专利名称：超声加工异形工具方位检测与控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于特种加工技术领域，尤其涉及超声加工异形工具方位检测与控制系统。
背景技术：
随着科学技术和工业生产的飞速发展，以陶瓷、硬质合金、钕铁硼、硅、锗、铁氧体、氧化锆、微晶玻璃、淬火钢、镀铬层等为代表的硬脆材料呈出不穷，应用领域越来越广泛。传统加工方法一直存在着加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工质量差、许多设计要求无法实现等重大问题，长期困挠和影响着工厂的生产。工厂迫切地需要解决硬脆材料的高效精密加工难题。
例如，随着空间科学技术的不断发展，为了满足航空航天器、天文观测对观测分辨力和成像质量越来越高的要求，需要采用更长焦距、更大口径的光学系统，而口径增大是光学仪器体积增大和重量增加的主要因素，系统的惯量也随之增加，给整个系统的工作带来了极为不利的影响。由于光学系统是空间遥感的重要有效载荷，其质量的大小直接决定了发射成本和工作性能的高低，因此必须在保证动、静态刚度和强度的前提下对空间光学系统结构进行最大程度的轻量化。其中硅镜的轻量化是整个系统轻量化最基本最重要的环节。
硅镜外径尺寸通常在Φ150～Φ2000mm之间，厚度为8～100mm，硅镜毛坯呈实心圆板状。为了降低硅镜重量，需要在硅镜上制造出大量异形盲孔，且筋越薄越好。硅镜形状各异、大小不一。例如，某种硅镜外径Φ300mm、厚25mm。为了降低硅镜重量和谐振频率，需要在硅镜一侧加工几十个异形盲孔，其深度均为20mm，可去除70.1％的重量。硅镜具有耐强光、轻质、电气性能好、机械性能优良等特点。要求加工精度高、光洁度好，加强筋无裂纹、不破碎，壁厚均为1.5mm，且一致性要好。
单晶硅具有优良的机械、物理性质，其机械品质因数可高达106数量级，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。
硅材料的质量轻，密度约为不锈钢的1/3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍，它具有高的强度密度比和高的刚度密度比。单晶硅的机械物理性能见表1。
表1 单晶硅的机械物理性能 单晶硅作为硅镜、超大规模集成电路主要基片材料，现代高技术产业领域对单晶硅等材料的加工精度和表面质量要求愈来愈高。单晶硅抛光片的正面要求无划道、无蚀坑、无区域沾污、无崩边、无裂缝、无凹坑、无沟、无小丘、无刀痕等。按美国微电子技术协会(SIA)提出的技术要求，要求在25×40mm2区域内的表面平整度小于0.07μm，表面粗糙度要求达到纳米级，表面不能产生损伤和应力集中。单晶硅的加工效率、表面划痕损伤和破裂已经成为生产加工中的突出问题，多达20～50％的单晶硅在抛光过程中需要进行适量返修，其主要原因是当表面粗糙度和波纹度达到纳米量级时，任何一个微小硬质颗粒都可能对单晶硅工件表面造成损伤，从而导致大量工件的返修甚至报废。
单晶硅是一种典型的硬脆材料。硅镜需要在其端面加工直线三角形、方孔、椭圆孔、曲线三角形等异形盲孔，并要求实现单晶硅异形盲孔无损伤、无崩边、无裂缝、无凹坑、超平滑的超精密加工。
对硬脆材料异形盲孔进行超声加工时，必须使用和加工零件异形盲孔形状、尺寸完全一致的异形工具，并连续加注水和磨料的均匀混合物进行冲击成型加工。异形盲孔形状各异、方位分布不一致。由于被加工零件异形盲孔方位分布不一致、超声加工过程中工具磨损更换后的初始方位与被加工对象异形盲孔的设计方位不一致，必须要实时、精确检测与调整异形工具的方位，保证异形工具的方位和被加工对象的方位是完全一致和重合的。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种超声加工异形工具方位检测和控制系统。
计算机分别与数码摄像机、步进电机、电磁换向阀相接，步进电机与异形盲孔超声加工装置相接，电磁换向阀与气缸相接。
所述的异形盲孔超声加工装置具有相连接的压电换能器、第二螺钉、变幅杆、第四螺钉、超声加工异形工具，变幅杆通过自身节点处的法兰盘、第三螺钉与压电换能器罩相接。压电换能器罩上端通过联接板、第一螺钉与步进电机相接。数码摄像机安装在气缸输出轴上。
本实用新型的优点1)异形工具方位实现自动检测与控制，避免了人工调整异形工具方位；2)异形工具方位调整效率比人工调整效率提高20倍以上；3)异形工具方位调整准确。
图1是超声加工异形工具方位检测与控制系统框图；图2是硬脆材料超声加工装置与异形工具方位检测装置示意图；图3是本实用新型计算机控制软件流程图；图中步进电机1、联接板2、第一螺钉3、压电换能器罩4、压电换能器5、第二螺钉6、变幅杆7、第三螺钉8、第四螺钉9、超声加工异形工具10、数码摄像机11、气缸12。
具体实施方式
本实用新型通过计算机检测和控制系统来改变异形工具方位，使异形工具方位与设计图纸异形盲孔完全一致和重合，保证超声加工后的异形盲孔符合设计要求。
如图1、2所示，异形盲孔超声加工装置具有相连接的压电换能器5、第二螺钉6、变幅杆7、第四螺钉9、超声加工异形工具10，变幅杆7通过自身节点处的法兰盘、第三螺钉8与压电换能器罩4相接。压电换能器罩4上端通过联接板2、第一螺钉3与步进电机1相接。数码摄像机11安装在气缸12输出轴上。
异形工具方位检测与控制系统应在超声加工前完成工作。图2右侧安装一个气缸，气缸输出轴端部安装一架数码摄像机。数码摄相机的左右运动通过电磁换向阀控制气缸实现。超声加工开始之前，计算机控制电磁换向阀和气缸推动数码摄相机左移，位于异形工具正下方，拍摄异形工具现有方位图像。通过计算机处理，计算出异形工具现有方位角。然后与事先存储在计算机中的被加工零件图纸设计方位角进行比较，计算出异形盲孔与工具方位角之差θ0，通过控制系统控制伺服电机转动异形盲孔与工具方位角之差θ0。步进电机转动一个角度后，计算机软件进行计算和比较，判断是否达到设计要求。若达到设计要求，则检测与控制系统停止工作，计算机控制系统发出指令，使电磁换向阀换向，推动气缸右移至原位，数码摄相机退出加工位置，超声加工装置开始工作，对硬脆材料异形盲孔进行超声加工。若达不到设计要求，则重复上述过程，再进行检测与控制。
如图3所示，计算机控制软件流程如下超声加工前，计算机控制电磁换向阀，推动气缸输出轴左移带动数码摄相机至异形工具正下方，拍摄异形工具方位图像，传输到计算机中，计算异形盲孔与工具方位角之差θ0。
进入异形工具方位角θi递增子程序后，先设定一个方位角递增步长，比较θ0、θi。若θ0≥θi，则返回方位角θi递增子程序，继续递增一个方位角步长，比较θ0、θi。若θ0＜θi，则开始判断是否满足|θ0-θi|＜δ，其中δ是事先设定的一个误差值。
若满足|θ0-θi|＜δ，则继续执行下面的程序，开始发出指令，使电磁换向阀动作，推动气缸和数码摄相机右移至原位。超声加工装置开始工作，对硬脆材料异形盲孔进行超声加工。
若不满足|θ0-θi|＜δ，则减小方位角递增步长，降低方位角调节幅度，继续执行方位角递增子程序，判断是否满足θ0＞θi。如果满足θ0＞θi，则返回方位角递增子程序；如果不满足θ0＞θi，则继续执行下面的程序，开始发出指令，使电磁换向阀动作，推动气缸和数码摄相机右移至原位。超声加工装置开始工作，对硬脆材料异形盲孔进行超声加工。
权利要求1.一种超声加工异形工具方位检测与控制系统，其特征在于计算机分别与数码摄像机、步进电机、电磁换向阀相接，步进电机与异形盲孔超声加工装置相接，电磁换向阀与气缸相接。
2.根据权利要求1所述的一种超声加工异形工具方位检测与控制系统，其特征在于所述的异形盲孔超声加工装置具有相连接的压电换能器(5)、第二螺钉(6)、变幅杆(7)、第四螺钉(9)、超声加工异形工具(10)，变幅杆(7)通过自身节点处的法兰盘、第三螺钉(8)与压电换能器罩(4)相接。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声加工异形工具方位检测与控制系统，其特征在于所述的压电换能器罩(4)上端通过联接板(2)、第一螺钉(3)与步进电机(1)相接。
4.根据权利要求1所述的一种超声加工异形工具方位检测与控制系统，其特征在于所述的数码摄像机(11)安装在气缸(12)输出轴上。
专利摘要本实用新型公开了一种超声加工异形工具方位检测和控制系统。计算机分别与数码摄像机、步进电机、电磁换向阀相接，步进电机与异形盲孔超声加工装置相接，电磁换向阀与气缸相接。所述的异形盲孔超声加工装置具有相连接的压电换能器、第二螺钉、变幅杆、第四螺钉、超声加工异形工具，变幅杆通过自身节点处的法兰盘、第三螺钉与压电换能器罩相接。压电换能器罩上端通过联接板、第一螺钉与步进电机相接。数码摄像机安装在气缸输出轴上。本实用新型的优点1)异形工具方位实现自动检测与控制，避免了人工调整异形工具方位；2)异形工具方位调整效率比人工调整效率提高20倍以上；3)异形工具方位调整准确。
文档编号B24B1/04GK2875699SQ20062010235
公开日2007年3月7日 申请日期2006年4月4日 优先权日2006年4月4日
发明者张云电, 张宇, 胡皇印 申请人:杭州电子科技大学