本發(fā)明屬于金屬切削加工設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于正交車削和銑削過程高速成像的拍攝系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

金屬切削過程的機理研究對于控制已加工工件的表面完整性有著十分重要的影響。金屬切削過程包括力熱耦合，摩擦學(xué)，金屬相變，材料大變形等一系列復(fù)雜問題，切削變形過程的發(fā)生又局部集中在切削區(qū)域內(nèi)(通常為1mm²)，變形發(fā)生時間很短，對于切削區(qū)域的實驗觀察就變得非常困難。由此，對于金屬切削的研究手段主要局限在解析建模和有限元仿真方面，解析建模通常簡化了許多實際問題并提出很多經(jīng)驗假設(shè)，不足以完全替代實驗研究；有限元仿真同樣十分依賴于輸入的力熱邊界條件與材料本構(gòu)關(guān)系，不同的參數(shù)仿真導(dǎo)致結(jié)果差異很大。

傳統(tǒng)的金屬切削實驗研究手段主要有通過快速落刀裝置對金屬切削區(qū)域的變形和切屑形態(tài)進行觀測，通過對切屑或已加工表面進行金相腐蝕制樣處理研究材料組織相變與材料變形，對于金屬切削的過程卻缺乏相應(yīng)的直觀的記錄。傳統(tǒng)的金屬切削拍攝是在宏觀尺度下進行的，或是僅僅只是拍攝靜態(tài)圖片，不能由實驗直接反應(yīng)出金屬變形過程與切屑形成過程，且實驗研究局限于正交車削，對于正交銑削沒有任何有效的拍攝實驗裝置。

將數(shù)字圖像相關(guān)算法(dic)運用于金屬流變運動的觀察近年來變成實驗力學(xué)和材料科學(xué)中一種新興的手段。數(shù)字圖像相關(guān)算法可以根據(jù)金屬變形過程的圖片序列獲取金屬流動的位移場信息，金屬流動的位移場信息直接與切屑形成過程以及金屬表面應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。但不同于普通的材料力學(xué)實驗，在高放大倍數(shù)下對切削過程進行攝影主要有以下幾個難點：(1)要對切削過程清楚拍攝必須采用高速相機，高速相機體積較普通工業(yè)相機大，重量重，普通臥式車床沒有位置進行穩(wěn)定安裝；(2)切削觀察視野范圍小，相機必須采用較高的放大倍數(shù)，高放大倍數(shù)下，相機的景深變得很小，通常只有10至20μm，而切屑由于變形量大，產(chǎn)生運動后不受控制，不可避免地與已加工表面不在同一個平面內(nèi)部，通常超過10至20μm，因此很難拍攝清楚；(3)產(chǎn)生的切屑有可能遮擋視野。由于上述諸多難點，導(dǎo)致將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)運用到切削觀察領(lǐng)域變得很困難，急需發(fā)明一種簡單可靠的裝置來拍攝高質(zhì)量的切削視頻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用于正交車削和銑削過程高速成像的拍攝系統(tǒng)，其包括車銑兩用觀察裝置，激光光源，高速相機，信號采集器和信號同步觸發(fā)模塊。該拍攝系統(tǒng)能夠拍攝在介觀尺度下的切削和銑削過程，在相機鏡頭放大倍數(shù)為7倍(每像素0.8微米)下仍可清晰拍攝切屑形成全過程，通過改變少量零部件，便可以實現(xiàn)銑削與車削的轉(zhuǎn)換拍攝。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于正交車削和銑削過程高速成像的觀察系統(tǒng)，其特征在于，其包括車銑兩用觀察裝置，激光光源和高速相機，

其中，所述車銑兩用觀察裝置底部的基座安裝在一測力儀上，基座上方設(shè)置有一車刀安裝夾具裝夾專用切槽刀或者是專用銑削工件，并與垂直設(shè)置的專用車削工件或?qū)Ｓ弥比秀姷杜浜贤瓿绍囅骰蜚娤鬟^程，所述基座的一側(cè)為斜面，斜面上安裝有表面鍍銀反光鏡，在表面鍍銀反光鏡的對側(cè)為一高速相機，該高速相機安裝在三自由度位移微調(diào)平臺上，在車銑兩用裝置和高速相機之間，設(shè)置有激光光源對準表面鍍銀反光鏡，該高速相機通過表面鍍銀反光鏡反射的光線來記錄車削和銑削過程。

具體地，車銑兩用觀察裝置用于裝夾專用切槽刀或者是專用銑削工件，完成銑削和車削過程，所述激光光源通過照射表面鍍銀平面鏡，改變光路，用于將光線反射入所述高速相機的鏡頭中；激光光源為高幀率，為小視野下的高速相機提供穩(wěn)定的強光光源；三自由度位移微調(diào)平臺用來對準視野和調(diào)焦距；信號采集器采集測力儀產(chǎn)生與相機產(chǎn)生的信號；信號同步觸發(fā)模塊同步切削力信號與相機信號。采用激光光源而不采用普通光源，因為激光光源穩(wěn)定，光強足夠強，能夠滿足高幀率下相機所需要光強，且激光平行度高，有利于將高強光集中照射在很小的切削區(qū)域范圍內(nèi)。待切削工作開始時，及時開啟氣槍，將切削產(chǎn)生的切屑吹走，避免切屑堆積干擾觀察。

進一步優(yōu)選地，所述車銑兩用觀察裝置一側(cè)設(shè)置有氣槍吹散銑削部位堆積的切屑，所述測力儀和三自由度位移微調(diào)平臺還分別與信號同步觸發(fā)模塊和信號采集器相并聯(lián)。設(shè)置氣槍可以及時吹散堆積的切屑，避免切屑將切削部分擋住，影響高速相機的拍攝。所述測力儀與車銑兩用觀察裝置底部連接，用于測量切學(xué)力信號；所述信號同步觸發(fā)模塊同時觸發(fā)相機與測力儀記錄信息，使力信號與視頻信號同步；信號采集器采集測力儀產(chǎn)生與相機產(chǎn)生的信號；信號同步觸發(fā)模塊同步切削力信號與相機信號。

進一步優(yōu)選地，所述車銑兩用觀察裝置的基座上設(shè)置有車削車刀安裝夾具，所述基座的一側(cè)斜面的正上方對應(yīng)的是的鑲嵌在車削車刀夾具上的藍寶石玻璃片，專用銑削工件或?qū)Ｓ们胁鄣毒o貼所述藍寶石玻璃片上表面設(shè)置，所述藍寶石玻璃片下方對應(yīng)斜面上安裝有平面鍍銀反光鏡，用于將激光光源發(fā)射的激光反射至藍寶石玻璃片的工作區(qū)域。

進一步優(yōu)選地，所述專用銑削工件或?qū)Ｓ们胁鄣渡戏骄O(shè)置有夾緊裝置，用于將整個裝置壓緊。

進一步優(yōu)選地，所述專用直刃銑刀或?qū)Ｓ密囅鞴ぜQ直設(shè)置，且在工作時分別緊貼專用銑削工件或?qū)Ｓ们胁鄣对O(shè)置。銑刀為直刃無圓角銑刀，車刀為正交無圓角切槽刀。

進一步優(yōu)選地，所述表面鍍銀平面鏡與水平呈45度，所述車削車刀安裝夾具上設(shè)置有錐形通光孔，通光孔上方放置橡膠墊片，所述藍寶石玻璃片放置在橡膠墊片上方。通過改變設(shè)置45°角平面鍍銀反射鏡改變光路，將車削實驗平臺搬到了銑床上，從而解決了一般臥式車床沒有更多位置安防夾具的弊端，整個實驗平臺只需要放在普通立式銑床上即可完成，不需要另設(shè)復(fù)雜夾具，增強了實用性。而錐形通光孔的設(shè)置，能夠使光線更好地反射到切削部位，錐形通光孔帶有斜坡能使光線最大化照射在工件上，同時使高速相機能夠清晰地拍攝整個銑削過程。藍寶石玻璃片與專用銑削工件或?qū)Ｓ们胁鄣兑砸欢▔毫佑|，設(shè)置橡膠墊片能夠避免藍寶石玻璃片被壓碎。

進一步優(yōu)選地，在所述車削車刀安裝夾具和藍寶石玻璃上方，根據(jù)銑削和車削的不同而放置有不同的玻璃壓板。

進一步優(yōu)選地，激光光源與氣槍安裝在帶有球副的磁座上，以便地調(diào)整位置和姿態(tài)。

進一步優(yōu)選地，三自由度位移微調(diào)平臺包括底部鋁板，所述底部鋁板上方連接移動平臺，移動平臺可沿著xyz三個方向移動，通過手動旋鈕調(diào)整位移，其位移移動精度可達微米級別。將高速相機安裝在三自由度位移微調(diào)平臺上，能夠解決高速相機體積大、重量大、難以安裝的問題，且三自由度位移平臺用于微調(diào)相機拍攝視口和對焦，能夠在三個自由度上實現(xiàn)高速相機的精確位移控制，有利于拍攝出高質(zhì)量的視頻。

進一步優(yōu)選地，所述高速相機與測力儀通過外部觸發(fā)裝置觸發(fā)后同時工作?？傮w而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)普通的切削視頻拍攝一般設(shè)在宏觀尺度下進行的，無法為切削機理的揭示提供有效信息，快速落刀裝置只可以獲得在某些特定時刻切削的狀態(tài)，無法獲取切削全過程視頻信息，本發(fā)明的拍攝系統(tǒng)采用車銑兩用觀察裝置，激光光源和高速相機進行拍攝，所述車銑兩用觀察裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其能夠同時實現(xiàn)正交切削和銑削過程，配合激光光源和高速相機，通過改變少量零部件，便可以實現(xiàn)銑削與車削的轉(zhuǎn)換拍攝。且該系統(tǒng)的高速相機設(shè)置在三自由度位移微調(diào)平臺，不僅能夠解決高速相機體積大、重量大、難以安裝的問題，還能夠進行三個維度的精確控制，從而穩(wěn)定地獲得在介觀尺度下的高質(zhì)量切削和銑削過程的視頻圖像。

(2)所述車銑兩用觀察裝置通過在工件表面增加藍寶石玻璃片，解決了工件與切屑不在同一個表面的難題，從而使得在介觀尺度下仍然能夠拍攝清晰的圖片。通過改變設(shè)置45°角平面鍍銀反射鏡改變光路，巧妙地將車削實驗平臺搬到了銑床上，從而解決了一般臥式車床沒有更多位置安防夾具的弊端，整個實驗平臺只需要放在普通立式銑床上即可完成，不需要另設(shè)復(fù)雜夾具，增強了實用性。

(3)氣槍的設(shè)置能夠及時吹走切削部位的切屑，避免影響高速相機成像。而表面鍍銀平面鏡的角度設(shè)置以及錐形通光孔的設(shè)置，能夠使光線更好地反射到切削部位，通光孔帶有斜坡能使光線最大化照射在工件上，同時使高速相機能夠清晰地拍攝整個銑削過程。玻璃片與專用銑削工件或?qū)Ｓ们胁鄣兑砸欢▔毫佑|，但由于橡膠墊片的存在，不會導(dǎo)致玻璃被壓碎。

(4)本發(fā)明的拍攝系統(tǒng)在相機鏡頭放大倍數(shù)為7倍(每像素0.8微米)下仍可清晰拍攝切屑形成全過程，只需要改變少部分零部件即可實現(xiàn)從切削拍攝裝置向銑削拍攝裝置的轉(zhuǎn)換，該拍攝系統(tǒng)構(gòu)造簡單且實用性高，拍攝的視頻圖像質(zhì)量高且穩(wěn)定性好，對于銑削拍攝裝置的開發(fā)對于切削實驗認識具有重要意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于正交車削和銑削過程高速成像的拍攝系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖；

圖2(a)和2(b)為本發(fā)明中車銑兩用觀察裝置車削裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)和3(b)為本發(fā)明中車銑兩用觀察裝置銑削裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(a)和4(b)為本發(fā)明使用的銑刀其工件示意圖；

圖5(a)和5(b)為本發(fā)明使用的車刀及其工件示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照圖1，一種用于正交車削和銑削過程高速成像的拍攝系統(tǒng)，共包括車銑兩用觀察裝置1、激光光源2、氣槍3、三自由度位移微調(diào)平臺4、測力儀5、信號采集器6、信號同步觸發(fā)模塊7、高速相機8。整個裝置放置在立式銑床的工作臺上，高速相機8與位移微調(diào)平臺4連接，可以實現(xiàn)微米級微小平移，實現(xiàn)觀察視野的對準和鏡頭聚焦，激光光源2將光線照射在反射鏡上，由反射鏡反射光線至待觀察區(qū)域。采用激光光源而不采用普通光源，因為激光光源穩(wěn)定，光強足夠強，能夠滿足高幀率下相機所需要光強，且激光平行度高，有利于將高強光集中照射在很小的切削區(qū)域范圍內(nèi)。待切削工作開始時，及時開啟氣槍，將切削產(chǎn)生的切屑吹走，避免切屑堆積干擾觀察。

參照圖2(a)和2(b)，所述車銑兩用觀察裝置中銑削裝置結(jié)構(gòu)共包括測力儀5、基座1-2，平面鍍銀反射鏡1-3，車刀安裝夾具1-4，橡膠墊片1-5，藍寶石玻璃1-6，玻璃壓板1-7，專用直刃銑刀1-10，專用銑削工件1-11，夾緊裝置1-8。該裝置工作原理如下：由于反射鏡與水平面呈45°，銑刀與工件在反射鏡中所成虛像正好在垂直平面內(nèi)，即由此實現(xiàn)了從水平面到垂直面成像的轉(zhuǎn)換，此處采用表面鍍銀而非普通的底面鍍銀反射鏡，是為了盡量減少由于玻璃折射帶來的成像失真。車刀安裝夾具1-4上開有帶錐度的圓孔，使得能夠接入的光線更多，激光照射在平面鏡上，由平面鏡反射光線至想要觀察的區(qū)域。由于相機在高放大倍數(shù)下景深的限制，工件與切屑必須嚴格限制在同一個平面內(nèi)，否則不能同時觀察清楚。為使工件與切屑在同一平面內(nèi)部，必須加以玻璃作為限制，普通玻璃硬度不夠，會導(dǎo)致玻璃表面被切屑劃傷，故采用具有高硬度的藍寶石玻璃片。在采用玻璃壓板1-7和夾緊裝置1-8將工件和玻璃壓緊時，由于產(chǎn)生一定的壓力，若不采用橡膠墊片作為緩沖，玻璃很容易被壓碎，故在藍寶石玻璃1-6下方放置橡膠墊片1-5，銑刀安裝在普通立式銑床的主軸上即可，上述裝置所有連接部位皆為螺釘連接。

參照圖3(a)和3(b)，所述車銑兩用觀察裝置中車削裝置結(jié)構(gòu)共包括測力儀5，基座1-2，平面鍍銀反射鏡1-3，車削車刀安裝夾具1-4，橡膠墊片1-5，藍寶石玻璃片1-6，專用切槽刀1-1，夾緊裝置1-9，專用車削工件1-12。可以看出，車削用觀察裝置與銑削用觀察裝置具有大部分相同裝置，只有上部夾持裝置不同，因此實現(xiàn)了同一套夾具進行兩種不同實驗觀察的目的。該裝置的工作原理如下：基座1-2與測力儀5相連，平面鍍銀反射鏡1-3將水平面成像轉(zhuǎn)化為豎直面成像，車削車刀安裝夾具上設(shè)置有錐形通光孔，便于接收光線，通光孔上方放置橡膠墊片1-5，墊片上方放置藍寶石玻璃片1-6，專用切槽刀片1-1緊貼藍寶石玻璃片，由刀具壓板壓緊。圓形棒料由立式銑床主軸夾緊，切削時工件運動，刀具靜止，工件轉(zhuǎn)動，正好形成正交車削，上述裝置所有連接部位皆為螺釘連接。

為提高拍攝的切削視頻質(zhì)量，上述專用直刃銑刀1-10，專用銑削工件1-11，專用切槽刀1-1，專用車削工件1-12都需要經(jīng)過特殊處理；如圖4(a)和4(b)所示，1-10為銑削觀察的專用直刃銑刀，上端為圓柱形，銑刀刀刃為直刃保證產(chǎn)生的切屑與工件在同一平面內(nèi)，刀尖圓角需要刃磨，銑刀下底面為觀察面，需研磨至ra1.6。1-11為專用銑削工件，為保證平面度與直線度，需采用線切割方式加工，再采用砂紙打磨去除表面氧化層，為防止打磨后加工表面產(chǎn)生鏡面反光，工件打磨后需采用硅微粉進行硼砂處理。如圖5(a)和5(b)所示，1-1為車削專用切槽刀，1-12為專用車削工件，上端為圓柱形，專用切槽刀1-1由普通切槽刀改制而成，刀具的前刀面后刀面需采用砂輪打磨，否則在高倍數(shù)下呈現(xiàn)不規(guī)則邊緣，不利于觀察。車削專用刀具的底面(即觀察面)同樣需要經(jīng)過先打磨成平面后再噴砂的處理，打磨是為了使觀察面平整，噴砂處理是為了防止打磨后車刀表面產(chǎn)生鏡面反光，不利于打光和相機觀察。專用車削工件1-12底部先后經(jīng)過打磨與噴砂處理，噴砂可以在工件底部刻畫更多的特征點，這些特征點的運動可以反映切削材料變形運動，有利于后續(xù)的視頻分析。車削工件1-12上開有環(huán)形槽，確保切削時切屑能夠更流暢地從工件上分離下來，形成規(guī)則切屑。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。