳測量狀態(tài)，設計了以下一系列對比實驗。
    10 mm寬標準工件再次被使用，下面分別是4組僅使用背景光照明情況下的對比實驗：1)最小放大率；2)最大放大率僅對焦一邊；3)最大放大率下對焦另一邊；4)最大放大率下對焦兩邊。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焦實驗結(jié)果最好，95％可信度下的精確度可達±0．52μm。
3．2．2 CCD實時檢測系統(tǒng)
    使用同樣的10 mm寬標準工件，測量時在工件邊沿用兩點定義一個范圍，系統(tǒng)會自動測量出該范圍的中心位置，重復同樣步驟在工件另一邊上確定另外兩點，最后點擊“calculate”系統(tǒng)會自動計算出兩邊間的距離?？偨Y(jié)系統(tǒng)最后測量結(jié)果如表3所示，在95％信任度上的精確度為±0．7μm。

3．3 所有實驗總和
    通過對比其他非接觸式手動或自動式微細測量儀器，按照表4將所有儀器精確度進行分析和總結(jié)。全自動式檢測儀器在手動式儀器的基礎(chǔ)上將精確度至少縮小到四分之一，同時單次執(zhí)行任務的時間也縮短到僅0．1分鐘左右。CCD傳感器系統(tǒng)的精度與OGP非常接近，執(zhí)行單次測量的時間也幾乎相同?？梢詽M足實際應用中對檢測儀器精度的需求。

4 結(jié)論
    通過上述一系列分析和對比，可發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)克服了實時檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性以及精度上的瓶頸。同時這種監(jiān)測加工質(zhì)量的方式不用接觸被測工件，避免了對工件表面造成磨損，同時也加快了檢測速度。此外，電蝕后可直接在操作臺上進行測量，提高了加工效率。通過測量圓直徑實驗可得，此系統(tǒng)長時間重復測量下精確度可穩(wěn)定在±1μm。通過與其他測量儀器的對比實驗，可發(fā)現(xiàn)這種CCD傳感器檢測系統(tǒng)的檢測精度可達±0．70μm，準確度上也達到了小于1μm水平，滿足了細微加工中對檢測儀器精度的需求。
    CCD傳感器實時檢測系統(tǒng)不僅具有很好的研究價值，還有著廣闊的市場。隨著技術(shù)不斷改進，細微加工業(yè)對加工精度和效率的要求也越來越高，這一系統(tǒng)填補了市場空缺，提高了電火花加工機床的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。