CN206944946U - 基于dic技术与红外摄像技术的高速切削变形测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于DIC技术与红外摄像技术的高速切削变形测量装置，装置包括CCD摄像机、双CCD红外摄像机、工件、刀具、远心工业镜头、带通光学滤波片、采集卡、单色照明光源、支座系统以及用于数字采集和图像处理的计算机；关键点是：将数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场；在CCD摄像机镜头前安装带通光学滤波片，它有效降低高温物体热辐射对摄像机采集图像亮度增强的影响；CCD相机镜头为远心工业镜头，该镜头可以避免因物距太长导致图像采集困难或成像质量低。本实用新型能够同时获得力、热载荷作用下的已加工表面的三维变形场和温度场，并将它们实时同步显示在屏幕上，便于及时分析比较力、热对已加工表面的影响。

Description

基于DIC技术与红外摄像技术的高速切削变形测量装置

技术领域

本发明涉及一种高温数字散斑技术应变测量，具体的说是基于DIC技术与红外摄像技术的高速切削变形测量装置。

背景技术

与传统金属切削加工相比，高速切削加工技术是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，具有加工精度高、加工效率高、简化加工工序等优点，能够通过高生产率来降低生产成本以及通过缩短生产时间和交货时间提高整体竞争力。在高速切削过程中，由于存在复杂的力、热载荷作用，工件会发生变形，不仅影响工件的加工质量（表面粗糙度、表面残余应力和尺寸精度等），而且对刀具的寿命也有重要的影响。切削温度是高速切削一个重要的参数指标，由于切削时所消耗的能量大部分转化为热能，因此，切削热直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和加工表面的完整性。因此，研究高速切削中工件的变形与温度场的分布，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，当前有关金属切削变形测量的研究方法主要是有限元仿真以及用传统的测量方法，如引伸计等，由于需要粘贴应变片，对测量结果的准确性有一定影响。而且传统方法无法实现实时测量、全场测量。有关切削温度测量也主要集中在利用热电偶法与光学测温法等，热电偶法需在工件上开孔，不仅损伤工件而且影响测量结果，测量过程也很繁琐。光学测温法的时间表面辐射系数不稳定，会受表面温度、粗糙度和相变等的影响。

利用数字图像相关法测变形是一种新的方法，它实现了一般情况下的非接触测量，利用物体表面自然纹理或者喷涂散斑，用相机记录变形前后的散斑图像，由数字相关算法求解出位移场。目前，许多学者对其理论和应用进行了研究，比如万熠、门博等人。红外摄像测温法具有非接触测量、实时测量、不需计算推导、不会干扰被测温度场的状态的优点。当前对高速切削加工变形测量和切削温度测量的研究主要集中在某一方面，需要分别测量，没有将二者结合起来，不利于探究两者的相互影响以及它们的耦合作用对加工表面质量的影响。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种高温三维数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场的装置及方法。将CCD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，通过智能神经网络算法就能够得到变形量。将双CCD红外摄像机拍摄的原始图像导入计算机和采集卡进行滤波、伪着色等图像处理，得到了已加工表面的温度场图。本发明能够同时获得力、热载荷作用下的已加工表面的三维变形场和温度场，并将它们实时同步显示在屏幕上，便于及时分析比较力、热对已加工表面的影响。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。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案 ：

一种高温三维数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场的装置，其特征是：它包括CCD摄像机、远心工业镜头、带通光学滤波片、双CCD红外摄像机、单色照明光源，和由三角架、导轨和平移台组成的支座系统以及用于数字图像采集和分析处理的计算机；其位置连接关系是：CCD摄像机螺孔位于其正下方，通过螺孔、螺钉将CCD摄像机固定在三角架上端的平移台上，平移台安装在导轨上；调节平移台上的旋转钮，可以调整摄像机面向的方位和俯仰角度；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架上端的导轨调整摄像机的高度；摄像机通过数据线与计算机相连。

所述两个CCD摄像机镜头的轴线之间的角度是25°。

所述远心工业镜头的数量是2件，该镜头可以避免因物距太长导致图像采集困难或成像质量低。

所述带通光学滤波片的数量是2件。

所述单色照明光源为140W，数量是2件，对称放置，通过铰链结构可以改变单色照明光源的高度和角度。

一种高温三维数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场的装置，经试验验证，应变测量范围为0.01%～1000%。温度测量范围为20°C~900°C。

本发明的有益效果是 ：

采用高温三维数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场与传统测量方法相比具有以下优点：

1)非接触测量 ：不需要粘贴应变片，不需要设置繁杂的线路，不需在工件上开孔，对工件无损伤，有效降低了因为与工件接触而导致的测量误差。

2)实时测量：能够测量切削过程中任意时刻工件的变形量和温度场。

3)测量精度高：在CCD摄像机镜头前安装带通光学滤波片，它有效降低高温物体热辐射对摄像机采集图像亮度增强的影响；CCD相机镜头为远心工业镜头，该镜头可以避免因物距太长导致图像采集困难或成像质量低。测试的精度最高可达 0.01～0.001像素。测温精度为+/-2%。

4)本发明能够同时获得力、热载荷作用下的已加工表面的三维变形场和温度场，并将它们实时同步显示在屏幕上，便于及时分析比较力、热对已加工表面的影响。

附图说明

图1是被涂上高温数字散斑后的工件示意图；

图2是测量装置示意图；

图3是基于高温数字散斑与红外摄像技术的高速切削变形测试装置示意图；

图中符号说明如下：1.工件；2.刀具；3.带通光学滤波片；4.远心工业镜头；5.单色照明光源；6.CCD相机；7.双CCD红外摄像机；8.计算机；9.采集卡。图1中的黑色斑点代表喷涂之后的高温散斑。

具体实施方式

施例对本发明进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

一种高温三维数字图像相关法与红外摄像法相结合来测量高速切削应变和温度场的装置，其特点是利用三维数字图像相关方法计算不同状态下工件表面的三维变形场以及用红外摄像法测量切削温度场。本发明能够同时获得力、热载荷作用下的已加工表面的三维变形场和温度场，并将它们实时同步显示在屏幕上，便于及时分析比较力、热对已加工表面的影响。

其中，工件在加工前要喷涂高温散斑图像，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1.工件；2.刀具；3.带通光学滤波片；4.远心工业镜头；5.单色照明光源；6.CCD相机；7.双CCD红外摄像机；8.计算机；9.采集卡。5.单色照明光源、6.CCD相机、7.双CCD红外摄像机安装在支座系统的导轨上。

CCD摄像机螺孔位于其正下方，通过螺孔、螺钉将CCD摄像机固定在三角架上端的平移台上，平移台安装在导轨上；调节平移台上的旋转钮，可以调整摄像机面向的方位和俯仰角度；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架上端的导轨调整摄像机的高度；摄像机通过数据线与计算机相连。

其中，两个CCD摄像机的安装之间的角度是25°，红外摄像机处于两台CCD摄像机之间，其轴线与工件轴线重合，镜头到工件之间的距离为360mm，冷光源功率140W。

实施例

车床上进行干切削，用数字图像法测量工件的变形及红外摄像法测量切削温度场。首先是在工件1上制作散斑图；然后将工件1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132mm×98mm。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3000转/分，切削深度1.5mm，进给量是0.1mm/转。刀具2车削工件1产生切屑10。在加工时，同时开启CCD相机与双CCD红外摄像机进行图像采集，用3台摄像机随时监控喷涂散斑图的工件表面，CCD摄像机为MantaG-235B。双CCD红外摄像机为HS-808。

图像采集完毕之后，用计算机与采集卡对图像数据进行处理，就能得到切削变形场和切削温度场。

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 (5)

1.一种基于DIC技术与红外摄像技术的高速切削变形测量装置，其特征是，它主要包括三大单元：第一图形采集单元：包括CCD摄像机、双CCD红外摄像机、远心工业镜头、带通光学滤波片、采集卡；第二图像处理单元：包括计算机；第三辅助单元：包括单色照明光源、支座系统由三角架、导轨和平移台组成；其位置连接关系是：红外摄像机的螺孔位于其正下方，通过螺孔、螺钉将红外摄像机固定在三角架上端的正中间的平移台上，该平移台安装在导轨上，红外摄像机面向的方位和俯仰角度的变化可以通过调节平移台上的旋转钮来实现；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架上端的导轨调整红外摄像机的高度；红外摄像机通过数据线与计算机相连；带通光学滤波片带通光学滤波片通过其外圈的外螺纹与成像镜头的内螺纹连接到一起；远心工业镜头安装在CCD摄像机上；CCD摄像机螺孔位于其正下方，通过螺孔、螺钉将两个CCD摄像机固定在三角架上部的平移台上，该平移台安装在导轨的两端，两个CCD摄像机关于红外摄像机对称放置；调节平移台上的旋转钮，可以调整摄像机面向的方位和俯仰角度；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架上端的导轨调整摄像机的高度；摄像机通过数据线与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该CCD摄像机的数量是2件，对称放置，其分辨率根据测量精度选定。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该远心工业镜头的数量是2件，该镜头可以避免因物距太长导致图像采集困难或成像质量低，它根据放大倍数和物距选定。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该带通光学滤波片的数量是2件。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：单色照明光源的数量是2件，140W，对称放置，通过铰链结构可以改变单色照明光源的高度和角度。