CN109773290B - 微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统及方法，其中，对准系统包括：微细工具电极、绝缘液体、导电微球、导电液体和电接触反馈系统，其中，微细工具电极作为涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体和导电微球的载体；绝缘液体用于微细工具电极粘附导电微球并实现自动对准中心；导电微球用于实现接触绝缘材料工件时上移，导通导电液体和微细工具电极产生电接触信号；导电液体连接电源一极，并与导电微球、微细工具电极产生电接触信号；电接触反馈系统用于检测到电接触信号时记录接触点当前位置，并发出Z轴停止进给运动指令。该对准系统可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，简单易实现。

Description

微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统及方法

技术领域

本发明涉及微细特种加工技术领域，特别涉及一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统及方法。

背景技术

SACE(Spark Assisted Chemical Engraving，放电辅助化学加工)可对玻璃、石英、陶瓷等多种绝缘材料进行加工。蚀除机理是在工具电极(阴极)上电解产生氢气泡形成气膜，作为绝缘介质隔离工具电极与电解液，当绝缘介质氢气膜的两端电压超过临界电压时被击穿产生放电现象，放电的高温高压效应下的物理和化学作用在工件材料实现蚀除。在放电辅助化学加工中，工具电极与工件之间加工间隙大小对加工稳定性、蚀除效率具有显著影响。为实现放电辅助化学加工的高效率连续加工，维持工具电极与工件之间合理的加工间隙是必要的。这需要在加工前能够准确地确定工具电极与绝缘材料工件之间的相对位置，即要实现工具电极与绝缘材料工件表面之间的对准过程。

对于导电材料工件可以直接采用电接触实现工具电极与工件之间的对准过程，精度高且方便快捷。其基本原理：工具电极作为电极的一极和导电工件作为电极的另一极，将这两极分别接电源正负极；工具电极在数控软件控制下按照预定速度、路线进给，当工具电极与工件接触的瞬间产生短路电信号，计算机检测到这个信号即时记录工具电极的当前位置，并停止工具电极的运动，之后将工具电极定位到电接触瞬间的位置，即实现了工具电极与工件表面之间的准确对准过程。

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，无法直接应用现有的电接触法实现工具电极与工件表面之间的对准。现有的绝缘材料工件表面对准方法主要有：(1)CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)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之间的相对间隙距离，实现对准过程。这种方法不仅操作较为繁琐，而且受图像分辨率限制和CCD视角误差等原因，造成对准误差较大。(2)微力传感器辅助对准方法：利用工具电极与工件之间接触力作为传感信号，实现对准过程。此方法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粗糙度、工具电极和工件之间的接触刚度较为敏感。(3)基于超声波测量间隙法：通过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之间的相对距离，实现对准过程。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。

特别是对于微细工具电极(比如，500μm)，目前尚缺一种低成本、高精度快捷地实现工件电极与工件表面对准方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，该系统可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

本发明的另一个目的在于提出一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，包括：微细工具电极、绝缘液体、导电微球、导电液体、电接触反馈系统，其中，所述微细工具电极作为涂覆或蘸上第一预设容积的所述绝缘液体和所述导电微球的载体；所述绝缘液体用于所述微细工具电极粘附所述导电微球并实现自动对准中心；所述导电微球用于实现接触绝缘材料工件时上移，导通所述导电液体和所述微细工具电极产生电接触信号；所述导电液体连接电源一极，并与所述导电微球、所述微细工具电极产生电接触信号；所述电接触反馈系统用于检测到所述电接触信号时记录接触点当前位置，并发出Z轴停止进给运动指令，其中，所述Z轴为所述微细工具电极轴向方向。

本发明实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，液体吸附导电微球时可实现与工具电极自动对中，借助标准导电微球自身精确的圆度精度和电接触原理可实现高精度对准过程，可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

另外，根据本发明上述实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微细工具电极端部为平面，且平行于所述绝缘材料工件表面。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在绝缘材料工件表面涂覆第二预设容积的导电液体层厚小于所述导电微球半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在吸附导电微球后，在所述导电微球与所述微细工具电极底面平面之间间隙内充满第一预设容积的所述绝缘液体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电接触信号为短路信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接触点当前位置为所述微细工具电极的轴向当前位置。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，执行上述实施例的对准系统，其中，所述方法包括以下步骤：在微细工具电极端部涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体；在绝缘材料工件表面涂覆一层第二预设容积的导电液体；利用所述微细工具电极端部绝缘液体吸附一个导电微球；将所述微细工具电极和所述导电液体分别接电接触反馈系统的电源；利用Z轴控制向下进给所述微细工具电极接近所述绝缘材料工件表面，当所述导电微球接触所述绝缘材料工件表面后继续进给所述微细工具电极，直到所述导电微球同时与所述绝缘材料工件、所述微细工具电极端面接触，导通所述导电液体与所述微细工具电极构成电接触反馈回路产生电接触信号，其中，所述Z轴为所述微细工具电极轴向方向；在所述电接触反馈系统检测到所述电接触信号时，记录接触点当前位置，并停止所述微细工具电极的运动；利用Z轴将所述微细工具电极运动定位到记录的所述接触点当前位置，再向下进给导电标准微球的直径距离，以实现所述微细工具电极与所述绝缘工件表面的对准。

本发明实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，液体吸附导电微球时可实现与工具电极自动对中，借助标准导电微球自身精确的圆度精度和电接触原理可实现高精度对准过程，可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

另外，根据本发明上述实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在吸附导电微球后，在所述导电微球与所述微细工具电极底面平面之间间隙内充满第一预设容积的所述绝缘液体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电接触信号为短路信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接触点当前位置为所述微细工具电极的轴向当前位置。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准流程示意图；

图3为根据本发明一个具体实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准原理示意图；

图4为根据本发明一个实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统。

图1是本发明一个实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统的结构示意图。

如图1所示，该微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统100包括：微细工具电极110、绝缘液体120、导电微球130、导电液体140和电接触反馈系统150。

其中，微细工具电极100作为涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体120和导电微球130的载体。绝缘液体120用于微细工具电极110粘附导电微球130并实现自动对准中心。导电微球130用于实现接触绝缘材料工件时上移，导通导电液体140和微细工具电极110产生电接触信号。导电液体140连接电源一极，并与导电微球130、微细工具电极110产生电接触信号。电接触反馈系统150用于检测到电接触信号时记录接触点当前位置，并发出Z轴停止进给运动指令，其中，Z轴为微细工具电极110轴向方向。本发明实施例的对准系统100可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

需要说明的是，第一预设容积的绝缘液体可以为微量绝缘液体，当然，本领域技术人员可以根据实际情况设置第一预设容积的具体容积，在此不做具体限定，本发明实施例以微量绝缘液体为例。导电微球可以为导电标准微球，当然，本领域技术人员也可以根据实际的使用需求选择，本发明实施例以导电标准微球为例。其中，在本发明的一个实施例中，电接触信号为短路信号；接触点当前位置为微细工具电极的轴向当前位置。

可以理解的是，本发明实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统100主要组成包括：(1)微细工具电极110：作为涂覆或蘸上微量绝缘液体和导电微球的载体；(2)绝缘液体120：用于微细工具电极110粘附导电微球130并实现自动对准中心；(3)导电微球130：实现接触绝缘材料工件时上移，导通导电液体140和微细工具电极110产生短路信号；(4)导电液体140：连接电源一极，与导电微球130、微细工具电极110产生短路信号；(5)电接触反馈系统150：检测到短路信号时记录接触点当前位置，并发出Z轴停止进给运动指令。

下面将对微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统100进行进一步说明。

进一步地，在本发明的一个实施例中，微细工具电极110端部为平面，且平行于绝缘材料工件表面。其中，在绝缘材料工件表面涂覆第二预设容积的导电液体层厚小于导电微球半径。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况设置第二预设容积的具体容积，在此不做具体限定。可以理解的是，微细工具电极110端部为平面且平行于工件表面，涂覆或蘸上的微量绝缘液体120的液体量为能克服微球重力且能吸附导电微球130。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在吸附导电微球130后，在导电微球130与微细工具电极110底面平面之间间隙内充满第一预设容积的绝缘液体120。

可以理解的是，并且吸附导电微球130后，在导电微球130与微细工具电极110底面平面之间涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体120，从而在导电微球130与微细工具电极110底面平面之间保证被一定量绝缘液体120隔离。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在绝缘材料工件表面涂覆第二预设容积的导电液体140层厚小于导电微球130半径。

也就是说，绝缘材料工件表面涂覆导电液体层厚小于导电微球130半径。

下面将结合附图2对微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准流程进行进一步阐述。

如图2所示，对准流程具体包括：

(1)微细工具电极110端部粘附或蘸上微量绝缘液体120，微量绝缘液体120的液体量为能克服微球重力且能吸附导电微球130；并且吸附导电微球130后，在导电微球130与微细工具电极110底面平面之间保证被一定量绝缘液体120隔离。

(2)在绝缘材料工件表面涂覆一薄层导电液体140，导电液体层厚小于导电微球130半径。

(3)利用微细工具电极110端部绝缘液体120吸附一个标准直径的导电微球130。

(4)将微细工具电极110和导电液体140分别接电接触反馈系统150电源。

(5)利用Z轴控制向下进给微细工具电极110接近绝缘材料工件表面，当导电微球130接触工件表面后继续进给微细工具电极110，直到导电微球130同时与工件表面、微细工具电极110端面接触，导通导电液体140与微细工具电极110构成电接触反馈回路产生电接触信号，电接触反馈系统150检测到这个信号，即时记录微细工具电极110的轴向当前位置，并停止微细工具电极110的运动。

(6)利用Z轴将微细工具电极110运动定位到记录的位置，再向下进给导电标准微球的直径距离，即可实现微细工具电极110与绝缘工件表面的对准。

进一步而言，微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准原理如图3所示，通过液体的毛细力吸附特性和导电微球130的导电作用产生电接触信号，电接触反馈系统150接收到电接触短路信号，并瞬间记录当前微细工具电极110的电极位置，通过计算可获得此接触点Z轴位置。微细工具电极110向下进给距离导电微球130直径距离，即可实现微细工具电极110与绝缘材料工件表面的对准。

综上，本发明实施例的对准系统100主要包括：微细工具电极110、绝缘液体120、导电微球130、导电液体140、电接触反馈系统150。利用放电辅助化学加工用金属微细工具电极110端部蘸上一滴绝缘液体120；通过微细工具电极110端部绝缘液体吸附一个导电微球130；控制端部带有导电微球130的微细工具电极110向下运动接近带有一层导电液体140的绝缘材料工件表面，直到导电微球130下端与绝缘材料工件表面接触、导电微球130上端与微细工具电极110接触时停止，构成电接触反馈回路产生电接触信号，并同时通过电接触反馈系统150记录此时微细工具电极110轴向位置；根据记录的微细工具电极110轴向位置、导电微球130直径计算得到微细工具电极110相对于绝缘材料工件表面的位置，从而实现微细工具电极110端部与绝缘材料工件表面对准。

根据本发明实施例提出的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，液体吸附导电微球时可实现与工具电极自动对中，借助标准导电微球自身精确的圆度精度和电接触原理可实现高精度对准过程，可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法。

图4是本发明一个实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法的流程图。

如图4所示，该微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，执行上述实施例的对准系统，其中，方法包括以下步骤：

在步骤S401中，在微细工具电极端部涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体。

在步骤S402中，在绝缘材料工件表面涂覆一层第二预设容积的导电液体。

在步骤S403中，利用微细工具电极端部绝缘液体吸附一个导电微球。

在步骤S404中，将微细工具电极和导电液体分别接电接触反馈系统的电源。

在步骤S405中，利用Z轴控制向下进给微细工具电极接近绝缘材料工件表面，当导电微球接触绝缘材料工件表面后继续进给微细工具电极，直到导电微球同时与绝缘材料工件、微细工具电极端面接触，导通导电液体与微细工具电极构成电接触反馈回路产生电接触信号，其中，Z轴为微细工具电极轴向方向。

在步骤S406中，在电接触反馈系统检测到电接触信号时，记录接触点当前位置，并停止微细工具电极的运动。

在步骤S407中，利用Z轴将微细工具电极运动定位到记录的接触点当前位置，再向下进给导电标准微球的直径距离，以实现微细工具电极与绝缘工件表面的对准。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在吸附导电微球后，在导电微球与微细工具电极底面平面之间间隙内充满第一预设容积的绝缘液体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，电接触信号为短路信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，接触点当前位置为微细工具电极的轴向当前位置。

需要说明的是，前述对微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统实施例的解释说明也适用于该实施例的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，液体吸附导电微球时可实现与工具电极自动对中，借助标准导电微球自身精确的圆度精度和电接触原理可实现高精度对准过程，可实现非平整非导电表面高度的精确测量，而且测量系统成本较低，且易于集成到放电辅助化学加工系统，操作过程简便易行，对准效率较高。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，包括：微细工具电极、绝缘液体、导电微球、导电液体和电接触反馈系统，其中，

所述微细工具电极作为涂覆或蘸上第一预设容积的所述绝缘液体和所述导电微球的载体；

所述绝缘液体用于所述微细工具电极粘附所述导电微球并实现自动对准中心；

所述导电微球用于实现接触绝缘材料工件时上移，导通所述导电液体和所述微细工具电极产生电接触信号；

所述导电液体连接电源一极，并与所述导电微球、所述微细工具电极产生电接触信号；以及

所述电接触反馈系统用于检测到所述电接触信号时记录接触点当前位置，并发出Z轴停止进给运动指令，其中，所述Z轴为所述微细工具电极轴向方向。

2.根据权利要求1所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，所述微细工具电极端部为平面，且平行于所述绝缘材料工件表面。

3.根据权利要求1所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，在绝缘材料工件表面涂覆第二预设容积的导电液体层厚小于所述导电微球半径。

4.根据权利要求1所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，在吸附导电微球后，在所述导电微球与所述微细工具电极底面平面之间间隙内充满第一预设容积的所述绝缘液体。

5.根据权利要求1所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，所述电接触信号为短路信号。

6.根据权利要求1所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准系统，其特征在于，所述接触点当前位置为所述微细工具电极的轴向当前位置。

7.一种微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，其特征在于，执行如权利要求1-6任一项所述的对准系统，其中，所述方法包括以下步骤：

在微细工具电极端部涂覆或蘸上第一预设容积的绝缘液体；

在绝缘材料工件表面涂覆一层第二预设容积的导电液体；

利用所述微细工具电极端部绝缘液体吸附一个导电微球；

将所述微细工具电极和所述导电液体分别接电接触反馈系统的电源；

利用Z轴控制向下进给所述微细工具电极接近所述绝缘材料工件表面，当所述导电微球接触所述绝缘材料工件表面后继续进给所述微细工具电极，直到所述导电微球同时与所述绝缘材料工件、所述微细工具电极端面接触，导通所述导电液体与所述微细工具电极构成电接触反馈回路产生电接触信号，其中，所述Z轴为所述微细工具电极轴向方向；

在所述电接触反馈系统检测到所述电接触信号时，记录接触点当前位置，并停止所述微细工具电极的运动；以及

利用Z轴将所述微细工具电极运动定位到记录的所述接触点当前位置，再向下进给导电标准微球的直径距离，以实现所述微细工具电极与所述绝缘工件表面的对准。

8.根据权利要求7所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，其特征在于，在吸附导电微球后，在所述导电微球与所述微细工具电极底面平面之间间隙内充满第一预设容积的所述绝缘液体。

9.根据权利要求7所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，其特征在于，所述电接触信号为短路信号。

10.根据权利要求7所述的微球电接触反馈的绝缘材料工件表面对准方法，其特征在于，所述接触点当前位置为所述微细工具电极的轴向当前位置。

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