一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统技术方案

一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，涉及高精度机械设备中的刀具较准部件的设备领域。包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器；刀具一开始可以轻轻触碰到倏逝波界面，然后按给定步长，例如：100nm，沿倏逝波界面的法线方向逐渐远离倏逝波界面，因为倏逝波沿界面法线方向呈指数式衰减，所以，刀具在脱离与界面接触后，与倏逝波作用产生的光强也会随着与界面距离的增加呈指数式衰减，因此，将刀具移动的距离和与倏逝波作用产生的光强进行拟合，可以得到刀具正好脱离与界面接触的位置，从而实现纳米级的精度校准。

A Non-contact High Precision Tool Setting System Based on Optical Evanescent Wave

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统
本专利技术涉及高精度机械设备中的刀具较准部件的设备领域，具体为一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统。
技术介绍
机械设备中的对刀系统作为设备加工刀具的校准部件，对提高一次性工件加工合格率，增加设备有效工作时间，降低工件的废品率和返工率，起到了非常重要的作用，对刀系统按接触类型可分为：接触式和非接触式两种。对于接触式的对刀系统，刀具与对刀系统相应部件的接触会不可避免地在各自接触部位处产生高一定的弹性形变，从而造成测量误差，使得接触式的对刀系统很难对设备的加工刀具做到高精度的校准，另外，刀具与对刀系统的直接接触也容易划伤刀具本身或者对刀系统。因此，相比较而言，非接触式的对刀系统具有更高的吸引力，尤其在对刀校准有非常高要求的精密和超精密机械设备中。然而，现有的非接触式对刀系统由于无法形成精确的宽域接触界面，所以也很难做到对刀具高精度的校准。例如，在利用纤细的准直光束对刀具进行非接触式校准时，为符合准直条件，激光光束的直径会在毫米范围之内，因此无法满足高精度机械设备中微米级的刀具较准要求。同样吹气式的非接触式对刀系统也存在类似的问题，无法形成精确的接触界面，而高倍率的显微镜因视场范围的限制，很难用来较准接触点无法确定的刀具。基于光学表面倏逝波（evanescentwave），可以提供一种非接触式高精度对刀系统，并有效解决上述问题。光波从高折射率介质向低折射率介质传播时，依据折射定律（Snell′slaw），穿过界面后的折射角会大于射向界面的入射角。当入射角的正弦值大于低折射率与高折射率的比值时，入射光波在界面处发生全反射，即没有光线能够通过界面折射到低折射率介质中去。同时，依据电磁学原理，光波的电场和磁场在界面处应保持连续。所以，在全反射的情况下，虽然光线无法从高折射率介质传播到低折射率介质中，但光线在界面上的电磁场可以以指数衰减的方式延伸到低折射率的介质中，在界面的低折射率介质侧形成光学表面倏逝波。因为表面倏逝波的电磁场场强沿界面的法线方向是指数衰减的，所以只会在离界面数个波长范围内有显著的场强。例如，假设入射光为波长为500nm的可见光，高折射率介质为玻璃，低折射率介质为空气，全反射的光波可在玻璃/空气界面的空气侧形成单个微米左右的电磁场层。当设备的刀具进入倏逝波的电磁场层后，结合一定的测量手段，则可探知刀具与倏逝波电磁场之间的相互作用，因此可在非接触的条件下做到对刀具高精度的校准。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，能够实现对机械设备的刀具进行高精度的较准。实现上述目的的技术方案是：一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的加工刀具进行高精度地校准，其特征在于：包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，倏逝波生成模块用于产生光学倏逝波；刀具垂直朝向倏逝波生成模块产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；信号探测模块用于接收探测刀具与光学倏逝波相互作用产生的发射光波、并将探测到的发射光波的光强信息传送至计算机；计算机用于根据探测到的发射光波的光强信息，来判断刀具是否已进入到光学倏逝波的电磁场层中，实现刀具与倏逝波界面之间的校准。进一步地，信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器，所述刀具与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出的发射光波被物镜收集后、依次经凸透镜、带通滤波器成像在信号探测器上，带通滤波器用于滤除除发射光波的信号波段以外其它波长的光波，信号探测器与计算机连接。进一步地，信号探测器采用相机或光电二极管。进一步地，所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法线方向垂直。进一步地，所述信号探测模块的光轴与倏逝波生成模块产生的倏逝波界面的法向方向平行，信号探测模块设在倏逝波生成模块的高折射率介质的下方、并且信号探测模块的物镜垂直朝向倏逝波生成模块的高折射率介质的下平面。进一步地，所述刀具通过刀刃上的微纳结构与倏逝波的电磁场相互作用散射出发射光波。进一步地，刀具表面喷涂可被入射波长激发的荧光分子或荧光量子点，在喷涂有荧光分子或荧光量子点的刀具进入倏逝波电磁场层后，刀具表面的荧光分子或荧光量子点会被倏逝波的电磁场激发，产生荧光作为发射光波。进一步地，喷涂荧光分子或荧光量子点的方法是：将浓度nM的荧光分子或荧光量子点溶液喷洒在刀具表面，待溶液挥发后，即在刀具表面上覆盖了一些荧光分子或荧光量子点。本专利技术的有益效果：本专利技术对光源的波长和高折射率介质中没有特殊要求，只要满足光源的波长有可透射的介质即可。因此，在实际使用中，本专利技术可根据不同设备对刀具较准的具体要求，选择相对应的光源波长和高折射率介质。例如500nm的光源与玻璃可以实现1-2微米的校准要求；10um的光源与氟化钙晶体可以实现20微米左右的校准要求，另外，高折射率介质如果使用金刚石或钢玉等超硬材料，可使本专利技术不易被刀具划伤，因此可以更好地应对严苛的加工环境。本专利技术虽然只有在刀具进入倏逝波电磁场后才会产生信号，但是可以将数个不同波长的倏逝波生成模块的平行光束，通过45°角单边滤镜或利用高折射率介质的多个不同侧面，在高折射率介质的界面上形成多个不同层次的倏逝波电磁场，然后再通过滤镜将信号拆分过滤后导入相应波长各自的信号探测模块，分析得到刀具相对于倏逝波界面的校准情况，长波长的倏逝波电磁场可以用来对刀具的粗校准，然后随着刀具更加逼近界面，进入短波长的电磁场后，完成对刀具的高精度校准。本专利技术中如果使用金刚石或钢玉这类不易被刀具划伤的材料作为高折射率介质，刀具一开始可以轻轻触碰到倏逝波界面，然后按给定步长，例如：100nm，沿倏逝波界面的法线方向逐渐远离倏逝波界面，因为倏逝波沿界面法线方向呈指数式衰减，所以，刀具在脱离与界面接触后，与倏逝波作用产生的光强也会随着与界面距离的增加呈指数式衰减，因此，将刀具移动的距离和与倏逝波作用产生的光强进行拟合，可以得到刀具正好脱离与界面接触的位置，从而实现纳米级的精度校准。附图说明图1为第一实施例的结构示意图；图2为第一实施例中的倏逝波生成模块的第一构型结构图；图3为第一实施例中的倏逝波生成模块的第二构型结构图；图4为第一实施例中的倏逝波生成模块的第三构型结构图；图5为第一实施例中的采用单侧斜面长条形棱镜块的倏逝波生成模块的结构示意图；图6为第一实施例中的信号探测模块的结构示意图；图7为第二实施例的第一构型的结构示意图；图8为第二实施例的第二构型的结构示意图；图9为第二实施例的第三构型的结构示意图。具体实施方式第一实施例如图1所示，本专利技术公开了一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的刀具4进行高精度地校准，包括倏逝波生成模块1、信号探测模块2以及计算机3，计算机3与信号探测模块2连接。本实施例中的倏逝波生成模块是现有公知技术，主要有三种不同构型，分别为：1）如图2所示，第一构型的倏逝波生成模块1包括第一光源1.1、第一偏振调节器1.2，第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、第二凸透镜1.5以及三角形棱镜1.6，第一光源1.1发出的光线被偏振调节器1.2调整为P型偏振状态后，穿过第一凸透镜1.3、第一针孔1.4、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的加工刀具进行高精度地校准，其特征在于：包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，倏逝波生成模块用于产生光学倏逝波；刀具垂直朝向倏逝波生成模块产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；信号探测模块用于接收探测刀具与光学倏逝波相互作用产生的发射光波、并将探测到的发射光波的光强信息传送至计算机；计算机用于根据探测到的发射光波的光强信息，来判断刀具是否已进入到光学倏逝波的电磁场层中，实现刀具与倏逝波界面之间的校准。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，用于对机械设备中的加工刀具进行高精度地校准，其特征在于：包括倏逝波生成模块、信号探测模块以及计算机，倏逝波生成模块用于产生光学倏逝波；刀具垂直朝向倏逝波生成模块产生的光学倏逝波、并在进入倏逝波的电磁场层后，与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出发射光波；信号探测模块用于接收探测刀具与光学倏逝波相互作用产生的发射光波、并将探测到的发射光波的光强信息传送至计算机；计算机用于根据探测到的发射光波的光强信息，来判断刀具是否已进入到光学倏逝波的电磁场层中，实现刀具与倏逝波界面之间的校准。2.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：信号探测模块包括依次设置的物镜、凸透镜、带通滤波器以及信号探测器，所述刀具与光学倏逝波的电磁场相互作用激发出的发射光波被物镜收集后、依次经凸透镜、带通滤波器成像在信号探测器上，带通滤波器用于滤除除发射光波的信号波段以外其它波长的光波，信号探测器与计算机连接。3.根据权利要求2所述的一种基于光学倏逝波的非接触式高精度对刀系统，其特征在于：信号探测器采用相机或光电二极管。4.根据权利要求1所述的一种基于光学倏逝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，
申请(专利权)人：王勇，
类型：发明
国别省市：江苏,32