本發(fā)明屬于機械加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機械加工過程的高速顯微攝影觀測方法，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)濟性和功能性直接相關(guān)。高速顯微攝影觀測可以直接觀察到切削過程中的切屑以及加工損傷的形成過程，但這種方法的實施有很大難度，需要解決光源強度、相機安裝及調(diào)整等一些列問題。

一些學(xué)者對鉆削過程進行了高速顯微攝影觀測，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材料出后的動態(tài)觀測，然而并未給出測量裝置的信息，且其拍攝圖像清晰度較低，觀測角度有限，其觀測結(jié)果還屬于宏觀測量的范圍。大連理工大學(xué)王福吉等人公開了“一種制孔加工出口觀測的實驗裝置及方法”，專利申請?zhí)枺篊N201510506132.6，這種裝置使用相機鏡頭結(jié)構(gòu)以外的光源進行照明，光源對觀測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，然而為清晰觀測材料切削狀態(tài)，需要進行景深極小的微距觀測，但此實驗裝置不能精確調(diào)節(jié)相機和拍攝板材之間的距離，難以進行微距觀測。

技術(shù)實現(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)明了一種適用于機械加工過程的高速顯微攝影觀測方法，實現(xiàn)切削加工過程的高速顯微攝影觀測。該方法使用多級位移調(diào)整裝置、角度調(diào)整裝置、多種類型光源，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亮度，具有同時適應(yīng)宏觀和細觀測量、調(diào)整精度高、觀測清晰度高等優(yōu)點，能夠滿足切削加工過程研究的需求。

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

第一步安裝高速攝像機及其調(diào)節(jié)裝置：

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

第二步安裝工件及其夾緊裝置：

將基塊16安裝于機床工作臺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垂直于機床工作臺3平面，左板狀光源6₁中點距離觀測位置中心距離L₁和右板狀光源6₂中點距離觀測位置中心的距離L₂相等，板狀光源6₁中點與觀測位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁和板狀光源6₂中點與觀測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，θ₁、θ₂的范圍在60°-0°之間，在使用環(huán)狀光源7時，θ₁、θ₂的范圍在60°-90°之間，L₁，L₂不超過板狀光源高度值的一半；

第四步調(diào)節(jié)光源亮度及相機位置：

通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺11、X向位移滑臺13，Y向位移滑臺14的位置將相機鏡頭8對正拍攝區(qū)域；打開高速攝像機9，輸入拍攝參數(shù)，打開左板狀光源6₁、右板狀光源6₂、環(huán)狀光源7；檢查視場亮度、光源是否遮擋相機視場；并通過控制光源電流大小調(diào)節(jié)光源亮度，若亮度過低，成對增加左板狀光源6₁、右板狀光源6₂，提高視場亮度；若視場亮度過高，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；若視場亮度不均，調(diào)節(jié)左板狀光源6₁中點與觀測位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁,右板狀光源6₂中點與觀測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11調(diào)整高速攝像機9與拍攝區(qū)域之間的距離，直至出現(xiàn)最清晰的圖像；減小相機和觀測區(qū)域之間的距離，直至成像質(zhì)量不滿足觀測要求，記錄此位置x₁；反向調(diào)節(jié)相機，直至成像質(zhì)量不滿足觀測要求，記錄此位置x₂；調(diào)整攝像機位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)；

第六步開動機床進行加工，用高速攝影機觀測：

鎖緊旋轉(zhuǎn)平臺10、Y向精密調(diào)節(jié)平臺11、X向位移滑臺12、Y向位移滑臺13，輸入攝影機拍攝參數(shù)、確認視場亮度；開動機床進行加工，用高速攝影機9進行觀測。

本發(fā)明的有益的效果是該發(fā)明能夠精確調(diào)整攝影機和待測區(qū)域間的距離和角度,大大降低觀測準(zhǔn)備時間，提高觀測效率，克服加工過程中機床振動對于拍攝的不利影響。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)宏觀和細觀觀測拍攝要求，避免工件鏡面反射帶來的陰影問題，保證拍攝區(qū)域亮度均勻；平臺的布局方案具有很強的通用性，結(jié)構(gòu)簡單，可以通過簡單的連接裝置安裝于各種加工設(shè)備，能夠?qū)︺@削、銑削等實際加工過程進行觀測。

附圖說明

圖1是實施方式中加工裝置和觀測裝置布局的軸測圖。其中，1-機床主軸，2-角度頭，3-機床工作臺，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，10-旋轉(zhuǎn)平臺，11-Y向精密調(diào)節(jié)平臺，12-X向位移滑臺，13-Y向位移滑臺，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中點距離觀測位置中心距離，L₂-右板狀光源6₂中點距離觀測位置中心的距離，θ₁-左板狀光源6₁中點與觀測位置中心連線與鏡頭8軸線夾角,θ₂-右板狀光源6₂中點與觀測位置中心連線與鏡頭8軸線夾角。

圖3是2000幀下，直徑8mm的鉆頭實際加工效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施。

圖1是實施方式中加工裝置和觀測裝置布局的軸測圖，本實施例是在立式加工中心上對鉆削過程進行觀測。

觀測方法的具體步驟如下：

1)安裝鉆頭：角度頭2安裝于機床主軸1上，鉆頭4安裝于角度頭2上。

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

3)安裝工件及其夾緊裝置：基塊16安裝于機床工作臺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垂直于機床工作臺3平面，左板狀光源6₁中點距離觀測位置中心距離L₁和右板狀光源6₂中點距離觀測位置中心的距離L₂相等，板狀光源6₁中點與觀測位置中心連線與鏡頭8軸線夾角θ₁和板狀光源6₂中點與觀測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)光源亮度及攝像機位置：通過旋轉(zhuǎn)平臺11、X向位移滑臺13，Y向位移滑臺14將攝像機鏡頭8對正拍攝區(qū)域。打開高速攝像機9，輸入拍攝參數(shù)，打開左板狀光源6₁、右板狀光源6₂、環(huán)狀光源7。檢查視場亮度、光源是否遮擋攝像機視場。并通過控制光源電流大小調(diào)節(jié)光源亮度。若亮度過低，成對增加左板狀光源6₁、右板狀光源6₂，提高視場亮度。若視場亮度過高，依次環(huán)狀光源7、左板狀光源6₁、右板狀光源6₂。若視場亮度不均，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11調(diào)整高速攝像機9與拍攝區(qū)域之間的距離，直至出現(xiàn)最清晰的圖像；減小攝像機和觀測區(qū)域之間的距離,直至成像質(zhì)量不滿足觀測要求，記錄此位置x₁；反向調(diào)節(jié)攝像機，直至成像質(zhì)量不滿足觀測要求，記錄此位置x₂；調(diào)整攝像機位置至x＝x₂-0.2×(x₂-x₁)。

7)開動機床進行加工，進行高速攝影觀測：鎖緊旋轉(zhuǎn)平臺10、Y向精密調(diào)節(jié)平臺11、X向位移滑臺12、Y向位移滑臺13，輸入攝像機拍攝參數(shù)、確認視場亮度，用高速攝影機9進行觀測。

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