CN108765578B - 离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于离心铸造流体形貌观测相关技术领域，其公开了一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法，所述拍摄系统包括离心铸造物理模拟平台、双目立体图像拍摄组件及图像处理器，所述离心铸造物理模拟平台用于模拟充型流体在离心铸造时的流动；所述双目立体图像拍摄组件连接于所述图像处理器；所述图像处理器用于根据来自所述双目立体图像拍摄组件的图像进行三维重构以得到所述充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征；其中，所述双目立体图像拍摄组件包括两个间隔设置的高速摄像机，两个所述高速摄像机采用相交光轴形式对所述充型流体进行拍摄。本发明的结构简单，运行稳定，流体运动形貌采集方便，具有广泛的操作适应性。

Description

离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法
技术领域
本发明属于离心铸造流体形貌观测相关技术领域，更具体地，涉及一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法。
背景技术
离心铸造作为一种高效铸造成形方法，被广泛地应用于制造套筒和管类旋转体铸件。然而，充型流体在离心铸造时常处于复杂应力场的作用下，若工艺控制不当，将极易产生紊乱的气液混合流，且造成气孔夹渣等缺陷。因此，深入研究离心铸造过程中充型流体的运动规律特别是充型流体三维运动形貌特征显得尤为重要。
由于实际的离心铸造过程通常在真空封闭的不透明环境中进行，目前的设备无法直接观察充型流体的运动过程，物理模拟实验从而成为研究充型流体流动过程的主要手段之一，它采用相似性原理模拟实际离心铸造过程中流体的充型流动行为，具有易控制、可重复、可进行较全面和规律性实验等优点。然而，现阶段对离心铸造过程的物理模拟实验中，尚缺乏对充型流体运动规律特别是充型流体三维运动形貌特征的研究，主要是因为充型流体在高速旋转的容器中进行运动填充，图像记录设备难以获得流体的瞬态运动特征，此外，离心铸造的高速旋转因素也大大增加了获取充型流体三维运动形貌特征的难度。相应地，本领域存在着发展一种较容易获取充型流体三维运动形貌特征的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法，其基于离心铸造中充型流体的特点，研究及设计了一种能够获取充型流体三维形貌运动特征的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法。所述拍摄系统采用双目立体图像拍摄组件来实现对充型流体运动形貌特征的获取，并结合二维图像的三维重构技术来获得高速旋转条件下的充型流体三维运动形貌特征。此外，所述拍摄系统的结构简单，运行稳定，流体运动形貌采集方便，具有广泛的操作适应性，为实际离心铸造过程中熔体在铸型型腔中的流动特征和运动规律提供了有力的数据支持。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，所述拍摄系统包括离心铸造物理模拟平台、双目立体图像拍摄组件及图像处理器，所述离心铸造物理模拟平台用于模拟充型流体在离心铸造时的流动，其位于所述双目立体图像拍摄组件的拍摄范围内；所述双目立体图像拍摄组件连接于所述图像处理器，其用于拍摄所述充型流体的图像，并将拍摄到的图像传输给所述图像处理器；
所述图像处理器用于根据接收到的所述图像进行三维重构以得到所述充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征；其中，所述双目立体图像拍摄组件包括两个间隔设置的高速摄像机，两个所述高速摄像机采用相交光轴形式对所述充型流体进行拍摄。
进一步地，两个所述高速摄像机之间的间距为1.2m。
进一步地，所述双目立体图像拍摄组件还包括支撑架、高强度光源及遮光布，所述高强度光源及所述高速摄像机均设置在所述支撑架上，所述高强度光源位于所述离心铸造物理模拟平台的上方；所述遮光布设置在所述高强度光源上，以用于进行光线隔离。
进一步地，所述支撑架包括竖直支撑架及滑动地连接于所述竖直支撑架上的水平支撑架，所述竖直支撑架呈L型，所述高强度光源连接于所述竖直支撑架的一端；所述高速摄像机滑动地连接于所述水平支撑架。
进一步地，所述水平支撑架包括连接段、及分别连接于所述连接段相背的两端的第一活动段及第二活动段，所述第一活动段与所述连接段之间的夹角为钝角；所述第二活动段与所述连接段之间的夹角也为钝角。
进一步地，两个所述高速摄像机分别滑动地连接于所述第一活动段及所述第二活动段。
进一步地，所述离心铸造物理模拟平台包括实验台、离心转盘及透明模具，所述离心转盘设置在所述实验台上，所述透明模具可拆卸地连接于所述离心转盘。
按照本发明的另一个方面，提供了一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供如上所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，并选择示踪粒子对充型流体进行标记及着色处理；
(2)两个所述高速摄像机从不同方位拍摄所述离心铸造物理模拟平台内的流场的切面，以获得充型流体的图相对，并将获得的所述图像对传输给所述图像处理器；
(3)所述图像处理器以接收到的图像对为基础、通过三维重构技术来获得充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征。
进一步地，所述示踪粒子为表面镀银的空心玻璃珠，且所述示踪粒子的直径为5μm～20μm；所述高速摄像机的拍摄角度为45°～60°。
进一步地，步骤(3)具体包括以下步骤：
(31)对所述图像对进行降噪处理，以实现图像的特征提取及匹配；
(32)将匹配好的共轭点经过三维恢复以得到世界坐标系中的系列散乱点，并对所述散乱点进行插值计算以获得自由曲面的几何模型；
(33)对所述几何模型进行平滑处理，以获得所述充型流体的三维运动形貌特征。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法主要具有以下有益效果：
1.所述拍摄系统采用双目立体图像拍摄组件来实现对充型流体运动形貌特征的获取，并结合二维图像的三维重构技术来获得高速旋转条件下的充型流体三维运动形貌特征，易于实施，实用性较强。
2.两个所述高速摄像机采用相交光轴形式对所述充型流体进行拍摄，且所述高速摄像机滑动地连接于所述水平支撑架，如此实现了从不同方位准确地拍摄充型流体的运动形貌。
3.所述高强度光源位于所述离心铸造物理模拟平台的上方；所述遮光布设置在所述高强度光源上，以用于进行光线隔离，保证了自身的工作稳定性，提高了充型流体形貌采集的准确性。
4.所述拍摄系统的结构简单，运行稳定，流体形貌采集方便，具有广泛的操作适应性，为实际离心铸造过程中熔体在铸型型腔中的流动行为特征和运动规律的研究及分析提供了有力的数据支持。
附图说明
图1是本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统的结构示意图。
图2是图1中的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统的另一个角度的示意图。
图3是图1中的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统的局部示意图。
图4是本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄方法的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-图像处理器，2-实验台，3-离心转盘，4-透明模具，5-遮光布，6-高强度光源，7-高速摄像机，8-竖直支撑架，9-水平支撑架，10-承重底座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，所述拍摄系统包括离心铸造物理模拟平台、双目立体图像拍摄组件及图像处理器1，所述离心铸造物理模拟平台用于模拟充型流体在离心铸造时的流动；所述双目立体图像拍摄组件用于拍摄离心铸造过程中的充型流体的图像，并将拍摄到的图像传输给所述图像处理器1；所述图像处理器1用于根据接收到的所述图像进行三维重构以得到充型流体在不同时刻的三维形貌特征。
所述离心铸造物理模拟平台与所述双目立体图像拍摄组件邻近设置，且所述离心铸造物理模拟平台在所述双目立体图像拍摄组件的拍摄范围内。所述图像处理器1与所述离心铸造物理模拟平台相连接。
所述离心铸造物理模拟平台包括实验台2、离心转盘3及透明模具4，所述离心转盘3设置在所述实验台2上，所述透明模具4可拆卸地连接于所述离心转盘。所述离心转盘3上开设有定位螺纹孔，所述定位螺纹孔与螺栓相配合以使所述离心转盘3固定在所述实验台2上。本实施方式中，所述透明模具4是采用透明有机玻璃材料制成的，其具有可拆卸性，以便于自身的清洗及安装。
所述双目立体图像拍摄组件包括支撑架、遮光布5、高强度光源6及两个高速摄像机7，所述支撑架邻近所述离心铸造物理模拟平台设置，两个所述高速摄像机7间隔设置在所述支撑架上。所述高强度光源6设置在所述支撑架上，其位于所述高速摄像机7的上方。所述遮光布5设置在所述高强度光源6上，其用于进行光线隔离。两个所述高速摄像机7滑动地连接于所述支撑架。本实施方式中，两个所述高速摄像机7之间的间距为1m～1.3m，优选地为1.2m；所述高速摄像机7的拍摄角度为45°～60°。
所述支撑架包括承重底座10、竖直支撑架8及水平支撑架9，所述竖直支撑架8基本呈L型，其一端连接于所述承重底座10，另一端连接于所述高强度光源6。所述水平支撑架9滑动地连接于所述竖直支撑架8，其包括连接段、及分别连接于所述连接段相背的两端的第一活动段及第二活动段。本实施方式中，所述第一活动段与所述连接段之间的夹角为钝角；所述第二活动段与所述连接段之间的夹角也为钝角。
两个所述高速摄像机7分别滑动地连接于所述第一活动段及所述第二活动段。所述第一活动段开设有第一滑槽，所述第二活动段开设有第二滑槽，两个所述高速摄像机7分别通过螺钉及垫圈设置在所述第一滑槽及所述第二滑槽内，使得两个所述高速摄像机7可分别沿所述第一滑槽及所述第二滑槽移动。
请参阅图4，本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄方法，所述拍摄方法主要包括以下步骤：
步骤一，提供如上所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，并选择示踪粒子对充型流体进行标记及着色处理。具体地，选择不溶于充型流体且密度接近于所述充型流体的密度的示踪粒子对所述充型流体进行标记，并对所述充型流体进行一定的着色处理。本实施方式中，所述示踪粒子为表面镀银的空心玻璃微珠，示踪粒子直径为5μm～20μm，具有良好的水流场跟随性。
步骤二，两个所述高速摄像机7从不同方位拍摄被所述高强度光源6照明下的流场的切面，以获得充型流体的图相对，并将获得所述图像对传输给所述图像处理器1。
具体地，两个所述高速摄像机7采用相交光轴形式对高速旋转条件下的充型流体进行拍摄，以获得高速旋转条件下的带有特殊标记的图像对，并将所述图像对传输给所述图像处理器1。
步骤三，所述图像处理器1以接收到的图像对为基础、通过三维重构技术来获得充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征。具体地，对所述图像对进行降噪处理，以实现二维图像的特征提取及匹配；接着，将匹配好的共轭点经三维恢复以得到世界坐标系中的系列散乱点，并对所述散乱点进行必要的插值计算以获得自由曲面的几何模型；接着，对所述几何模型进行高度平滑处理，以获得高速旋转条件下的充型流体的三维运动形貌特征。
本发明提供的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统及方法，所述拍摄系统采用双目立体图像拍摄组件来实现对充型流体运动形貌特征的获取，并结合二维图像的三维重构技术来获得高速旋转条件下的充型流体三维运动形貌特征。此外，所述拍摄系统的结构简单，运行稳定，流体运动形貌采集方便，具有广泛的操作适应性，为实际离心铸造过程中熔体在铸型型腔中的流动特征和运动规律提供了有力的数据支持。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，其特征在于：
所述拍摄系统包括离心铸造物理模拟平台、双目立体图像拍摄组件及图像处理器(1)，所述离心铸造物理模拟平台用于模拟充型流体在离心铸造时的流动，其位于所述双目立体图像拍摄组件的拍摄范围内；所述双目立体图像拍摄组件连接于所述图像处理器(1)，其用于拍摄所述充型流体的图像，并将拍摄到的图像传输给所述图像处理器(1)；
所述图像处理器(1)用于根据接收到的所述图像进行三维重构以得到所述充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征；其中，所述双目立体图像拍摄组件包括两个间隔设置的高速摄像机(7)，两个所述高速摄像机(7)采用相交光轴形式对所述充型流体进行拍摄；
所述双目立体图像拍摄组件还包括支撑架、高强度光源(6)及遮光布，所述高强度光源(6)及所述高速摄像机(7)均设置在所述支撑架上，所述高强度光源(6)位于所述离心铸造物理模拟平台的上方；所述遮光布(5)设置在所述高强度光源(6)上，以用于进行光线隔离；
所述支撑架包括竖直支撑架(8)及滑动地连接于所述竖直支撑架(8)上的水平支撑架(9)，所述竖直支撑架(8)呈L型，所述高强度光源(6)连接于所述竖直支撑架(8)的一端；所述高速摄像机(7)滑动地连接于所述水平支撑架(9)。
2.如权利要求1所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，其特征在于：两个所述高速摄像机(7)之间的间距为1.2m。
3.如权利要求1所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，其特征在于：所述水平支撑架(9)包括连接段、及分别连接于所述连接段相背的两端的第一活动段及第二活动段，所述第一活动段与所述连接段之间的夹角为钝角；所述第二活动段与所述连接段之间的夹角也为钝角。
4.如权利要求3所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，其特征在于：两个所述高速摄像机(7)分别滑动地连接于所述第一活动段及所述第二活动段。
5.如权利要求1-2任一项所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，其特征在于：所述离心铸造物理模拟平台包括实验台(2)、离心转盘(3)及透明模具(4)，所述离心转盘(3)设置在所述实验台(2)上，所述透明模具(4)可拆卸地连接于所述离心转盘(3)。
6.一种离心铸造物理模拟的充型流体三维拍摄方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供如权利要求1-5任一项所述的离心铸造物理模拟的充型流体形貌三维拍摄系统，并选择示踪粒子对充型流体进行标记及着色处理；
(2)两个所述高速摄像机(7)从不同方位拍摄所述离心铸造物理模拟平台内的流场的切面，以获得充型流体的图相对，并将获得的所述图像对传输给所述图像处理器(1)；
(3)所述图像处理器(1)以接收到的图像对为基础、通过三维重构技术来获得充型流体在不同时刻的三维运动形貌特征。
7.如权利要求6所述的离心铸造物理模拟的充型流体三维拍摄方法，其特征在于：所述示踪粒子为表面镀银的空心玻璃珠，且所述示踪粒子的直径为5μm～20μm；所述高速摄像机(7)的拍摄角度为45°～60°。
8.如权利要求6所述的离心铸造物理模拟的充型流体三维拍摄方法，其特征在于：步骤(3)具体包括以下步骤：
(31)对所述图像对进行降噪处理，以实现图像的特征提取及匹配；
(32)将匹配好的共轭点经过三维恢复以得到世界坐标系中的系列散乱点，并对所述散乱点进行插值计算以获得自由曲面的几何模型；
(33)对所述几何模型进行平滑处理，以获得所述充型流体的三维运动形貌特征。
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