CN105675138A - 红外透射光学材料机械加工温度场可视化测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置及方法，利用可响应红外透射材料应用波长的红外探测器和立式加工方法方便地实现红外材料被加工区域二维温度场的在线实时精确可视化测量。适用于红外透射光学材料的平面、球面、非球面和异形曲面的铣削、磨削、钻削、研磨和抛光等机械加工的温度检测。加工时将红外透射材料固定在测温工装的侧面，测温工装固定在机床工作台上，然后利用驱动轴驱动加工工具转动，对红外透射材料工件进行加工；工件表面温度升高，辐射出的红外线由红外探测窗口射出，进入固定在测温工装后面的红外线探测采集系统，并进行信号处理分析，最终输出工件与加工工具接触的被加工区二维温度场分布数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度场的可视化测量装置及方法，实现机械加工红外透射光学材料时，工件与加工工具接触的被加工区域二维温度场的在线实时精确可视化测量。
背景技术
红外线是指波长介于0.78μm～1000μm之间的电磁波，红外线平均透射率达到50％以上的材料称为红外透射材料。红外透射材料主要应用于红外探测器和飞行器的窗口、头罩和整流罩，是广泛应用于民用和军事的光学材料。
不同的红外透射材料对应不同的应用波长范围。目前，在近红外和中红外波段(0.78μm～6μm)应用的红外透射材料有锗盐玻璃、人工多晶锗、氟化镁(MgF2)、红外石英玻璃、人工蓝宝石和氮酸铝等。可透过远红外波段(6～15μm)红外线的材料有：硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化镧钙(CaLa2S4)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)和锗(Ge)等。
红外透射光学材料多属于脆性大的难加工贵重材料，且光学元件常采用球面、非球面甚至异形曲面。在生产中一般采用先铣磨成型再研磨、抛光的加工方法。在加工过程中，工件材料被去除时加工工具(如铣刀、砂轮、钻头、研磨和抛光工具等)与工件表面的摩擦以及形成切屑时材料的变形会导致工件表面被加工区域温度升高。工件加工温度是影响工件加工质量和加工工具性能的一个重要参数。工件表面适当的温度升高有助于材料软化降低加工难度，而过高的温度将导致工件烧伤和加工工具失效，都会造成工件表面质量恶化。因此精确测量红外透射光学材料加工温度是指导实际生产过程和进行加工机理研究的关键技术。
传统的加工温度测量方法有热电偶法和红外法。热电偶法是将电偶丝埋装或夹装在工件表面被加工区域以下1mm左右处，采集加工过程中电偶顶端两级之间的热电势，然后通过放大电路将采集信号放大，再利用热电势与温度之间的关系进行计算，最终实现工件加工温度测量的目的。红外法是通过红外探测器采集工件被加工过程中发射的红外线功率，然后利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律(一种表示物体发射的红外线功率与物体温度数学关系的计算公式)计算出工件加工温度。
以上两种加工温度检测方法存在着如下不足：对于热电偶测温法，热电偶的埋装或夹装不可避免要对工件进行破坏，只能用于试验而不适用于实际生产。由于电偶埋装点距离工件被加工区域尚有一段距离，所以测量到的温度比工件实际加工温度低。而且对于导热性差的非金属红外透射光学材料，工件表面以下温度梯度大，无法有效探测到热电偶埋装点的热电势，无法实现加工温度的测量。对于红外测温法，由于加工区的红外信号被工件和工具所遮挡，红外探测器无法直接接收工件被加工区域发出的红外信号，也无法有效测量工件加工温度。有方法使用红外透射光纤将被加工区域红外线导出，然后利用红外探测器接收红外光纤透射的红外信号。这种方法只能测量加工工具与工件作用点的表面温度，并不能测量工件与加工工具接触被加工区域的温度。而且需要成本高昂制作困难的红外光纤，测量装置复杂，只能测量光纤装夹点处的温度，无法实现工件与加工工具接触被加工区域温度场的二维可视化测量。
发明内容
本发明的目的是为解决现有加工温度检测技术无法方便和精确地进行红外透射光学材料被加工区域的温度场可视化测量的问题，提出了一种应用可响应红外透射材料应用波长的红外探测器和立式加工方法的新加工温度检测技术，可以方便地实现红外透射材料加工过程中工件与加工工具接触区域二维温度场的在线实时精确可视化测量。可以用于红外透射光学材料的平面、球面、非球面甚至异形曲面的铣削、磨削、钻削、研磨和抛光加工温度检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，包括机床工作台、测温工装和红外线探测采集系统，所述的机床工作台上设有一个悬空的测温工装，在所述的测温工装上设有红外线探测窗口，在红外线探测窗口的一侧设有与其相对的且放置在测温工装上的待测工件，在红外线探测窗口相对的另一侧安装与红外线探测窗口相对应的红外线探测采集系统，同时在待测工件的上方设有对其进行加工的加工工具。
进一步的，所述的红外线探测采集系统，其包括一个红外探测头，所述的红外探测头与放大器相连，所述的放大器与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与输出显示装置相连。
进一步的，所述的加工工具在驱动轴的驱动下转动，实现对红外透射材料工件的加工。
进一步的，所述的红外线探测窗口从测温工装的一侧一直贯穿到测温工装的另一侧，且窗口为通孔，可使红外线全部透过。
进一步的，所述的加工工具为铣刀、砂轮、钻头、研磨或抛光工具。
进一步的，加工时将红外透射材料工件固定在测温工装的侧面，测温工装固定在机床工作台上。然后利用驱动轴驱动加工工具转动，对红外透射材料工件进行加工。工件表面温度升高，辐射出的红外线由红外探测窗口射出，进入固定在测温工装后面的红外线探测采集系统，每一点辐射出的能量由单一映射关系被红外探测系统接收，将每一点的温度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算出来，即可得到被加工区域表面温度场的二维分布，再通过显示输出终端可视化表达，实现工件与加工工具接触的被加工区域二维温度场的在线实时可视化测量。
上述装置的测量方法如下：
加工过程中，切屑变形和加工工具摩擦使工件被加工区域温度升高，辐射出的红外线可以透过被加工的红外透射材料工件，直接被固定在测温工装后面的红外线探测头接收，然后信号经过放大处理；每一点辐射出的红外线功率由单一映射关系被红外探测系统接收，信号处理装置根据红外探测系统接收的红外线功率与工件表面温度的关系式，计算出工件被加工区域表面每一点温度，将每一点的温度进行叠加，进而得到被加工区域表面温度场的二维分布，再通过显示输出终端可视化表达，即可实现工件与加工工具接触被加工区域二维温度场的在线实时可视化测量。
进一步的，所述的工件辐射出的红外线功率Pb(T)与工件表面温度T之间存在如下数学关系(斯蒂芬-玻尔兹曼定律)：
Pb(T)＝σεT4
式中，σ是斯特藩常数；ε是红外透射材料的单色黑度，对于固定的红外透射材料ε是一个介于0和1之间固定的常数，可以通过实验进行标定；
由上式即可根据红外探测系统接收到的红外线功率计算出工件与加工工具接触被加工区域温度。
本发明的有益效果如下:
工件加工温度是影响工件加工质量和加工工具性能的一个重要参数。精确测量工件加工温度既有利于推进红外透射光学材料机械加工机理研究，又有利于避免该类材料实际加工生产中的热损伤，提高产品的表面质量和成品率。目前任何一种加工温度场测量方法都无法实现工件与加工工具接触被加工区域二维温度场的可视化测量。红外透射材料可以透射被加工区辐射出的红外线，红外线直接被红外探测系统接收，可以实现加工温度的精准测量。和一般红外测温方法相比，不存在加工工具与工件紧密接触导致被加工区红外信号无法被红外线采集系统接收的问题；和热电偶测温法相比，可以直接测量工件与加工工具接触被加工区域二维温度场。采用立式加工方法，使测温装置结构简单，操作方便，不需要成本高昂、制作困难的光纤将红外线信号导出。每一点辐射出的能量由单一映射关系被红外探测系统接收，将每一点的温度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算出来，再通过显示输出终端可视化表达，可以直接得到被加工区域二维温度场的在线实时可视化测量结果。本发明应用范围广泛，适用于红外透射光学材料的平面、球面、非球面甚至异形曲面的铣削、磨削、钻削、研磨和抛光等机械加工温度检测。
附图说明
图1(a)、图1(b)、图1(c)为发明内容中，对红外透射光学材料进行机械加工时的温度场可视化测量装置图。
图2为具体实施例一中，对石英玻璃进行磨削，在线实时输出的磨削区温度场二维可视化测量结果。
图3为具体实施例二中，对石英玻璃进行磨削，在线实时输出的磨削区温度场二维可视化测量结果。
图中：1机床工作台；2加工工具；3工具驱动轴；4工件；5是测温工装；6红外线探测窗口；7红外线探测采集系统，8红外探测头，9放大器，10信号处理装置，11显示装置。
具体实施方式
结合附图1(a)、图1(b)、图1(c)、图2、图3对本发明作进一步说明。
红外透射光学材料的加工温度场可视化测量方法，采用如附如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示的立式加工测温装置，其包括机床工作台1，加工工具2(可以是铣刀、砂轮、钻头、研磨或抛光工具等)；工具驱动轴3；被加工工件4即一种红外透射光学材料；测温工装5；测温工装内红外线探测窗口6以及红外线探测采集系统7。
机床工作台1上设有一个测温工装5，在所述的测温工装5上还设有红外线探测窗口6，待测工件4放置在测温工装5的一侧，在相对的另一侧安装与红外线探测窗口相对应的红外线探测采集系统7，同时在待测工件的上方设有对其进行加工的加工工具。
红外线探测采集系统7由红外探测头8、放大器9、信号处理装置10和显示装置11组成，所述的红外探测头8与放大器9相连，所述的放大器9与信号处理装置10相连，所述的信号处理装置10与输出显示装置11相连。
进一步的，所述的加工工具在驱动轴的驱动下转动，实现对对红外透射材料工件的加工。
进一步的，所述的红外线探测窗口从测温工装的一侧一直贯穿到测温工装的另一侧，且窗口为透明窗口。
加工时将红外透射材料4固定在测温工装5的侧面，测温工装固定在机床工作台1上。然后利用驱动轴3驱动加工工具2转动，对红外透射材料工件4进行加工。工件4表面温度升高，辐射出的红外线由红外探测窗口射出，进入固定在测温工装后面的红外线探测采集系统7，每一点辐射出的能量由单一映射关系被红外探测系统接收，将每一点的温度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算出来，即可得到被加工区域表面温度场的二维分布，再通过显示输出终端可视化表达，即可实现被加工温度场的在线实时可视化测量。
本发明的工作原理和使用方法：
加工过程中切屑变形和加工工具摩擦使工件被加工区域温度升高，辐射出的红外线可以透过被加工的红外透射材料工件，直接被固定在测温工装后面的红外线探测头接收，然后信号经过放大处理。工件辐射出的红外线功率P(T)与工件表面温度T之间存在如下数学关系(斯蒂芬-玻尔兹曼定律)：
Pb(T)＝σεT4
式中，σ是斯特藩常数；ε是红外透射材料的单色黑度，对于固定的红外透射材料ε是一个介于0和1之间固定的常数，可以通过实验进行标定。由上式即可根据红外探测系统接收到的红外线功率计算出工件被加工区域表面温度。每一点辐射出的能量由单一映射关系被红外探测系统接收，将每一点的温度由斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算出来，即可得到被加工区域表面温度场的二维分布，再通过显示输出终端可视化表达，即可实现被加工温度场的在线实时可视化测量。
根据上述装置及方法获得的具体案例如下：
实施例1
本实施例中采用磨削加工，磨削的工件是石英玻璃，可透射波长小于3μm频段的红外线。本实施例中使用的红外探测系统响应波长为2～3μm。磨削参数如表1所示。采用如图1所示的立式磨削方法和测温装置对磨削温度场进行在线实时可视化测量，得到结果如图2所示
表1石英玻璃磨削参数
实施例2
本实施例中采用磨削加工，磨削的工件是石英玻璃，可透射波长小于3μm频段的红外线。本实施例中使用的红外探测系统响应波长为2～3μm。磨削参数如表2所示。采用如图1所示的立式磨削方法和测温装置对磨削温度场进行在线实时可视化测量，得到结果如图3所示
表2石英玻璃磨削参数
上述虽然结合附图以石英玻璃的平面磨削加工为例，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，所属领域技术人员应该明白，本发明不仅适用于石英玻璃的平面磨削加工，还适用于任何红外透射光学材料球面、非球面、异形曲面的铣削、钻削和抛光等加工，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 (9)
1.红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，其特征在于：包括机床工作台、测温工装和红外线探测采集系统，所述的机床工作台上设有一个测温工装，在所述的测温工装上设有红外线探测窗口，在红外线探测窗口的一侧设有与其相对的且放置在测温工装上的待测工件，在红外线探测窗口相对的另一侧安装与红外线探测窗口相对应的红外线探测采集系统，同时在待测工件的上方设有对其进行加工的加工工具。
2.如权利要求1所述的红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，其特征在于：所述的红外线探测采集系统，其包括一个红外探测头，所述的红外探测头与放大器相连，所述的放大器与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与输出显示装置相连。
3.如权利要求1所述的红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，其特征在于：所述的加工工具在驱动轴的驱动下转动，实现对对红外透射材料工件的加工。
4.如权利要求1所述的红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，其特征在于：所述的红外线探测窗口从测温工装的一侧一直贯穿到测温工装的另一侧，且窗口为透明窗口。
5.如权利要求1所述的红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，其特征在于：所述的加工工具为铣刀、砂轮、钻头、研磨或抛光工具。
6.采用如权利要求1所述的装置进行测量的方法，其特征在于，如下：
步骤1将红外透射材料工件固定在测温工装的侧面，测温工装固定在机床工作台上；
步骤2利用驱动轴驱动加工工具转动，对红外透射材料工件进行加工；
步骤3工件表面温度升高，辐射出的红外线由红外探测窗口射出，进入固定在测温工装后面的红外线探测采集系统，并进行信号处理分析，最终在显示输出终端上输出被加工区域二维温度场分布数据。
7.如权利要求5所述的测量的方法，其特征在于，加工过程中，切屑变形和加工工具摩擦使工件被加工区域温度升高，辐射出的红外线透过被加工的红外透射材料工件，直接被固定在测温工装后面的红外线探测头接收，然后信号经过放大处理后发送给信号处理装置。
8.如权利要求6所述的测量的方法，其特征在于，所述的信号处理装置根据工件辐射出的红外线功率与工件表面温度的关系式，计算出工件被加工区域表面温度，进而得到被加工区域表面温度场的二维分布，再通过显示输出终端可视化表达，即可实现被加工温度场的在线实时可视化测量。
9.如权利要求7所述的测量的方法，其特征在于，工件辐射出的红外线功率Pb(T)与工件表面温度T之间存在如下数学关系：
Pb(T)＝σεT4
式中，σ是斯特藩常数；ε是红外透射材料的单色黑度，对于固定的红外透射材料ε是一个介于0和1之间固定的常数，通过实验进行标定；
由上式即可根据红外探测系统接收到的红外线功率计算出工件被加工区域表面温度。
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