一种二维测量高温高速切削变形的装置的制作方法

本发明涉及一种高温数字散斑技术应变测量，具体说是高温数字散斑技术与红外热像仪技术相结合测量高速切削应变场和温度场的装置。

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，热电偶法需在工件上开孔，不仅有损伤而且影响测量结果，测量过程也很繁琐。

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。红外热像仪测温法具有非接触测量、直观、不受电磁干扰、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。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种高温二维数字图像相关法与红外热像仪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。将接收到的红外波段的热辐射能量转换为电信号，经过放大，整形，数/模转换后成为数字信号，在显示器上通过图像显示，经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二维变形场和温度场，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 ：

一种高温二维数字图像相关法与红外热像仪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、红外热像仪、单色照明光源，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，将单色照明光源安装在导轨两端；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CCD摄像机镜头的轴线与工件的轴线重合。

所述远心工业镜头的数量是1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1件。

所述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。

一种高温二维数字图像相关法与红外热像仪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-40°C~2000°C。

本发明的有益效果是 ：

采用高温二维数字图像相关法与红外热像仪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二维变形场和温度场，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是红外热像仪测温装置示意图；

图3是基于高温数字散斑与红外热像仪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.红外热像仪；8.计算机；9.采集卡；10.切屑；11.高温散斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种高温二维数字图像相关法与红外热像仪相结合来测量高速切削应变和温度场的装置，其特点是利用二维数字图像相关方法计算不同状态下工件表面的二维变形场以及用红外热像仪测量切削温度场。本发明能够同时获得力、热载荷作用下的已加工表面的二维变形场和温度场，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.红外热像仪；8.计算机；9.采集卡。

5.单色照明光源、6.CCD相机、7.红外热像仪安装在支座系统的导轨上。

CCD摄像机螺孔位于其右下方，通过螺孔、螺钉将CCD摄像机和红外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，CCD摄像机轴线与工件的轴线重合，红外热像仪的轴线与CCD摄像机的轴线在同一水平面，CCD摄像机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

在高速车床上进行干切削，用数字图像法测量工件的变形及红外热像仪测量切削温度场。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相机与红外热像仪进行图像采集，用2台摄像机随时监控喷涂散斑图的工件表面。

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。