[实用新型]基于数字图像相关法的高速正交切削过程应变测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种数字图像相关法应变测量装置，具体的说是基于数字图像相关法的高速正交切削过程应变测量装置。

背景技术

目前，继CNC技术之后，高速切削加工给机械制造业带来了又一次革命性的变化。其巨大的吸引力在于实现高效加工的同时，达到了原来普通数控难以达到的加工精度和表面质量。但是，与传统金属切削不同，在高速切削过程中，包含更为复杂的热、力、机械及其耦合现象，如切削过程中工件剧烈的塑性变形，刀具和工件的瞬态接触，切屑和工件的分离等。特别是切削过程中的工件变形，对整个切削加工过程的影响非常显著。不仅影响工件的加工质量，比如表面粗糙度、表面残余应力和尺寸精度，而且会影响刀具的使用寿命。因此，研究高速切削中工件的变形，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，由于金属切削变形的行成原因错综复杂，影响因素纷繁交错，导致其研究与监测非常困难，现有的研究方法多集中于有限元仿真以及使用一些传统的变形或位移测量阻抗式传感器（比如引伸计和线性位移传感器LVDT等），难以实现整体变形和测量范围内各点在任一时刻具体位移的全面测量，具有很多的局限性。高速切削时，应变率能到10⁵以上，传统的测量方法很难达到。

国内许多学者对数字图像方法的基础理论方面有了较深的研究，如清华大学金观昌教授等，但尚未进行系统研究后的产品开发。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于数字图像相关法的高速正交切削过程应变测量装置，利用该装置通过对变形前后采集的工件表面两幅图像进行处理，通过计算来实现对物体变形场（位移场）的测量。它弥补了当前变形测量的不足，可以实现非接触测量、全场测量、实时测量等，且测量准确度高，操作简单便利。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种基于数字图像相关法的高速正交切削过程应变测量装置，包括第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机上分别相对设有第一成像镜头和第二成像镜头，第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机之间设有正对工件的冷光源，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于由三角架、导轨和平台组成的支座系统上，且第一高速数字摄像机和第二高速数字摄像机通过数据线与计算机相连。

所述支座系统的导轨安装于平台侧面上，平台安装于三角架上，第一高速数字摄像机、第二高速数字摄像机和冷光源均安装于导轨上。

所述两个高速数字摄像机的轴线之间的角度是25°。

所述冷光源为150W。

基于数字图像相关法的高速正交切削过程应变测量方法，采用数字图像相关方法，结合双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机，实时采集正交切削中工件的各个变形阶段的数字散斑图像，然后用计算机处理系统计算出工件的应变和变形，具体实施步骤如下：

1）采用正交车削实验前将工件表面涂成白色，然后在白色背景上喷涂黑色斑点，做好点阵的标记，作为后续处理的散斑图，为了保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为2～3像素，散斑图像尺寸为1024×1024像素；

2）在测量现场，构建由两台高速数字摄像机组成的三维数字成像采集设备，设备的位置相对固定，到目标工件的距离为350mm，并在现场放置一冷光源；打开冷光源，用标定板将高速数字摄像机标定，标定结果是0.0353mm/pixel，视场是128mm×96mm；

3）在数控车床上对前述处理的工件做高速正交切削，用两台高速数字摄像机从侧面实时对加工表面进行摄像监测，采集工件表面变形前后的散斑图，视频采集的帧频为1～50000fps；

4）车削加工停止，图像采集完毕，将数据发送至计算机，通过用计算机处理系统处理所获得的图像和数字数据；用高速数字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，将两幅相应的散斑图相加得到一幅双曝光的散斑图，然后对它进行两次傅里叶变换，在第二次傅里叶变换的输出面上就得到一个主峰和两个次峰，对峰值坐标检测就能够得到变形量。

经试验验证，应变测量范围为0.01%～1000%。

本实用新型的有益效果是：

采用该装置利用数字图像相关方法对高速切削中的变形进行测量，可以克服传统的阻抗式测量系统的缺陷，实现整体变形和测量范围内各点在任一时刻具体位移的全面测量。具体表面在以下方面：