一种机械加工中高速显微摄影的观测方法

摘要

本发明一种机械加工中高速显微摄影的观测方法属于机械加工技术领域，涉及一种机械加工过程的高速显微摄影观测方法，特别适合用于钻削、铣削等传统切削加工中。观测方法中，平台的布局方案使用X向位移滑台和Y向位移滑台实现相机焦距粗调，使用Y向精密位移平台实现相机焦距精调，使用旋转平台实现相机拍摄角度调节，光源布局采用环状光源和成对使用板状光源相结合的方式，保证拍摄区域亮度。该发明可精确调整摄影机和待测区域间距离和角度,降低观测准备时间，提高观测效率，克服加工过程中机床振动对于拍摄的不利影响。平台的布局方案具有很强的通用性，结构简单，能够对钻削、铣削等实际加工过程进行精确观测。

说明书

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种机械加工过程的高速显微摄影观测方法，特别适合用于钻削、铣削等传统切削加工中。

技术背景

钻削、铣削等切削加工过程是现代工业生产的重要环节，其加工的效率和质量与最终产品的经济性和功能性直接相关。高速显微摄影观测可以直接观察到切削过程中的切屑以及加工损伤的形成过程，但这种方法的实施有很大难度，需要解决光源强度、相机安装及调整等一些列问题。

一些学者对钻削过程进行了高速显微摄影观测，如Yasuhiro Kakinuma等人发表的论文“Ultrafast Feed Drilling of Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastics[C].Procedia CIRP,2015，35：91–95.”,描述了从侧向对钻削CFRP材料出后的动态观测，然而并未给出测量装置的信息，且其拍摄图像清晰度较低，观测角度有限，其观测结果还属于宏观测量的范围。大连理工大学王福吉等人公开了“一种制孔加工出口观测的实验装置及方法”，专利申请号：CN201510506132.6，这种装置使用相机镜头结构以外的光源进行照明，光源对观测部位容易形成角度较大的镜面反射，导致光不能被摄像的感光原件接收，使被拍摄物体亮度降低，不利于高拍摄帧频下的观测，然而为清晰观测材料切削状态，需要进行景深极小的微距观测，但此实验装置不能精确调节相机和拍摄板材之间的距离，难以进行微距观测。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明了一种适用于机械加工过程的高速显微摄影观测方法，实现切削加工过程的高速显微摄影观测。该方法使用多级位移调整装置、角度调整装置、多种类型光源，能够灵活调整拍摄焦距和拍摄角度以及不同放大倍率下的视场亮度，具有同时适应宏观和细观测量、调整精度高、观测清晰度高等优点，能够满足切削加工过程研究的需求。

本发明采用的技术法案是一种机械加工中高速显微摄影的观测方法，其特征是，平台的布局方案使用X向位移滑台和Y向位移滑台实现摄像机焦距粗调，使用Y向精密位移平台实现摄像机焦距精调，使用旋转平台实现摄像机拍摄角度调节，光源布局采用环状光源和成对使用板状光源相结合的方式，保证拍摄区域亮度；观测方法的具体步骤如下：

第一步安装高速摄像机及其调节装置：

将Y向位移滑台13安装于机床工作台3上，X向位移滑台12安装于Y向位移滑台13上，Y向精密调节平台11安装于X向位移滑台12上，旋转平台10安装于Y向精密调节平台11上，高速摄像机9安装于Y向精密调节平台上10，镜头8安装于高速摄像机9上；

第二步安装工件及其夹紧装置：

将基块16安装于机床工作台3上，虎钳15安装于基块16上，夹具14安装于虎钳15上，工件5安装于夹具14上；

第三步安装光源：

环状光源7安装于镜头8上，为保证亮度均匀，板状光源应成对使用，以获得高清晰度的拍摄结果；左板状光源6₁，右板状光源6₂垂直于机床工作台3平面，左板状光源6₁中点距离观测位置中心距离L₁和右板状光源6₂中点距离观测位置中心的距离L₂相等，板状光源6₁中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₁和板状光源6₂中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₂相等，在不使用环状光源7时，θ₁、θ₂的范围在60°-0°之间，在使用环状光源7时，θ₁、θ₂的范围在60°-90°之间，L₁，L₂不超过板状光源高度值的一半；

第四步调节光源亮度及相机位置：

通过调整旋转平台11、X向位移滑台13，Y向位移滑台14的位置将相机镜头8对正拍摄区域；打开高速摄像机9，输入拍摄参数，打开左板状光源6₁、右板状光源6₂、环状光源7；检查视场亮度、光源是否遮挡相机视场；并通过控制光源电流大小调节光源亮度，若亮度过低，成对增加左板状光源6₁、右板状光源6₂，提高视场亮度；若视场亮度过高，依次调节环状光源7、左板状光源6₁和右板状光源6₂；若视场亮度不均，调节左板状光源6₁中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₁,右板状光源6₂中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₂；

第五步调节拍摄焦距：

使用Y向精密调节平台11调整高速摄像机9与拍摄区域之间的距离，直至出现最清晰的图像；减小相机和观测区域之间的距离，直至成像质量不满足观测要求，记录此位置x₁；反向调节相机，直至成像质量不满足观测要求，记录此位置x₂；调整摄像机位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)；

第六步开动机床进行加工，用高速摄影机观测：

锁紧旋转平台10、Y向精密调节平台11、X向位移滑台12、Y向位移滑台13，输入摄影机拍摄参数、确认视场亮度；开动机床进行加工，用高速摄影机9进行观测。

本发明的有益的效果是该发明能够精确调整摄影机和待测区域间的距离和角度,大大降低观测准备时间，提高观测效率，克服加工过程中机床振动对于拍摄的不利影响。该发明的光源布局采用环状光源和板状光源相结合的方法，可以灵活适应宏观和细观观测拍摄要求，避免工件镜面反射带来的阴影问题，保证拍摄区域亮度均匀；平台的布局方案具有很强的通用性，结构简单，可以通过简单的连接装置安装于各种加工设备，能够对钻削、铣削等实际加工过程进行观测。

附图说明

图1是实施方式中加工装置和观测装置布局的轴测图。其中，1-机床主轴，2-角度头，3-机床工作台，4-钻头，5-工件，6₁-左板状光源，6₂-右板状光源，7-环状光源，8-镜头，9-高速摄像机，10-旋转平台，11-Y向精密调节平台，12-X向位移滑台，13-Y向位移滑台，14-夹具，15-虎钳,16-基块。

图2是光源布局示意图。其中，L₁左板状光源6₁中点距离观测位置中心距离，L₂-右板状光源6₂中点距离观测位置中心的距离，θ₁-左板状光源6₁中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角,θ₂-右板状光源6₂中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角。

图3是2000帧下，直径8mm的钻头实际加工效果图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

图1是实施方式中加工装置和观测装置布局的轴测图，本实施例是在立式加工中心上对钻削过程进行观测。

观测方法的具体步骤如下：

1)安装钻头：角度头2安装于机床主轴1上，钻头4安装于角度头2上。

2)安装高速摄像机及其调节装置：Y向位移滑台13安装于机床工作台3上，X向位移滑台12安装于Y向位移滑台13上，Y向精密调节平台11安装于X向位移滑台12上，旋转平台10安装于Y向精密调节平台11上，高速摄像机9安装于Y向精密调节平台上10，镜头8安装于高速摄像机9上。

3)安装工件及其夹紧装置：基块16安装于机床工作台3上，虎钳15安装于基块16上，夹具14安装于虎钳15上，工件5安装于夹具14上。

4)安装光源：环状光源7安装于镜头8上。板状光源应成对使用，以保证亮度均匀，获得高清晰度的拍摄结果。如图1、图2所示，左板状光源6₁，右板状光源6₂垂直于机床工作台3平面，左板状光源6₁中点距离观测位置中心距离L₁和右板状光源6₂中点距离观测位置中心的距离L₂相等，板状光源6₁中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₁和板状光源6₂中点与观测位置中心连线与镜头8轴线夹角θ₂相等，θ₁、θ₂选择为55°，L₁，L₂不超过板状光源选择为板状光源6₁高度值的三分之一。

5)调节光源亮度及摄像机位置：通过旋转平台11、X向位移滑台13，Y向位移滑台14将摄像机镜头8对正拍摄区域。打开高速摄像机9，输入拍摄参数，打开左板状光源6₁、右板状光源6₂、环状光源7。检查视场亮度、光源是否遮挡摄像机视场。并通过控制光源电流大小调节光源亮度。若亮度过低，成对增加左板状光源6₁、右板状光源6₂，提高视场亮度。若视场亮度过高，依次环状光源7、左板状光源6₁、右板状光源6₂。若视场亮度不均，调节θ₁、θ₂的大小。

6)调节拍摄焦距：使用Y向精密调节平台11调整高速摄像机9与拍摄区域之间的距离，直至出现最清晰的图像；减小摄像机和观测区域之间的距离,直至成像质量不满足观测要求，记录此位置x₁；反向调节摄像机，直至成像质量不满足观测要求，记录此位置x₂；调整摄像机位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)。

7)开动机床进行加工，进行高速摄影观测：锁紧旋转平台10、Y向精密调节平台11、X向位移滑台12、Y向位移滑台13，输入摄像机拍摄参数、确认视场亮度，用高速摄影机9进行观测。

本发明的具体测试结果在2000帧下，用直径8mm毫米的钻头加工时，用高速摄影机拍摄出的效果如图3所示。拍摄效果照片的分辨率超过20微米，可以清楚的观察到孔壁边缘的撕裂、分层、毛刺的形成过程。