本發(fā)明屬于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機(jī)械加工過(guò)程的高速顯微攝影觀測(cè)方法，特別適合用于鉆削、銑削等傳統(tǒng)切削加工中。

技術(shù)背景

鉆削、銑削等切削加工過(guò)程是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其加工的效率和質(zhì)量與最終產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和功能性直接相關(guān)。高速顯微攝影觀測(cè)可以直接觀察到切削過(guò)程中的切屑以及加工損傷的形成過(guò)程，但這種方法的實(shí)施有很大難度，需要解決光源強(qiáng)度、相機(jī)安裝及調(diào)整等一些列問(wèn)題。

一些學(xué)者對(duì)鉆削過(guò)程進(jìn)行了高速顯微攝影觀測(cè)，如Yasuhiro Kakinuma等人發(fā)表的論文“Ultrafast Feed Drilling of Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastics[C].Procedia CIRP,2015，35：91–95.”,描述了從側(cè)向?qū)︺@削CFRP材料出后的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，然而并未給出測(cè)量裝置的信息，且其拍攝圖像清晰度較低，觀測(cè)角度有限，其觀測(cè)結(jié)果還屬于宏觀測(cè)量的范圍。大連理工大學(xué)王福吉等人公開(kāi)了“一種制孔加工出口觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置及方法”，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201510506132.6，這種裝置使用相機(jī)鏡頭結(jié)構(gòu)以外的光源進(jìn)行照明，光源對(duì)觀測(cè)部位容易形成角度較大的鏡面反射，導(dǎo)致光不能被攝像的感光原件接收，使被拍攝物體亮度降低，不利于高拍攝幀頻下的觀測(cè)，然而為清晰觀測(cè)材料切削狀態(tài)，需要進(jìn)行景深極小的微距觀測(cè)，但此實(shí)驗(yàn)裝置不能精確調(diào)節(jié)相機(jī)和拍攝板材之間的距離，難以進(jìn)行微距觀測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明了一種適用于機(jī)械加工過(guò)程的高速顯微攝影觀測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)切削加工過(guò)程的高速顯微攝影觀測(cè)。該方法使用多級(jí)位移調(diào)整裝置、角度調(diào)整裝置、多種類(lèi)型光源，能夠靈活調(diào)整拍攝焦距和拍攝角度以及不同放大倍率下的視場(chǎng)亮度，具有同時(shí)適應(yīng)宏觀和細(xì)觀測(cè)量、調(diào)整精度高、觀測(cè)清晰度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足切削加工過(guò)程研究的需求。

本發(fā)明采用的技術(shù)法案是一種機(jī)械加工中高速顯微攝影的觀測(cè)方法，其特征是，平臺(tái)的布局方案使用X向位移滑臺(tái)和Y向位移滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)焦距粗調(diào)，使用Y向精密位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)焦距精調(diào)，使用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)拍攝角度調(diào)節(jié)，光源布局采用環(huán)狀光源和成對(duì)使用板狀光源相結(jié)合的方式，保證拍攝區(qū)域亮度；觀測(cè)方法的具體步驟如下：

第一步安裝高速攝像機(jī)及其調(diào)節(jié)裝置：

將Y向位移滑臺(tái)13安裝于機(jī)床工作臺(tái)3上，X向位移滑臺(tái)12安裝于Y向位移滑臺(tái)13上，Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11安裝于X向位移滑臺(tái)12上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10安裝于Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11上，高速攝像機(jī)9安裝于Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)上10，鏡頭8安裝于高速攝像機(jī)9上；

第二步安裝工件及其夾緊裝置：

將基塊16安裝于機(jī)床工作臺(tái)3上，虎鉗15安裝于基塊16上，夾具14安裝于虎鉗15上，工件5安裝于夾具14上；

第三步安裝光源：

環(huán)狀光源7安裝于鏡頭8上，為保證亮度均勻，板狀光源應(yīng)成對(duì)使用，以獲得高清晰度的拍攝結(jié)果；左板狀光源6₁，右板狀光源6₂垂直于機(jī)床工作臺(tái)3平面，左板狀光源6₁中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心距離L₁和右板狀光源6₂中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心的距離L₂相等，板狀光源6₁中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁和板狀光源6₂中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₂相等，在不使用環(huán)狀光源7時(shí)，θ₁、θ₂的范圍在60°-0°之間，在使用環(huán)狀光源7時(shí)，θ₁、θ₂的范圍在60°-90°之間，L₁，L₂不超過(guò)板狀光源高度值的一半；

第四步調(diào)節(jié)光源亮度及相機(jī)位置：

通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺(tái)11、X向位移滑臺(tái)13，Y向位移滑臺(tái)14的位置將相機(jī)鏡頭8對(duì)正拍攝區(qū)域；打開(kāi)高速攝像機(jī)9，輸入拍攝參數(shù)，打開(kāi)左板狀光源6₁、右板狀光源6₂、環(huán)狀光源7；檢查視場(chǎng)亮度、光源是否遮擋相機(jī)視場(chǎng)；并通過(guò)控制光源電流大小調(diào)節(jié)光源亮度，若亮度過(guò)低，成對(duì)增加左板狀光源6₁、右板狀光源6₂，提高視場(chǎng)亮度；若視場(chǎng)亮度過(guò)高，依次調(diào)節(jié)環(huán)狀光源7、左板狀光源6₁和右板狀光源6₂；若視場(chǎng)亮度不均，調(diào)節(jié)左板狀光源6₁中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁,右板狀光源6₂中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₂；

第五步調(diào)節(jié)拍攝焦距：

使用Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11調(diào)整高速攝像機(jī)9與拍攝區(qū)域之間的距離，直至出現(xiàn)最清晰的圖像；減小相機(jī)和觀測(cè)區(qū)域之間的距離，直至成像質(zhì)量不滿足觀測(cè)要求，記錄此位置x₁；反向調(diào)節(jié)相機(jī)，直至成像質(zhì)量不滿足觀測(cè)要求，記錄此位置x₂；調(diào)整攝像機(jī)位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)；

第六步開(kāi)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工，用高速攝影機(jī)觀測(cè)：

鎖緊旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10、Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11、X向位移滑臺(tái)12、Y向位移滑臺(tái)13，輸入攝影機(jī)拍攝參數(shù)、確認(rèn)視場(chǎng)亮度；開(kāi)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工，用高速攝影機(jī)9進(jìn)行觀測(cè)。

本發(fā)明的有益的效果是該發(fā)明能夠精確調(diào)整攝影機(jī)和待測(cè)區(qū)域間的距離和角度,大大降低觀測(cè)準(zhǔn)備時(shí)間，提高觀測(cè)效率，克服加工過(guò)程中機(jī)床振動(dòng)對(duì)于拍攝的不利影響。該發(fā)明的光源布局采用環(huán)狀光源和板狀光源相結(jié)合的方法，可以靈活適應(yīng)宏觀和細(xì)觀觀測(cè)拍攝要求，避免工件鏡面反射帶來(lái)的陰影問(wèn)題，保證拍攝區(qū)域亮度均勻；平臺(tái)的布局方案具有很強(qiáng)的通用性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的連接裝置安裝于各種加工設(shè)備，能夠?qū)︺@削、銑削等實(shí)際加工過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施方式中加工裝置和觀測(cè)裝置布局的軸測(cè)圖。其中，1-機(jī)床主軸，2-角度頭，3-機(jī)床工作臺(tái)，4-鉆頭，5-工件，6₁-左板狀光源，6₂-右板狀光源，7-環(huán)狀光源，8-鏡頭，9-高速攝像機(jī)，10-旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，11-Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)，12-X向位移滑臺(tái)，13-Y向位移滑臺(tái)，14-夾具，15-虎鉗,16-基塊。

圖2是光源布局示意圖。其中，L₁左板狀光源6₁中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心距離，L₂-右板狀光源6₂中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心的距離，θ₁-左板狀光源6₁中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角,θ₂-右板狀光源6₂中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角。

圖3是2000幀下，直徑8mm的鉆頭實(shí)際加工效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施。

圖1是實(shí)施方式中加工裝置和觀測(cè)裝置布局的軸測(cè)圖，本實(shí)施例是在立式加工中心上對(duì)鉆削過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。

觀測(cè)方法的具體步驟如下：

1)安裝鉆頭：角度頭2安裝于機(jī)床主軸1上，鉆頭4安裝于角度頭2上。

2)安裝高速攝像機(jī)及其調(diào)節(jié)裝置：Y向位移滑臺(tái)13安裝于機(jī)床工作臺(tái)3上，X向位移滑臺(tái)12安裝于Y向位移滑臺(tái)13上，Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11安裝于X向位移滑臺(tái)12上，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10安裝于Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11上，高速攝像機(jī)9安裝于Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)上10，鏡頭8安裝于高速攝像機(jī)9上。

3)安裝工件及其夾緊裝置：基塊16安裝于機(jī)床工作臺(tái)3上，虎鉗15安裝于基塊16上，夾具14安裝于虎鉗15上，工件5安裝于夾具14上。

4)安裝光源：環(huán)狀光源7安裝于鏡頭8上。板狀光源應(yīng)成對(duì)使用，以保證亮度均勻，獲得高清晰度的拍攝結(jié)果。如圖1、圖2所示，左板狀光源6₁，右板狀光源6₂垂直于機(jī)床工作臺(tái)3平面，左板狀光源6₁中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心距離L₁和右板狀光源6₂中點(diǎn)距離觀測(cè)位置中心的距離L₂相等，板狀光源6₁中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁和板狀光源6₂中點(diǎn)與觀測(cè)位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₂相等，θ₁、θ₂選擇為55°，L₁，L₂不超過(guò)板狀光源選擇為板狀光源6₁高度值的三分之一。

5)調(diào)節(jié)光源亮度及攝像機(jī)位置：通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)11、X向位移滑臺(tái)13，Y向位移滑臺(tái)14將攝像機(jī)鏡頭8對(duì)正拍攝區(qū)域。打開(kāi)高速攝像機(jī)9，輸入拍攝參數(shù)，打開(kāi)左板狀光源6₁、右板狀光源6₂、環(huán)狀光源7。檢查視場(chǎng)亮度、光源是否遮擋攝像機(jī)視場(chǎng)。并通過(guò)控制光源電流大小調(diào)節(jié)光源亮度。若亮度過(guò)低，成對(duì)增加左板狀光源6₁、右板狀光源6₂，提高視場(chǎng)亮度。若視場(chǎng)亮度過(guò)高，依次環(huán)狀光源7、左板狀光源6₁、右板狀光源6₂。若視場(chǎng)亮度不均，調(diào)節(jié)θ₁、θ₂的大小。

6)調(diào)節(jié)拍攝焦距：使用Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11調(diào)整高速攝像機(jī)9與拍攝區(qū)域之間的距離，直至出現(xiàn)最清晰的圖像；減小攝像機(jī)和觀測(cè)區(qū)域之間的距離,直至成像質(zhì)量不滿足觀測(cè)要求，記錄此位置x₁；反向調(diào)節(jié)攝像機(jī)，直至成像質(zhì)量不滿足觀測(cè)要求，記錄此位置x₂；調(diào)整攝像機(jī)位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)。

7)開(kāi)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工，進(jìn)行高速攝影觀測(cè)：鎖緊旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10、Y向精密調(diào)節(jié)平臺(tái)11、X向位移滑臺(tái)12、Y向位移滑臺(tái)13，輸入攝像機(jī)拍攝參數(shù)、確認(rèn)視場(chǎng)亮度，用高速攝影機(jī)9進(jìn)行觀測(cè)。

本發(fā)明的具體測(cè)試結(jié)果在2000幀下，用直徑8mm毫米的鉆頭加工時(shí)，用高速攝影機(jī)拍攝出的效果如圖3所示。拍攝效果照片的分辨率超過(guò)20微米，可以清楚的觀察到孔壁邊緣的撕裂、分層、毛刺的形成過(guò)程。