[发明专利]用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置

说明书

本发明属于精密切削加工测量相关技术领域，其公开了一种用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置，该装置包括：组合镜头系统，包括物镜、与物镜连接的分束器，物镜对准正交切削的区域，分束器用于透过红外光并且反射可见光，组合镜头系统还包括设于分束器的红外光路上的第一聚焦透镜和第一透镜以及设于分束器的可见光路上的第二聚焦透镜和第二透镜，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜设于伸缩套筒内，分束器与第二聚焦透镜之间设有中继镜；中波红外热像仪；可见光高速相机；控制装置；处理器，处理器对红外图像和可见光图像进行处理重构获得切削过程的变形场和温度场。本申请可以实现在微尺度上对温度场和变形场的成像采集，效率高精度高。

技术领域

本发明属于精密切削加工测量相关技术领域，更具体地，涉及一种用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置。

背景技术

近年来，随着产品小型化的需求日益增加，微小型元件在航空航天，医疗器械和光学通信等领域得到广泛的应用，其中，精密切削加工是实际生产微小型元件的重要加工技术手段之一。在精密切削加工中，加工尺度在微米级时，加工过程中刀具与工件之间的热力耦合作用会影响加工表面的质量和精度。为了进一步提高制造工艺水平，提高加工精度，需要结合加工过程中工件的变形和切削区域温度分布展开进一步分析。目前，针对加工过程中变形场和温度场的分析采用单一的切削过程解析建模和有限元仿真建模存在局限性，模型中常按照传统经验公式进行了假设以及简化，与实际加工情况有一定的偏差，特别是在研究新型材料切削加工机理时，传统的经验公式不能直接使用，此外，精密切削的有限元建模仿真计算量较大，因此需要借助其他技术来获取切削加工过程的数据，展开加工机理研究。

目前，非接触式测量方法得到了广泛的研究，其中，原位拍摄结合数字图像处理法(DIC)能够获取物体的动态变形过程，再现切削加工过程中切削形态变化以及刀尖切削区域位移、应变分布等数据。此外，采用非接触式红外热像仪测温能有效减少接触式测温中工件的贴片、打孔等操作对切削加工的影响。然而，这两种测量方法更多是分别单独用于切削加工过程的测量，无法获得变形场和温度场的同步变化规律。此外，现有的温度场合变形场同步测量装置和方法存在以下不足：(1)使用彩色CCD相机进行散斑图拍摄，再基于DIC方法或比色法运算，该类方法后期运算处理较为复杂，计算得到的温度场数据精度不高，不能满足精密切削加工要求，也无法在拍摄过程中直接看到切削区域温度场的变化情况；(2)采用CCD摄像机和红外热像仪同时拍摄的装置，在放大倍数达到20X以上时，无法同时聚焦到微尺寸的切削区域，此时相机物距小于50mm，使测量前的标定工作存在很大的难度。因此，亟需设计一种可以对微尺度切削过程的变形场和温度场的进行同步测量装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置，通过物镜与第一聚焦透镜和第一透镜实现红外图像的两级放大，通过物镜与第二聚焦透镜和第二透镜实现可见光图像的两级放大，从而可以实现在微尺度上对温度场和变形场的成像采集，通过控制装置实现二者的同步采集进而可以实现温度场和变形场的同步测量，效率高精度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于正交切削过程的变形场和温度场的同步测量装置，所述装置包括：组合镜头系统，包括物镜、与物镜连接的分束器，所述物镜用于对准正交切削的区域并对所述区域进行放大，所述分束器用于透过红外光并且反射可见光，所述组合镜头系统还包括设于所述分束器的红外光路上的第一聚焦透镜和第一透镜以及设于所述分束器的可见光路上的第二聚焦透镜和第二透镜，所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜设于伸缩套筒内，所述分束器与所述第二聚焦透镜之间设有中继镜；设于所述第一透镜光路上的中波红外热像仪，用于获取在所述第一透镜像面再次放大后的图像；设于所述第二透镜光路上的可见光高速相机，用于获取在所述第二透镜像面再次放大后的图像；与所述中波红外热像仪和所述可见光高速相机连接的控制装置；与所述控制装置连接的处理器，所述处理器用于对所述中波红外热像仪和所述可见光高速相机采集的图像进行处理重构获得切削过程的变形场和温度场。