微孔几何特征参量测量系统研究
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【摘 要】为了解决电火花加工微孔过程中电极磨损问题，提出了一种将接触式和非接触式传感器集成到坐标测量机上测量微孔几何参量的理论和方法，可对喷墨打印机喷嘴、生物医学仪器孔、冷却燃气涡轮机喷嘴和柴油机喷油器喷孔等微孔进行实时测量。介绍了系统的组成和测量原理，讨论了测量步骤。分析了微孔的圆柱度、直径、圆度、直线度和锥度五个几何特征参量，研究了量具的重复性和再现性，以此来评价测量系统的性能，测量结果对于电火花加工微孔过程中的质量控制具有决定性的作用。
【关键词】微孔 几何参量
一、引言
微孔和直径小于0.5mm的小孔广泛应用在喷墨打印机喷嘴、生物医学仪器、冷却燃气涡轮机喷嘴和柴油机喷油器喷嘴上，高速公路上卡车柴油机喷油器上的微孔直径通常介于150μm到200μm之间，深1mm。这些微孔可以通过电火花加工、电解加工、激光打孔或者传统的打孔方式加工而成。由于孔的尺寸小和高的深宽比，传统的坐标测量机和光学显微镜对于微孔几何参量的测量几乎是不可行的。通常测量这种微孔的方法是切出一个孔截面来测量，或是用塑料模具做一个喷孔的复制品。两种方法都只能提供关于喷孔形状和尺寸的有限信息，并且具有破坏性。
通常柴油机喷油器上的微孔是利用电火花加工技术实现的，由于加工过程中陶瓷电极丝的磨损会导致不能加工成理想的负锥形孔，这就需要在加工的不同阶段调整过程参数来控制孔的形状。过程参数的确定需要通过获得微孔的形体特征来实现，本文提出了一种将接触式光纤传感器和非接触式光学图像传感器集成到坐标测量机上研究微孔几何参量的理论和方法，构成具有实际应用价值的光电检测系统，其具有高速度、高精度、适于在线检测等特点。
二、系统的组成和测量原理
该检测系统主要由光源单元、CCD图像传感器单元、光纤传感器单元、坐标测量机系统和计算机图像处理系统组成。
光纤探针顶端是一个直径74μm的小球，该小球连接一个直径25μm、长1.5mm的玻璃纤维柄，连接这个玻璃纤维柄的是一个长20mm的锥形玻璃柄，它的直径从25μm逐渐增加到200μm。该探针在坐标测量机的控制下在X、Y、Z轴方向上移动并微触微孔内壁，由CCD图像传感器捕获探针和微孔位置关系图像，利用图像处理软件产生一个矩形框来圈上球的弧形区，以此来找到球的中心位置和半径。
在相同的Z点，探针与孔内壁上每隔30度的12个位置接触，依次记做P1、P2、……、P12，这些点可以通过坐标测量机确定，即可以确定这12点所确定的圆的中心O。
三、测量的步骤
在Z轴方向上取12个截面，每个截面上取12个接触点。在测量阶段1，Z轴方向上相邻的截面间距为30μm；在测量阶段2，相邻的截面间距为130μm；在测量阶段3，毗连的截面间距为50μm。这样每个孔测量144个点，通过分析测量点来确定微孔的形体特征，即圆柱度、直径、圆度、锥度和直线度五个特征参数。
对于测量系统的重复性和可靠性研究，实验和数据分析遵循测量系统分析参考指南给出的标准程序。对于重复性的研究，在喷头固定不动的前提下，设置好微孔的参考位置之后，进行4次重复性测量。对于再现性的研究，设置两个测量组，选取3个微孔，在相同的程序下分别进行4次测量，总共重复两次。因此，在这个研究中总共测量了3456个接触点。
四、实验结果
取直径0.20mm、深0.9mm的三个柴油机喷油嘴喷孔做测试，这些孔是用直径167μm的钨电极丝钻削而成的，电极丝和工件的平均间隙大约是15μm。三个微孔的五个特征参数分析如下：
（一）圆柱度：大约是圆柱尺寸的10%。
（二）直径：最大直径在孔深0.35mm处，位于孔的中间附近，最小直径在孔的0.85mm深处，此处孔直径较小可能是由于电极丝末端的圆化和尖化造成的，可在第3阶段利用大的间隙电压增大孔的内径尺寸。在电极入口处，孔的直径也是小的，这可能是由于在第1阶段间隙电压比较低的缘故。
（三）圆度：在第1阶段，圆度很小，大约2.0μm到3.5μm之间。在第2阶段，圆度大约维持在4.5μm左右。在第3阶段，圆度变化非常大，在4.0μm和8. 5μm之间。这样大的圆度测量变化由三个因素决定：1.钻到孔末端时电极的不均匀磨损；2.由于在第3阶段大间隙电压造成表面粗糙；3.在孔内部测量的不确定度大。
（四）直线度：直线度范围从7μm到14μm，3点比其他3点的直线度大。在微孔加工过程中，点3位于底部，由于重力作用产生碎屑堆积和去离子水的滴下，很可能是点3直线度不好的原因。
（五）锥度：尽管点3的直线度很高，但锥度T34始终低于T12，锥度也低于直线度。
五、结论
本文所提出的检测系统可在电火花加工微孔过程中应用，对于加工过程中的质量控制和提高装配效率具有重要的现实意义。系统所采取的原理和方法提高了微孔形体测量的自动化程度，能够适应现代化工业需要，具备一定的通用性和功能扩展能力，具有应用和推广价值。
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