專利名稱：超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于特種加工技術領域，尤其涉及超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著科學技術和工業(yè)生產的飛速發(fā)展，以陶瓷、硬質合金、釹鐵硼、硅、鍺、鐵氧體、氧化鋯、微晶玻璃、淬火鋼、鍍鉻層等為代表的硬脆材料呈出不窮，應用領域越來越廣泛。傳統(tǒng)加工方法一直存在著加工效率低、工件易破碎、能耗大、加工質量差、許多設計要求無法實現(xiàn)等重大問題，長期困撓和影響著工廠的生產。工廠迫切地需要解決硬脆材料的高效精密加工難題。
例如，隨著空間科學技術的不斷發(fā)展，為了滿足航空航天器、天文觀測對觀測分辨力和成像質量越來越高的要求，需要采用更長焦距、更大口徑的光學系統(tǒng)，而口徑增大是光學儀器體積增大和重量增加的主要因素，系統(tǒng)的慣量也隨之增加，給整個系統(tǒng)的工作帶來了極為不利的影響。由于光學系統(tǒng)是空間遙感的重要有效載荷，其質量的大小直接決定了發(fā)射成本和工作性能的高低，因此必須在保證動、靜態(tài)剛度和強度的前提下對空間光學系統(tǒng)結構進行最大程度的輕量化。其中硅鏡的輕量化是整個系統(tǒng)輕量化最基本最重要的環(huán)節(jié)。
硅鏡外徑尺寸通常在Φ150～Φ2000mm之間，厚度為8～100mm，硅鏡毛坯呈實心圓板狀。為了降低硅鏡重量，需要在硅鏡上制造出大量異形盲孔，且筋越薄越好。硅鏡形狀各異、大小不一。例如，某種硅鏡外徑Φ300mm、厚25mm。為了降低硅鏡重量和諧振頻率，需要在硅鏡一側加工幾十個異形盲孔，其深度均為20mm，可去除70.1％的重量。硅鏡具有耐強光、輕質、電氣性能好、機械性能優(yōu)良等特點。要求加工精度高、光潔度好，加強筋無裂紋、不破碎，壁厚均為1.5mm，且一致性要好。
單晶硅具有優(yōu)良的機械、物理性質，其機械品質因數可高達106數量級，滯后和蠕變極小，幾乎為零，機械穩(wěn)定性好。
硅材料的質量輕，密度約為不銹鋼的1/3，而彎曲強度卻為不銹鋼的3.5倍，它具有高的強度密度比和高的剛度密度比。單晶硅的機械物理性能見表1。
表1 單晶硅的機械物理性能 單晶硅作為硅鏡、超大規(guī)模集成電路主要基片材料，現(xiàn)代高技術產業(yè)領域對單晶硅等材料的加工精度和表面質量要求愈來愈高。單晶硅拋光片的正面要求無劃道、無蝕坑、無區(qū)域沾污、無崩邊、無裂縫、無凹坑、無溝、無小丘、無刀痕等。按美國微電子技術協(xié)會(SIA)提出的技術要求，要求在25×40mm2區(qū)域內的表面平整度小于0.07μm，表面粗糙度要求達到納米級，表面不能產生損傷和應力集中。單晶硅的加工效率、表面劃痕損傷和破裂已經成為生產加工中的突出問題，多達20～50％的單晶硅在拋光過程中需要進行適量返修，其主要原因是當表面粗糙度和波紋度達到納米量級時，任何一個微小硬質顆粒都可能對單晶硅工件表面造成損傷，從而導致大量工件的返修甚至報廢。
單晶硅是一種典型的硬脆材料。硅鏡需要在其端面加工直線三角形、方孔、橢圓孔、曲線三角形等異形盲孔，并要求實現(xiàn)單晶硅異形盲孔無損傷、無崩邊、無裂縫、無凹坑、超平滑的超精密加工。
對硬脆材料異形盲孔進行超聲加工時，必須使用和加工零件異形盲孔形狀、尺寸完全一致的異形工具，并連續(xù)加注水和磨料的均勻混合物進行沖擊成型加工。異形盲孔形狀各異、方位分布不一致。由于被加工零件異形盲孔方位分布不一致、超聲加工過程中工具磨損更換后的初始方位與被加工對象異形盲孔的設計方位不一致，必須要實時、精確檢測與調整異形工具的方位，保證異形工具的方位和被加工對象的方位是完全一致和重合的。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是提出一種超聲加工異形工具方位檢測和控制系統(tǒng)。
計算機分別與數碼攝像機、步進電機、電磁換向閥相接，步進電機與異形盲孔超聲加工裝置相接，電磁換向閥與氣缸相接。
所述的異形盲孔超聲加工裝置具有相連接的壓電換能器、第二螺釘、變幅桿、第四螺釘、超聲加工異形工具，變幅桿通過自身節(jié)點處的法蘭盤、第三螺釘與壓電換能器罩相接。壓電換能器罩上端通過聯(lián)接板、第一螺釘與步進電機相接。數碼攝像機安裝在氣缸輸出軸上。
本實用新型的優(yōu)點1)異形工具方位實現(xiàn)自動檢測與控制，避免了人工調整異形工具方位；2)異形工具方位調整效率比人工調整效率提高20倍以上；3)異形工具方位調整準確。


圖1是超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)框圖；圖2是硬脆材料超聲加工裝置與異形工具方位檢測裝置示意圖；圖3是本實用新型計算機控制軟件流程圖；圖中步進電機1、聯(lián)接板2、第一螺釘3、壓電換能器罩4、壓電換能器5、第二螺釘6、變幅桿7、第三螺釘8、第四螺釘9、超聲加工異形工具10、數碼攝像機11、氣缸12。
具體實施方式
本實用新型通過計算機檢測和控制系統(tǒng)來改變異形工具方位，使異形工具方位與設計圖紙異形盲孔完全一致和重合，保證超聲加工后的異形盲孔符合設計要求。
如圖1、2所示，異形盲孔超聲加工裝置具有相連接的壓電換能器5、第二螺釘6、變幅桿7、第四螺釘9、超聲加工異形工具10，變幅桿7通過自身節(jié)點處的法蘭盤、第三螺釘8與壓電換能器罩4相接。壓電換能器罩4上端通過聯(lián)接板2、第一螺釘3與步進電機1相接。數碼攝像機11安裝在氣缸12輸出軸上。
異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)應在超聲加工前完成工作。圖2右側安裝一個氣缸，氣缸輸出軸端部安裝一架數碼攝像機。數碼攝相機的左右運動通過電磁換向閥控制氣缸實現(xiàn)。超聲加工開始之前，計算機控制電磁換向閥和氣缸推動數碼攝相機左移，位于異形工具正下方，拍攝異形工具現(xiàn)有方位圖像。通過計算機處理，計算出異形工具現(xiàn)有方位角。然后與事先存儲在計算機中的被加工零件圖紙設計方位角進行比較，計算出異形盲孔與工具方位角之差θ0，通過控制系統(tǒng)控制伺服電機轉動異形盲孔與工具方位角之差θ0。步進電機轉動一個角度后，計算機軟件進行計算和比較，判斷是否達到設計要求。若達到設計要求，則檢測與控制系統(tǒng)停止工作，計算機控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使電磁換向閥換向，推動氣缸右移至原位，數碼攝相機退出加工位置，超聲加工裝置開始工作，對硬脆材料異形盲孔進行超聲加工。若達不到設計要求，則重復上述過程，再進行檢測與控制。
如圖3所示，計算機控制軟件流程如下超聲加工前，計算機控制電磁換向閥，推動氣缸輸出軸左移帶動數碼攝相機至異形工具正下方，拍攝異形工具方位圖像，傳輸到計算機中，計算異形盲孔與工具方位角之差θ0。
進入異形工具方位角θi遞增子程序后，先設定一個方位角遞增步長，比較θ0、θi。若θ0≥θi，則返回方位角θi遞增子程序，繼續(xù)遞增一個方位角步長，比較θ0、θi。若θ0＜θi，則開始判斷是否滿足|θ0-θi|＜δ，其中δ是事先設定的一個誤差值。
若滿足|θ0-θi|＜δ，則繼續(xù)執(zhí)行下面的程序，開始發(fā)出指令，使電磁換向閥動作，推動氣缸和數碼攝相機右移至原位。超聲加工裝置開始工作，對硬脆材料異形盲孔進行超聲加工。
若不滿足|θ0-θi|＜δ，則減小方位角遞增步長，降低方位角調節(jié)幅度，繼續(xù)執(zhí)行方位角遞增子程序，判斷是否滿足θ0＞θi。如果滿足θ0＞θi，則返回方位角遞增子程序；如果不滿足θ0＞θi，則繼續(xù)執(zhí)行下面的程序，開始發(fā)出指令，使電磁換向閥動作，推動氣缸和數碼攝相機右移至原位。超聲加工裝置開始工作，對硬脆材料異形盲孔進行超聲加工。
權利要求1.一種超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)，其特征在于計算機分別與數碼攝像機、步進電機、電磁換向閥相接，步進電機與異形盲孔超聲加工裝置相接，電磁換向閥與氣缸相接。
2.根據權利要求1所述的一種超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)，其特征在于所述的異形盲孔超聲加工裝置具有相連接的壓電換能器(5)、第二螺釘(6)、變幅桿(7)、第四螺釘(9)、超聲加工異形工具(10)，變幅桿(7)通過自身節(jié)點處的法蘭盤、第三螺釘(8)與壓電換能器罩(4)相接。
3.根據權利要求1或2所述的一種超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)，其特征在于所述的壓電換能器罩(4)上端通過聯(lián)接板(2)、第一螺釘(3)與步進電機(1)相接。
4.根據權利要求1所述的一種超聲加工異形工具方位檢測與控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數碼攝像機(11)安裝在氣缸(12)輸出軸上。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲加工異形工具方位檢測和控制系統(tǒng)。計算機分別與數碼攝像機、步進電機、電磁換向閥相接，步進電機與異形盲孔超聲加工裝置相接，電磁換向閥與氣缸相接。所述的異形盲孔超聲加工裝置具有相連接的壓電換能器、第二螺釘、變幅桿、第四螺釘、超聲加工異形工具，變幅桿通過自身節(jié)點處的法蘭盤、第三螺釘與壓電換能器罩相接。壓電換能器罩上端通過聯(lián)接板、第一螺釘與步進電機相接。數碼攝像機安裝在氣缸輸出軸上。本實用新型的優(yōu)點1)異形工具方位實現(xiàn)自動檢測與控制，避免了人工調整異形工具方位；2)異形工具方位調整效率比人工調整效率提高20倍以上；3)異形工具方位調整準確。
文檔編號B24B1/04GK2875699SQ20062010235
公開日2007年3月7日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權日2006年4月4日
發(fā)明者張云電, 張宇, 胡皇印 申請人:杭州電子科技大學