CN103394973A - 数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法，装置包括高速数字摄像机、散斑处理的工件、刀具、成像镜头、冷光源、由三角架、导轨和平移台组成的支座系统以及用于数字采集和处理的计算机；其测量方法有四大步骤，关键点是将加工之前的工件进行数字图像（散斑）化处理，即将工件表面喷涂成白色，然后在白色背景上随机喷涂黑色斑点，构成散斑图。本发明可以测量高速正交切削过程中任意时刻工件变形前后的数字图像，根据此图像可以计算出工件的变形。该方法适用于高速正交车削任何工件，可以实现非接触测量、实时测量、全场测量等，而且测量精度比传统测量方法高，测试的精度最高可达0.01～0.0005像素。

Description

数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法

技术领域

本发明涉及一种数字图像相关法应变测量的方法，具体的说是数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法。

背景技术

目前，继CNC技术之后，高速切削加工给机械制造业带来了又一次革命性的变化。其巨大的吸引力在于实现高效加工的同时，达到了原来普通数控难以达到的加工精度和表面质量。但是，与传统金属切削不同，在高速切削过程中，包含更为复杂的热、力、机械及其耦合现象，如切削过程中工件剧烈的塑性变形，刀具和工件的瞬态接触，切屑和工件的分离等。特别是切削过程中的工件变形，对整个切削加工过程的影响非常显著。不仅影响工件的加工质量，比如表面粗糙度、表面残余应力和尺寸精度，而且会影响刀具的使用寿命。因此，研究高速切削中工件的变形，对提高高速切削加工的加工精度、保证加工质量、提高生产效率都有现实的意义。然而，由于金属切削变形的行成原因错综复杂，影响因素纷繁交错，导致其研究与监测非常困难，现有的研究方法多集中于有限元仿真以及使用一些传统的变形或位移测量阻抗式传感器（比如引伸计和线性位移传感器LVDT等），难以实现整体变形和测量范围内各点在任一时刻具体位移的全面测量，具有很多的局限性。高速切削时，应变率能到10⁵以上，传统的测量方法很难达到。

国内许多学者对数字图像方法的基础理论方面有了较深的研究，如清华大学金观昌教授等，但尚未进行系统研究后的产品开发。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法，该方法是一种光学测量方法，通过对变形前后采集的工件表面两幅图像进行处理，通过计算来实现对物体变形场（位移场）的测量。它弥补了当前变形测量方法的不足，可以实现非接触测量、全场测量、实时测量等，且测量准确度高，操作简单便利。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置，包括第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机上分别相对设有第一成像镜头和第二成像镜头，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机之间设有正对工件的冷光源，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于由三角架、导轨和平台组成的支座系统上，且第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机通过数据线与计算机相连。

所述支座系统的导轨安装于平台侧面上，平台安装于三角架上，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于导轨上。

所述两个高速数字摄像机的轴线之间的角度是25°。

所述冷光源为150W。

一种利用数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置的测量方法，采用数字图像相关方法，结合双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机，实时采集正交切削中工件的各个变形阶段的数字散斑图像，然后用计算机处理系统计算出工件的应变和变形，具体实施步骤如下：

1）采用正交车削实验前将工件表面涂成白色，然后在白色背景上喷涂黑色斑点，做好点阵的标记，作为后续处理的散斑图，为了保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为2～3像素，散斑图像尺寸为1024×1024像素；

2）在测量现场，构建由两台高速数字摄像机组成的三维数字成像采集设备，设备的位置相对固定，到目标工件的距离为350mm，并在现场放置一冷光源；打开冷光源，用标定板将高速数字摄像机标定，标定结果是0.0353mm/pixel，视场是128mm×96mm；

3）在数控车床上对前述处理的工件做高速正交切削，用两台高速数字摄像机从侧面实时对加工表面进行摄像监测，采集工件表面变形前后的散斑图，视频采集的帧频为1～50000fps；

4）车削加工停止，图像采集完毕，将数据发送至计算机，通过用计算机处理系统处理所获得的图像和数字数据。

经试验验证，应变测量范围为0.01%～1000%。

所述步骤4）中，用高速数字摄像机采集工件变形前后的两幅数字散斑图并存入计算机，将两幅相应的散斑图相加得到一幅双曝光的散斑图，然后对它进行两次傅里叶变换，在第二次傅里叶变换的输出面上就得到一个主峰和两个次峰，对峰值坐标检测就能够得到变形量。

本发明的有益效果是：

采用数字图像相关方法对高速切削中的变形进行测量，可以克服传统的阻抗式测量系统的缺陷，实现整体变形和测量范围内各点在任一时刻具体位移的全面测量。具体表面在以下方面：

（1）非接触测量：不需要应变计及繁复线路，不需要为获得完整结果而做精准设置，样品没有机械力交互作用，可在几分钟内准备完成，也不会受到夹片、应变规及化学涂布的影响。

（2）实时测量：可以测量工件变形过程中任意时刻的变形量或位移量。

（3）测量到的数据准确度高，不需要长时间等待分析，操作简单便利。针对振动物体、高速物体及微小物体的变形可以配备分析模块，以完成测量任务。

（4）该方法适用于高速正交车削任何工件，可以实现非接触测量、实时测量、全场测量等，而且测量精度比传统测量方法高，测试的精度最高可达0.01～0.0005像素。

附图说明

图1是工件经数字散斑喷涂后的效果示意图；

图2是数字图像相关法测量正交切削变形系统的示意图；

图中符号说明如下：1第一高速数字摄像机；2第二高速数字摄像机；3第一成像镜头；4第二成像镜头；5冷光源；6.支座系统；7计算机；8工件；9刀具，10.切屑，图1中的黑色斑点代表喷涂之后的散斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法，其特点是利用数字图像相关法对工件进行变形测量。利用三维数字图像相关方法计算试件表面的三维形貌以及不同状态下试件表面的三维变形场。

其中，工件在加工前要进行预处理，即喷涂散斑图像，处理后的示意图如图1所示。首先将工件表面喷涂上白色衬底，然后在上面喷涂黑色斑点，构成随机的散斑图。

本发明的测量系统如图2所示。整个测量系统包括第一高速数字摄像机1，第二高速数字摄像机2，第一成像镜头3，第二成像镜头4，冷光源5，由三角架、导轨和平台组成的支座系6，计算机7，工件8和刀具9组成。第一高速数字摄像机1和第二高速数字摄像机2上分别相对设有第一成像镜头3和第二成像镜头4，第一高速数字摄像机1和第二高速数字摄像机2之间设有正对工件8的冷光源5，第一高速数字摄像机1、第二高速数字摄像机2和冷光源5均安装于由三角架、导轨和平台组成的支座系统6上，且第一高速数字摄像机1和第二高速数字摄像机2通过数据线与计算机7相连。

支座系统6的导轨安装于平台侧面上，平台安装于三角架上，第一高速数字摄像机1、第二高速数字摄像机2和冷光源5均安装于导轨上。

其中，两个高速数字摄像机的安装之间的角度是25°，摄像机镜头到工件之间的距离为350mm，冷光源功率150W。

测量时，用高速数字摄像机采集工件变形前后的两幅数字散斑图并存入计算机，将两幅相应的散斑图相加得到一幅双曝光的散斑图，然后对它进行两次傅里叶变换，在第二次傅里叶变换的输出面上就得到一个主峰和两个次峰，对峰值坐标进行检测就可以得到变形量。

实施例

参照图1，在高速车床上进行干切削，用数字图像法测量工件的变形。首先是在工件8上制作散斑图；然后将工件8在机床上进行装夹，安装测试装备并对其进行调整，打开光源，进行摄像机标定，视场128mm×96mm。随后布置其它设备，保证被测工件在整个测量过程中都不超出视场。

准备工作完成后，进行车削加工，车床的主轴转速为2000转/分，切削深度2mm，进给量是0.2mm/转。刀具9车削工件8产生切屑10。在加工时，同时开启相机进行图像采集，用两台高速数字摄像机随时监控喷涂散斑图的工件表面，摄像机为1280×960pixel的工业CCD摄像机MVVD078SM。

图像采集完毕之后，用处理系统对图像数据进行处理，根据工件表面随机分布的散斑场在变形前后的相关性来确定物体的变形，具体的说：将物体变形前的图像的一小块图像定义为样本子区，变形后的图像与样本子区相对应的那一小块图像定义为目标子区，找出目标子区和样本子区之间的一一对应关系，就可以提取工件的变形量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置，其特征是，包括第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机上分别相对设有第一成像镜头和第二成像镜头，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机之间设有正对工件的冷光源，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于由三角架、导轨和平台组成的支座系统上，且第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机通过数据线与计算机相连。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述支座系统的导轨安装于平台侧面上，平台安装于三角架上，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于导轨上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述两个高速数字摄像机的轴线之间的角度是25°。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述冷光源为150W。

5.一种利用权利要求1-4中任一项所述装置的测量方法，其特征是，采用数字图像相关方法，结合双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机，实时采集正交切削中工件的各个变形阶段的数字散斑图像，然后用计算机处理系统计算出工件的应变和变形，具体实施步骤如下：

1）采用正交车削实验前将工件表面涂成白色，然后在白色背景上喷涂黑色斑点，做好点阵的标记，作为后续处理的散斑图，为了保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为2～3像素，散斑图像尺寸为1024×1024像素；

2）在测量现场，构建由两台高速数字摄像机组成的三维数字成像采集设备，设备的位置相对固定，到目标工件的距离为350mm，并在现场放置一冷光源；打开冷光源，用标定板将高速数字摄像机标定，标定结果是0.0353mm/pixel，视场是128mm×96mm；

3）在数控车床上对前述处理的工件做高速正交切削，用两台高速数字摄像机从侧面实时对加工表面进行摄像监测，采集工件表面变形前后的散斑图，视频采集的帧频为1～50000fps；

4）车削加工停止，图像采集完毕，将数据发送至计算机，通过用计算机处理系统处理所获得的图像和数字数据。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是，应变测量范围为0.01%～1000%。

7.如权利要求5所述的方法，其特征是，所述步骤4）中，用高速数字摄像机采集工件变形前后的两幅数字散斑图并存入计算机，将两幅相应的散斑图相加得到一幅双曝光的散斑图，然后对它进行两次傅里叶变换，在第二次傅里叶变换的输出面上就得到一个主峰和两个次峰，对峰值坐标检测就能够得到变形量。

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