CN109333162A - 一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属切削加工领域，并公开了一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法，包括测力仪、红外相机、双帧相机、位置传感器、信号同步触发模块和信号采集模块，测力仪用于实时测量待测量工件的切削力；红外相机用于实时测量待测量工件的温度场；双帧相机用于实时测量待测量工件的位移场；位置传感器用于发出开始测量的信号；信号同步收到开始测量的信号按照预设的时间延迟分别控制测力仪、红外相机和双帧相机开始测量；信号采集模块采集测量获得的结果，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度场和位移场的在线测量。通过本发明，实现高速高应变下瞬态变形场和温度场的非接触式测量，测量过程安全可靠，处理精度得到保障。

Description

一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法

技术领域

本发明属于金属切削加工领域，更具体地，涉及一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法。

背景技术

切削中加工质量的改善、工艺参数的优化依赖于对切削过程的基础理论研究，然而切削行为通常是在工件表面的一个非常小的区域内以极高的应变率发生了大变形，这种材料的力学行为与传统的力学实验情况相去甚远。探究切削过程的本质，是在一定条件下，工件材料在外力作用下，产生一个从弹性变形一塑性变形(滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变)一断裂(切屑与工件分离)的过程，因此切削变形的研究可看作是热-弹塑性非线性问题的一个分支。

传统的研究方法常常使用SHPB(分离式Hopkinson压杆)实验的方法在动态条件下研究材料特性。SHPB实验将材料试样置于入射杆与传动杆中间，由压缩空气加速的射弹撞击入射杆产生弹性应力波，试样在该应力作用下产生高速变形，同时传动杆中分别产生了往回的反射波与向前的透射波。假设样品变形是均匀的，根据入射波、反射波和透射波的振幅计算应力与应变。然而在高速切削条件下，有效应变通常能达到3，有效应变率也在0～10⁶s^-1，SHPB的方法通常都在1与10⁴以下。

近些年，兴起了数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)，该技术借助于越来越完善的成像技术以及性能越来越优秀的相机研究切削。对于高速切削过程，有研究者们采用通过高速相机获取物体表面变形前后图像，然后匹配同一像素点在不同图像中的位置来获得该像素点的位移向量，从而得到试件表面的位移场，但是，高速相机性能有限，只能分析到几米至十几米量级的切削速度；另外，温度也对切削变形有很大的影响，目前对于高速切削过程汇大多数情况下利用仿真的手段对温度进行预测，但是，这样的预测是理论上的，实际切削过程相较理论要复杂得多，且预测精度难以保证。因此，急需一种对各类变形相关信息同时进行在线测量，并能在高速、高应变率的情况下仍能有比较准确的结果的测量系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速切削变形场的在线测量系统及其方法，其中通过对其关键组件红外相机，测力仪和双帧相机的设置，使得在对待测量工件的表面分别进行喷漆和喷砂处理后，采用双帧相机通过拍摄介观尺度下的切削过程，获取相隔数微秒的两张图片，镜头五倍放大条件下每像素约为0.6微米，通过DIC技术能获得瞬态位移场，红外相机通过热成像获得切削过程中的实时温度场，测力仪测量获得切削力，以此实现待测量工件表面的温度、切削力的在线测量，测量精度高，适用范围广。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速切削变形场的在线测量系统，该系统包括刀具夹具、测力仪、红外相机、双帧相机、位置传感器、信号同步触发模块和信号采集模块，其特征在于，

所述刀具夹具用于装夹刀具，其装夹在所述测力仪上，所述测力仪用于实时测量待测量工件的在高速切削过程中受到的切削力；

所述红外相机用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的温度场，其中，通过在待测量工件表面进行喷漆处理，以此辅助所述红外相机成像；

所述双帧相机用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的位移场，其中，所述双帧相机拍摄在介观尺度下待测量工件两张相隔数微秒的照片，通过对比获得的所述两张照片获得待测量工件的位移场；

所述位置传感器用于检测待测量工件的位置并发出开始测量的信号，同时将该信号传递给所述信号同步触发模块；

所述信号同步触发模块中分别预设有所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量的时间延迟，该信号同步触发模块收到所述开始测量的信号后，按照预设的所述时间延迟分别控制所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量；

所述信号采集模块同时与所述测力仪、红外相机和双帧相机连接，用于采集测力仪、红外相机和双帧相机测量获得的结果，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度场和位移场的在线测量。

进一步优选地，所述待测量工件优选为片状。

进一步优选地，所述测量系统还包括激光器，用于在所述双帧相机拍摄过程中提供光源。

进一步优选地，所述测量系统还包括反光镜，待测量工件在所述反光镜中成像后，所述双帧相机拍摄所述反光镜中的待测量工件，以此改变所述双帧相机的拍摄角度。

进一步优选地，所述测量系统还包括位移调节平台，包括位移粗调平台和位移微调平台，其中，所述位移粗调平台与所述红外相机以及双帧相机相连，用于调整所述红外相机的拍摄位置并辅助对焦，并粗调所述双帧相机的拍摄位置并辅助对焦，所述位移精调平台与所述双帧相机相连，用于精调所述红外相机或双帧相机的拍摄位置并辅助对焦。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的测量系统的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)将待测量工件的两个表面分别进行喷漆处理和喷砂处理，所述喷漆处理用于辅助所述红外相机的成像，所述喷砂处理用于在所述测量工件的表面形成散斑，所述双帧相机根据所述散斑的位移计算待测量工件的位移场；

(b)在机床的刀具夹具和工件夹具上分别固定刀具和待测量工件，开始进行高速切削，所述位置传感器检测所述待测量工件的位置，当其达到预设位置时，所述位置传感器向所述信号同步触发模块发出开始测量的信号；

(c)所述信号同步触发模块收到开始测量的信号后，根据其中预设的时间延迟分别控制所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量，以此在所述信号采集模块中获得待测量工件在高速切削过程中的切削力、温度场以及两张照片；

(d)根据所述两张照片中的所述散斑的位移计算获得待测量工件的位移场，同时根据在步骤(c)中获得的高速切削过程中的切削力和温度场，由所述两张照片的拍摄时间获得拍摄时所对应的切削力和温度，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度和位移场的在线测量。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的测量系统实现同时测量切削力、温度场和位移场，其中通过对介观尺度的下的工件形貌进行成像获取位移场，切削力、温度场变形场等相关量均通过实测获得，避免后期通过仿真或其它方法近似获取，精度更高，实现高速高应变下瞬态变形场和温度场的非接触式测量，测量过程安全可靠，激光提供强光源保证图像清晰，后续处理精度得到保障；

2、本发明中通过采用反光镜调整光路，通过底层梯形连接件改变姿态，解决了一般车床安装空间的限制，使其在常见的车床上均可使用，且结构简单，安装容易，极大增强了实用性；

3、本发明通过采用双帧相机拍摄介观尺度下的切削过程，获取相隔数微秒的两张图片，镜头五倍放大条件下每像素约为0.6微米，通过DIC技术能获得瞬态位移场，与高速相机相比，能在更高切削速度与更高应变率条件下获取清晰的图像；

4、本发明通过在工件表面进行喷漆后，采用红外相机进行热成像，实时获取待测量工件表面的温度，避免通过仿真预测高速切削过程中的温度场，测量精度高，且减少工作量，表面繁冗的计算。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的高速切削变形场的在线测量系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的测量系统的轴测图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的测量系统的右视图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的车刀结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的待测量工件的结构示意图。

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-信号采集模块 2-信号同步触发模块 3-测力仪 4-反光镜 5-刀具夹具 6-激光器 7-位置传感器 8-红外相机 9-双帧相机 10-工件夹具 11-位移粗调平台 12-位移微调平台

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。

一种高速切削变形场的在线测量系统，该测量系统包括信号采集模块1、信号同步触发模块2、测力仪3、反光镜4、刀具夹具5、激光器6、位置传感器7、红外相机8、双帧相机9、位移粗调平台11，位移微调平台12，两个三坐标位移微调平台10、工件夹具11以及若干连接件。

实施方式具体包括以下步骤：

a、组装测量系统：整套系统安装在一般机床上，柱状工件夹具10通过三爪卡盘安装，其它部分借助若干连接零件通过螺栓连接最终固定在车床滑轨上，如图2所示；激光器与位置传感器通过磁座夹持，磁座吸附固定在车床滑轨上；安装时刀尖位置较刀具夹具边缘伸出约15mm，尽量使得反光镜4中心与刀尖在红外相机8中心线附近，同时反光镜4中心在双帧相机9中心线附近，以保证刀尖出现在两个相机中央方便后续调整获得更好视野；位置传感器与刀尖在工件夹具直径方向两侧；

b、实验前调整：Z方向对刀完成后不退刀；通过调整三坐标位移微调平台11的X、Y方向(文中方向均为机床坐标系中方向)使得工件在红外相机8获得最好视野，Z方向调节红外相机8与刀尖的距离实现红外相机8的对焦，同时该平台的X、Z方向也是在粗调双帧相机9的视野；通过调节另一个微调平台12的X、Z方向微调双帧相机的视野，Y方向实现对焦；通过调整激光器6入射角度和位置获得更好光照效果；根据位置传感器7与刀尖的位置关系，计算在不同转速条件下，位置传感器7感应到工件的时间到刀具对工件进行切削需要的时间，并根据该时间调整信号同步触发模块2的延时设置，以保证不同测量仪器能准确有效的测量到同一瞬态下的切削状态。一般来说，位置传感器7感应到工件的时候测力仪3和红外相机8就可以开始测量，而双帧相机9在切削接近工件中点时拍照，双帧相机9两次拍照均触发激光器6提供光照。

c、实验过程：刀具X方向进给，主轴正转进行切削。工件随工件夹具10旋转到位置传感器7感应区域，位置传感器7获取信号并传递给信号同步触发模块2。信号同步触发模块2接到信号立刻触发测力仪3和红外相机8，然后在工件转到刀具一边，工件切削完成约1/2时，触发双帧相机9与激光器6拍摄第一张照片，经过双帧相机9帧间距的时间再次触发激光器6拍摄第二张照片。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的车刀结构示意图；图5是按照本发明的优选实施例所构建的待测量工件的结构示意图，如图4和5所示，图4是该测量系统在本实施例中的专用切槽刀，图5是本实施例中的专用车削工件，两者均需要经过特殊处理，刀具观察面，即靠近反光镜4的侧面应打磨光滑然后进行喷砂处理。而工件两面需要做不同处理，靠近反光镜4的一面也应做先打磨后喷砂的处理便于后续的DIC计算，另一面则做喷漆处理辅助热成像。测量系统用于正交车削过程中同时对包括力、温度、变形在内的多种物理量进行在线测量的夹具系统，测量系统中双帧相机、红外相机与测力仪三部分通过信号同步触发模块控制工作，双帧相机结果测量通过DIC(Digital Imaginig Correlation)计算获取位移场、应变率场即应变场，红外相机获取温度场，测力仪获取切削力。

该测量系统主要测量部件为双帧相机、红外相机以及测力仪，通过三者对切削过程进行实时测量。利用双帧相机拍摄介观尺度下的切削过程，获取相隔数微秒的两张图片，镜头五倍放大条件下每像素约为0.6微米，通过DIC技术能获得瞬态位移场。红外相机进行热成像，得到切削过程中的温度场，测力仪获取切削力。

该测量系统设置有两个三坐标位移微调平台用于为两个相机调整视野与对焦，一个量程较大分辨率较小，用于调节红外相机并对双帧相机进行粗调，另一个量程较小但分辨率较高，用于细调双帧相机；设置有激光器用于为高帧率、小视野下的双帧相机提供足够强度的光源；设置有位置传感器提供开始测量的信号；设置有信号同步触发模块用于同步切削力信号与两个相机信号；设置有信号采集模块采集相机与测力仪的信号。另外，通过反光镜改变光路解决空间局限的问题，通过底层固定较大三坐标位移微调平台的梯形连接件避免相机与工件夹具的干涉，通过大直径的工件夹具增加刚度降低工件尺寸要求方便大量进行实验。

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 (6)

1.一种高速切削变形场的在线测量系统，该系统包括刀具夹具(5)、测力仪(3)、红外相机(8)、双帧相机(9)、位置传感器(7)、信号同步触发模块(2)和信号采集模块(1)，其特征在于，

所述刀具夹具(5)用于装夹刀具，其装夹在所述测力仪(3)上，所述测力仪(3)用于实时测量待测量工件的在高速切削过程中受到的切削力；

所述红外相机(8)用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的温度场，其中，通过在待测量工件表面进行喷漆处理，以此辅助所述红外相机成像；

所述双帧相机(9)用于实时测量待测量工件在高速切削过程中的位移场，其中，所述双帧相机拍摄在介观尺度下待测量工件两张相隔数微秒的照片，通过对比获得的所述两张照片获得待测量工件的位移场；

所述位置传感器(7)用于检测待测量工件的位置并发出开始测量的信号，同时将该信号传递给所述信号同步触发模块；

所述信号同步触发模块(2)中分别预设有所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量的时间延迟，该信号同步触发模块收到所述开始测量的信号后，按照预设的所述时间延迟分别控制所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量；

所述信号采集模块(1)同时与所述测力仪、红外相机和双帧相机连接，用于采集测力仪、红外相机和双帧相机测量获得的结果，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度场和位移场的在线测量。

2.如权利要求1所述的一种高速切削变形场的在线测量系统，其特征在于，所述待测量工件优选为片状。

3.如权利要求1或2所述的一种高速切削变形场的在线测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括激光器(6)，用于在所述双帧相机拍摄过程中提供光源。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种高速切削变形场的在线测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括反光镜(4)，待测量工件在所述反光镜中成像后，所述双帧相机拍摄所述反光镜中的待测量工件，以此通过改变光路来改变所述双帧相机的拍摄角度。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种高速切削变形场的在线测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括位移调节平台，包括位移粗调平台和位移微调平台，其中，所述位移粗调平台(11)与所述红外相机以及双帧相机相连，用于调整所述红外相机的拍摄位置并辅助对焦，并粗调所述双帧相机的拍摄位置并辅助对焦，所述位移精调平台(12)与所述双帧相机相连，用于精调所述红外相机或双帧相机的拍摄位置并辅助对焦。

6.一种权利要求1-5任一项所述的测量系统的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)将待测量工件的两个表面分别进行喷漆处理和喷砂处理，所述喷漆处理用于辅助所述红外相机的成像，所述喷砂处理用于在所述测量工件的表面形成散斑，所述双帧相机根据所述散斑的位移计算待测量工件的位移场；

(b)在机床的刀具夹具和工件夹具上分别固定刀具和待测量工件，开始进行高速切削，所述位置传感器检测所述待测量工件的位置，当其达到预设位置时，所述位置传感器向所述信号同步触发模块发出开始测量的信号；

(c)所述信号同步触发模块收到开始测量的信号后，根据其中预设的时间延迟分别控制所述测力仪、红外相机和双帧相机开始测量，以此在所述信号采集模块中获得待测量工件在高速切削过程中的切削力、温度场以及两张照片；

(d)根据所述两张照片中的所述散斑的位移计算获得待测量工件的位移场，同时根据在步骤(c)中获得的高速切削过程中的切削力和温度场，由所述两张照片的拍摄时间获得拍摄时所对应的切削力和温度，以此实现待测量工件在高速切削过程中切削力、温度和位移场的在线测量。