[發明專利]數字圖像相關法測量高速正交切削過程應變裝置及方法

有效

• 申請號: 201310340274.0
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103394973A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 萬熠;門博;張蕊;劉戰強;史振宇;任小平
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23Q17/24
• 分類號: B23Q17/24;B23Q17/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王吉勇

技術領域

本發明涉及一種數字圖像相關法應變測量的方法，具體的說是數字圖像相關法測量高速正交切削過程應變裝置及方法。

背景技術

目前，繼CNC技術之后，高速切削加工給機械制造業帶來了又一次革命性的變化。其巨大的吸引力在于實現高效加工的同時，達到了原來普通數控難以達到的加工精度和表面質量。但是，與傳統金屬切削不同，在高速切削過程中，包含更為復雜的熱、力、機械及其耦合現象，如切削過程中工件劇烈的塑性變形，刀具和工件的瞬態接觸，切屑和工件的分離等。特別是切削過程中的工件變形，對整個切削加工過程的影響非常顯著。不僅影響工件的加工質量，比如表面粗糙度、表面殘余應力和尺寸精度，而且會影響刀具的使用壽命。因此，研究高速切削中工件的變形，對提高高速切削加工的加工精度、保證加工質量、提高生產效率都有現實的意義。然而，由于金屬切削變形的行成原因錯綜復雜，影響因素紛繁交錯，導致其研究與監測非常困難，現有的研究方法多集中于有限元仿真以及使用一些傳統的變形或位移測量阻抗式傳感器（比如引伸計和線性位移傳感器LVDT等），難以實現整體變形和測量范圍內各點在任一時刻具體位移的全面測量，具有很多的局限性。高速切削時，應變率能到10⁵以上，傳統的測量方法很難達到。

國內許多學者對數字圖像方法的基礎理論方面有了較深的研究，如清華大學金觀昌教授等，但尚未進行系統研究后的產品開發。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種數字圖像相關法測量高速正交切削過程應變裝置及方法，該方法是一種光學測量方法，通過對變形前后采集的工件表面兩幅圖像進行處理，通過計算來實現對物體變形場（位移場）的測量。它彌補了當前變形測量方法的不足，可以實現非接觸測量、全場測量、實時測量等，且測量準確度高，操作簡單便利。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種數字圖像相關法測量高速正交切削過程應變裝置，包括第一高速數字攝像機和第二高速數字攝像機，第一高速數字攝像機和第二高速數字攝像機上分別相對設有第一成像鏡頭和第二成像鏡頭，第一高速數字攝像機和第二高速數字攝像機之間設有正對工件的冷光源，第一高速數字攝像機、第二高速數字攝像機和冷光源均安裝于由三角架、導軌和平臺組成的支座系統上，且第一高速數字攝像機和第二高速數字攝像機通過數據線與計算機相連。

所述支座系統的導軌安裝于平臺側面上，平臺安裝于三角架上，第一高速數字攝像機、第二高速數字攝像機和冷光源均安裝于導軌上。

所述兩個高速數字攝像機的軸線之間的角度是25°。

所述冷光源為150W。

一種利用數字圖像相關法測量高速正交切削過程應變裝置的測量方法，采用數字圖像相關方法，結合雙目立體視覺技術，采用兩個高速攝像機，實時采集正交切削中工件的各個變形階段的數字散斑圖像，然后用計算機處理系統計算出工件的應變和變形，具體實施步驟如下：

1）采用正交車削實驗前將工件表面涂成白色，然后在白色背景上噴涂黑色斑點，做好點陣的標記，作為后續處理的散斑圖，為了保證測量精度，應使散斑圖中的散斑顆粒的平均直徑為2～3像素，散斑圖像尺寸為1024×1024像素；

2）在測量現場，構建由兩臺高速數字攝像機組成的三維數字成像采集設備，設備的位置相對固定，到目標工件的距離為350mm，并在現場放置一冷光源；打開冷光源，用標定板將高速數字攝像機標定，標定結果是0.0353mm/pixel，視場是128mm×96mm；

3）在數控車床上對前述處理的工件做高速正交切削，用兩臺高速數字攝像機從側面實時對加工表面進行攝像監測，采集工件表面變形前后的散斑圖，視頻采集的幀頻為1～50000fps；

4）車削加工停止，圖像采集完畢，將數據發送至計算機，通過用計算機處理系統處理所獲得的圖像和數字數據。

經試驗驗證，應變測量范圍為0.01%～1000%。

所述步驟4）中，用高速數字攝像機采集工件變形前后的兩幅數字散斑圖并存入計算機，將兩幅相應的散斑圖相加得到一幅雙曝光的散斑圖，然后對它進行兩次傅里葉變換，在第二次傅里葉變換的輸出面上就得到一個主峰和兩個次峰，對峰值坐標檢測就能夠得到變形量。

本發明的有益效果是：

采用數字圖像相關方法對高速切削中的變形進行測量，可以克服傳統的阻抗式測量系統的缺陷，實現整體變形和測量范圍內各點在任一時刻具體位移的全面測量。具體表面在以下方面：