CN109100285A - 一种两相流抛光加工中磨粒的piv观测装置及观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密抛光技术领域，具体涉及一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，包括框架体以及设置在框架体上的CCD相机位置调节组件、激光器位置调节组件和抛光组件，CCD相机位置调节组件包括CCD相机托板、与CCD相机托板固定连接的CCD相机、驱动CCD相机托板左右移动的第一驱动机构和驱动CCD相机托板上下移动的第二驱动机构，激光器位置调节组件包括激光器托板、与激光器托板固定连接的激光器、驱动激光器托板前后移动的第三驱动机构。本发明可以精准地拍摄到非接触式两相流抛光中粒子在抛光平面内的运动状态，而且可以实现对不同大小的抛光盘和不同大小的抛光间隙的抛光加工过程中粒子的拍摄，该装置结构简单，功能容易实现，且成本经济。
Description
技术领域
本发明涉及精密抛光技术领域，更具体的说，涉及一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置及观测方法。
背景技术
超精密抛光是一种非接触式的抛光加工，常用的抛光介质是固液两相混合的的抛光液，而且抛光间隙（抛光盘和与抛光液容器底部的距离）非常小，在抛光过程中能够实时观测到抛光液中磨粒的运动状态对良好地控制抛光效果起到尤为重要的作用。
粒子图像测速发(Particle Image Velocity，PIV)是20世纪70年代末发展起来的一种瞬时、无接触的流体力学测量速度的方法。利用图像处理的方法发展起来的一种新的测量方法。PIV技术的特点主要有：克服了单点测速技术的局限性，可以在同一时间记录大量空间点的速度分布；PIV测试技术除了向流场中散布示踪粒子外，所有测量装置都不能干扰流场的正常运动，实现了流场的非接触测量，获得了流场的空间结构以及流动特性。PIV技术实现了广域内的流场测试，并能直观的研究流场中涡的结构。PIV测速方法有很多种，无论何种形式的PIV测量方法，其速度测量都依赖于均匀分布在流场中的示踪粒子，PIV装置通过测量示踪粒子在一个时间步内的位移来间接地测量流场的瞬态速度大小。如果示踪粒子有足够好的流动跟随性，示踪粒子的运动就可以比较真实地反映流场的运动状态。因而对于示踪粒子就会有较高的要求，示踪粒子满足下列条件：颗粒密度与流场接近；颗粒尺寸小；颗粒形状要接近圆形；颗粒有较高的光散射效率。
发明内容
本发明的目的就在于观测现有非接触式两相流抛光中磨粒运动状态的问题，提供了一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，该装置为基于位移机构控制的装置，准确控制CCD相机、激光器和抛光盘三者的位置关系，该抛光装置实现了CCD相机拍摄的镜头长短可调、CCD相机拍摄图像位置可调、激光器发射激光的曝光面位置和曝光范围可调，提高了拍摄位置和曝光位置的准确性从而提高了拍摄数据的精度。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于包括框架体以及设置在框架体上的CCD相机位置调节组件、激光器位置调节组件和抛光组件，CCD相机位置调节组件包括CCD相机托板、与CCD相机托板固定连接的CCD相机、驱动CCD相机托板左右移动的第一驱动机构和驱动CCD相机托板上下移动的第二驱动机构，激光器位置调节组件包括激光器托板、与激光器托板固定连接的激光器和驱动激光器托板前后移动的第三驱动机构。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述抛光组件包括设置在框架体上的透明支撑板、设置在透明支撑板上的抛光液容器、设置在框架体上的抛光支架、固定连接在抛光支架上的第一电机以及与第一电机的主轴通过第二联轴器配合连接的抛光盘，CCD相机的镜头、抛光液容器和抛光盘三者的中心重合。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第一驱动机构为与框架体旋转连接的第一丝杠，第一丝杠水平设置且与CCD相机托板螺纹连接，第一丝杠的一端设置左右移动微调旋钮。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第二驱动机构为与框架体旋转连接的第二丝杠，第二丝杠竖直设置且与CCD相机托板螺纹连接，第二丝杠的一端设置上下移动微调旋钮。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第三驱动机构为与框架体旋转连接的第三丝杠，第三丝杠水平设置且与激光器托板螺纹连接，第三丝杠的一端设置前后移动微调旋钮。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述激光器位置调节组件还包括设置在激光器与激光器托板之间的升降机构，升降机构包括第二电机、第四丝杠、折叠板组、激光器支撑板，第二电机固定连接在激光器托板上并与第四丝杠通过第一联轴器配合连接，折叠板组包括两个铰接成剪刀形的折叠板，其中一个折叠板的下端与第四丝杠螺纹连接，折叠板组的上端与激光器支撑板铰接，激光器固定连接在激光器支撑板上。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述框架体的一侧设置用于支撑激光器位置调节组件的框架体支架。
所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述框架体的底部设置可调垫脚。
所述的一种上述的观测装置的观测方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将上述装置连接电脑，启动DynamicStudio软件；
2）通过DynamicStudio软件进行三维标定靶标定和二维标定，然后进行测试；
3）进入DynamicStudio软件的分析模式，然后进行抛光加工，在抛光加工的过程中调节CCD相机能拍摄到完整的抛光盘区域，然后调节CCD相机的聚焦旋钮使拍摄图像清晰，并以此对图像进行标定；
4）通过调节激光器位置调节组件实现激光器的前后移动，进而来调整激光器在抛光盘位置的激光曝光面大小，让激光曝光面覆盖整个抛光盘区域；
5）图像数据采集完毕。
本发明的有益效果在于：可以精准地拍摄到非接触式两相流抛光中粒子在抛光平面内的运动状态，而且可以实现对不同大小的抛光盘和不同大小的抛光间隙的抛光加工过程中粒子的拍摄，该装置结构简单，功能容易实现，且成本经济。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明右视结构示意图；
图3为本发明中的升降机构结构示意图；
图4为本发明的观测原理图。
图中：1-框架体、100-框架体支架、101-竖直平面框架、2-连接件、3-CCD相机、4-CCD相机托板、5-透明支撑板、6-抛光液容器、7-抛光盘、8-抛光支架、9-第一电机、10-保护板、11-激光器托板、12-Z轴滚珠丝杠、13-Z轴向微调旋钮、14-连接件2、15-第一丝杠、16-左右移动微调旋钮、17-第二丝杠、18-上下移动微调旋钮、19-垫脚、20-第二电机、21-折叠板组、22-激光器、23-第四丝杠、24-第二联轴器、25-激光器支撑板、26-示踪粒子、27-激光曝光面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3、4所示，一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，包括框架体1以及设置在框架体1上的CCD相机位置调节组件、激光器位置调节组件和抛光组件。
框架体1是由不同长度尺寸的铝合金型材搭接而成，使用不同型号的连接件2固定。框架体1内设置一个由四根型材首尾连接而成的竖直平面框架101，该竖直平面框架101用于承载CCD相机位置调节组件。框架体1的一侧设置用于支撑激光器位置调节组件的框架体支架100。框架体1的底部设置高度可调的垫脚19。
抛光组件位于框架体的上端，包括设置在框架体1上的透明支撑板5、设置在透明支撑板5上的抛光液容器6、设置在框架体1上的抛光支架8、固定连接在抛光支架8上的第一电机9以及与第一电机9的主轴通过第二联轴器24配合连接的抛光盘7，CCD相机3的镜头、抛光液容器6和抛光盘7三者的中心重合。其中，第一电机9为伺服电机。抛光盘7在实际抛光加工中的安装位置与抛光液容器6的底部非常靠近。
CCD相机位置调节组件位于框架体1内，CCD相机位置调节组件包括CCD相机托板4、与CCD相机托板4固定连接的CCD相机3、驱动CCD相机托板4左右移动的第一驱动机构和驱动CCD相机托板4上下移动的第二驱动机构。其中，第一驱动机构为两端与竖直平面框架101通过轴承旋转连接的第一丝杠15，第一丝杠15水平设置且第一丝杠15的中部与CCD相机托板4螺纹连接，第一丝杠15的一端超出竖直平面框架101并固定连接左右移动微调旋钮16，通过旋转左右移动微调旋钮16可以微调CCD相机3的左右位置。第二驱动机构为两端与竖直平面框架101通过轴承旋转连接的第二丝杠17，第二丝杠17竖直设置且第二丝杠17的中部与CCD相机托板4螺纹连接，第二丝杠17的一端超出竖直平面框架101并固定连接上下移动微调旋钮18，通过旋转上下移动微调旋钮18可以微调CCD相机3的上下位置。CCD相机托板4的移动非常微小，第一丝杠15、第二丝杠17与竖直平面框架101之间的间隙以及CCD相机托板4与第一丝杠15、第二丝杠17之间的间隙足以满足微调的要求。
激光器位置调节组件包括固定连接在框架体支架100上的保护板10、设置在保护板10上的激光器托板11、与激光器托板11固定连接的激光器22、驱动激光器托板11前后移动的第三驱动机构。其中，第三驱动机构为与框架体支架101通过轴承旋转连接的第三丝杠12，第三丝杠12水平设置且与激光器托板11螺纹连接，第三丝杠12的一端超出框架体支架101并固定连接前后移动微调旋钮13。通过旋转前后移动微调旋钮13可以微调激光器22的位置。
激光器位置调节组件还包括设置在激光器22与激光器托板11之间的升降机构，升降机构包括第二电机20、第四丝杠23、折叠板组21、激光器支撑板25，第二电机20固定连接在激光器托板11上并与第四丝杠23通过第一联轴器配合连接，折叠板组21包括两个铰接成剪刀形的折叠板，其中一个折叠板的下端与第四丝杠23螺纹连接，折叠板组21的上端与激光器支撑板25铰接，激光器22固定连接在激光器支撑板25上。其中，第二电机20为步进电机。激光器22的安装平面（或者激光器22的曝光面）与抛光盘7的底部平行。
前后移动微调旋钮13与第三丝杠12配合来调节激光器22的前后方向运动，以此可以扩大激光器22的激光曝光范围。升降机构可以实现激光曝光面位置的精准调节，进而可以根据CCD相机3的拍摄效果来确定激光曝光面的最佳位置。保护板10一方面是支撑激光器托板11，另一方面是在激光器22发射激光时防止激光射线直接照射到CCD相机3上，对CCD相机3起到保护作用。
在本发明中，框架体1为PIV观测提供一个稳定的平台，框架体1整体的平整度可调，框架体1内部的型材支架安装精度高，保证了CCD相机3、激光器22和抛光盘7三者位置关系的准确性。框架体支架101采用对称三角结构的布置形式来固定，安装时要保证激光器22的激光曝光面与抛光盘7的底部平行。
在本发明中，抛光液容器6放置在透明支撑板5上的梯形槽内，透明支撑板5和抛光液容器6使用的都是透明的材料，便于CCD相机3拍摄到激光曝光面上示踪粒子的运动状态。抛光盘7的中心与抛光液容器6的中心重合，且两者的间隙很小，即抛光间隙小，这是非接触式两相流抛光加工的必要条件。
在本发明中，CCD相机位置调节组件实现了CCD相机3的镜头位置和CCD相机3的镜头视野范围的调节。
在本发明中，激光器位置调节组件实现了激光器的前后移动，使得曝光面能扩大，同时能实现微小间隙下磨粒运动的检测。
一种上述的观测装置的观测方法，包括以下步骤：
1）将上述装置连接电脑，启动DynamicStudio软件；
2）通过DynamicStudio软件进行三维标定靶标定和二维标定，然后进行测试；
3）进入DynamicStudio软件的分析模式，然后进行抛光加工，在抛光加工的过程中调节CCD相机3能拍摄到完整的抛光盘区域，然后调节CCD相机3的聚焦旋钮使拍摄图像清晰，并以此对图像进行标定；
4）通过调节激光器位置调节组件实现激光器22的前后移动，进而来调整激光器22在抛光盘7位置的激光曝光面大小，让激光曝光面覆盖整个抛光盘7区域；
5）图像数据采集完毕。
Claims (9)
1.一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于包括框架体（1）以及设置在框架体（1）上的CCD相机位置调节组件、激光器位置调节组件和抛光组件，CCD相机位置调节组件包括CCD相机托板（4）、与CCD相机托板（4）固定连接的CCD相机（3）、驱动CCD相机托板（4）左右移动的第一驱动机构和驱动CCD相机托板（4）上下移动的第二驱动机构，激光器位置调节组件包括激光器托板（11）、与激光器托板（11）固定连接的激光器（22）和驱动激光器托板（11）前后移动的第三驱动机构。
2.根据权利要求1所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述抛光组件包括设置在框架体（1）上的透明支撑板（5）、设置在透明支撑板（5）上的抛光液容器（6）、设置在框架体（1）上的抛光支架（8）、固定连接在抛光支架（8）上的第一电机（9）以及与第一电机（9）的主轴通过第二联轴器（24）配合连接的抛光盘（7），CCD相机（3）的镜头、抛光液容器（6）和抛光盘（7）三者的中心重合。
3.根据权利要求1或2所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第一驱动机构为与框架体（1）旋转连接的第一丝杠（15），第一丝杠（15）水平设置且与CCD相机托板（4）螺纹连接，第一丝杠（15）的一端设置左右移动微调旋钮（16）。
4.根据权利要求3所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第二驱动机构为与框架体（1）旋转连接的第二丝杠（17），第二丝杠（17）竖直设置且与CCD相机托板（4）螺纹连接，第二丝杠（17）的一端设置上下移动微调旋钮（18）。
5.根据权利要求1或2所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述第三驱动机构为与框架体（1）旋转连接的第三丝杠（12），第三丝杠（12）水平设置且与激光器托板（11）螺纹连接，第三丝杠（12）的一端设置前后移动微调旋钮（13）。
6.根据权利要求5所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述激光器位置调节组件还包括设置在激光器（22）与激光器托板（11）之间的升降机构，升降机构包括第二电机（20）、第四丝杠（23）、折叠板组（21）、激光器支撑板（25），第二电机（20）固定连接在激光器托板（11）上并与第四丝杠（23）通过第一联轴器配合连接，折叠板组（21）包括两个铰接成剪刀形的折叠板，其中一个折叠板的下端与第四丝杠（23）螺纹连接，折叠板组（21）的上端与激光器支撑板（25）铰接，激光器（22）固定连接在激光器支撑板（25）上。
7.根据权利要求1或2所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述框架体（1）的一侧设置用于支撑激光器位置调节组件的框架体支架（100）。
8.根据权利要求1或2所述的一种两相流抛光加工中磨粒的PIV观测装置，其特征在于所述框架体（1）的底部设置可调垫脚（19）。
9.一种如权利要求1-8所述的观测装置的观测方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将上述装置连接电脑，启动DynamicStudio软件；
2）通过DynamicStudio软件进行三维标定靶标定和二维标定，然后进行测试；
3）进入DynamicStudio软件的分析模式，然后进行抛光加工，在抛光加工的过程中调节CCD相机（3）能拍摄到完整的抛光盘区域，然后调节CCD相机（3）的聚焦旋钮使拍摄图像清晰，并以此对图像进行标定；
4）通过调节激光器位置调节组件实现激光器（22）的前后移动，进而来调整激光器（22）在抛光盘（7）位置的激光曝光面大小，让激光曝光面覆盖整个抛光盘（7）区域；
5）图像数据采集完毕。
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|---|---|---|---|---|
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| CN109100285B (zh) | 2024-09-27 |
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