專利名稱：軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置。
背景技術(shù)：
在精密模具制造中，模具表面粗糙度對產(chǎn)品和模具本身質(zhì)量、壽命都有相當(dāng)大的影響。據(jù)調(diào)查，模具型腔表面粗糙度改善一級，模具壽命可提高50%。但由于模具型腔的復(fù)雜性、高硬性，光整加工(主要是拋光)效率非常低，其工作量通常占整個模具工作量的 30% 40%，且環(huán)境惡劣，因此光整加工一直是精密模具制造中頗為棘手的問題。目前用手工、機(jī)械、化學(xué)等現(xiàn)有加工工藝方法對零件表面進(jìn)行拋光、倒角及去毛刺均有其局限性，特別是對精密模具中的溝、槽、孔、棱柱、棱錐、窄縫等異型表面進(jìn)行拋光、倒角、去毛刺是無能為力的(因為工具、夾具不能奏效)。軟性磨粒流加工是一種借助軟性磨粒流在被加工結(jié)構(gòu)化表面的湍流流動，驅(qū)動磨粒對壁面的微力微量切削，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化表面的無工具化精密加工的新方法。其中軟性磨粒流是一種液-固兩相磨粒流，由松散磨粒和液體混合而成，具有弱黏性或無黏性，因此具有更好的流動特性并可實現(xiàn)湍流流動。軟性磨粒流結(jié)構(gòu)化表面流道內(nèi)，由于流體相的驅(qū)動作用，磨粒與磨粒之間、磨粒與壁面之間產(chǎn)生相互碰撞，從而壁面不斷受到?jīng)_擊力和摩擦力而發(fā)生磨損。結(jié)構(gòu)化表面的加工效果與碰撞頻率和壓力相關(guān)，通過研究約束流道內(nèi)的磨粒群分布及其動力學(xué)特性，可以很方便地分析結(jié)構(gòu)化表面不同位置的磨損情況，進(jìn)而指導(dǎo)工件的加工。然而實際加工過程中，由于結(jié)構(gòu)化表面約束流道非常細(xì)小，且密封不透明，要觀測約束流道內(nèi)的磨粒群分布狀態(tài)是不可能的。目前關(guān)于軟性磨粒流的精密加工主要集中在基礎(chǔ)理論研究，尤其是對軟性磨粒流湍流加工機(jī)理的分析和數(shù)值模擬，而加工過程中軟性磨粒流磨粒群的運動狀態(tài)和分布特性沒有得到充分的研究。鑒于磨粒群分布在軟性磨粒流加工過程中扮演的重要角色，設(shè)計和開發(fā)相應(yīng)的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置應(yīng)用于磨粒群研究是一項由意義和深度的工作。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種能夠觀察磨粒群分布狀態(tài)、便于試驗操作和處理的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置。軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，包括盛裝有軟性磨粒流的磨料箱，位于磨料箱內(nèi)、浸入軟性磨粒流中的潛水泵，允許軟性磨粒流浸入其內(nèi)形成湍流沖擊加工待加工工件的由透明材料制成的約束流道，和對準(zhǔn)約束流道、照射約束流道內(nèi)某個斷面的磨粒群的光路系統(tǒng)，以及獲取斷面磨粒群畫面的圖像采集系統(tǒng)；所述的潛水泵通過出流管與所述的約束流道的進(jìn)口連接，所述的約束流道的出口通過回流管與所述的磨料箱連通；所述的光路系統(tǒng)包括對準(zhǔn)所述的約束流道的激光器，和位于激光器與約束流道之間、能形成厚度均勻且光強(qiáng)足夠的片光的圓柱形組合透鏡；
所述的圖像采集系統(tǒng)包括CXD攝像機(jī)和安裝攝像機(jī)的云臺，所述的約束流道位于所述的攝像機(jī)的視角范圍之內(nèi)，所述的攝像機(jī)與進(jìn)行圖像處理的計算機(jī)連接，所述的云臺受控于一能控制云臺升降，旋轉(zhuǎn)的鏡頭控制器，所述的鏡頭控制器與所述的計算機(jī)連接。進(jìn)一步，所述的磨料箱內(nèi)設(shè)有攪拌器，所述的磨料箱的中上部設(shè)有防止軟性磨粒流過滿的溢流管。進(jìn)一步，所述的約束流道放置在一透明托架上，所述的激光器固定于可移動安裝架上，所述的安裝架架設(shè)于允許安裝架沿其滑動的導(dǎo)軌上。進(jìn)一步，所述的攝像機(jī)與可將斷面內(nèi)采集區(qū)域的磨粒放大的近攝鏡頭配套使用。進(jìn)一步，出流管上設(shè)有節(jié)流閥。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為磨料箱、潛水泵、攪拌器、出流管、回流管、約束流道和溢流管形成軟性流循環(huán)系統(tǒng)模型，軟性磨粒流循環(huán)系統(tǒng)模型是在實際加工系統(tǒng)基礎(chǔ)上，依據(jù)相似理論，通過建立液固兩相軟性磨粒流的微分方程和相關(guān)單值條件，導(dǎo)出模型的相似準(zhǔn)則。 當(dāng)單值條件相似且由單值條件中的物理量組成的相似準(zhǔn)則對應(yīng)相等時，所建軟性磨粒流循環(huán)系統(tǒng)模型中的軟性磨粒流流動狀況就會和實際加工系統(tǒng)中軟性磨粒流流動狀況相似。從而根據(jù)實際軟性磨粒流循環(huán)加工系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)如幾何尺寸(約束流道的長、寬、高等)、 流體密度及粘度、流速、阻力、磨粒性質(zhì)等進(jìn)行軟性磨粒流循環(huán)系統(tǒng)模型的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)觀測需要，通過光路系統(tǒng)中的激光器和圓柱型組合透鏡產(chǎn)生一定厚度的均勻且足夠光強(qiáng)的片光，片光照射在有機(jī)玻璃約束流道上形成有厚度的斷面，用CCD攝像機(jī)加墊圈后與近攝鏡頭配套使用對斷面進(jìn)行圖像采集，圖像的采集由計算機(jī)內(nèi)置的圖像卡完成，圖像卡可完成圖像的連續(xù)采集，并實時保存，同時還能進(jìn)行實時監(jiān)視、凍結(jié)、回放等。采集完成后記錄的圖像通過數(shù)據(jù)線傳遞給計算機(jī)，計算機(jī)在對圖像經(jīng)過流道剪裁、噪聲處理、二值化等一系列后置處理后，將磨粒作為特征對象提取出來。軟性磨粒流在不同初始速度、不同初始壓力、不同磨粒濃度下等條件下進(jìn)行循環(huán)試驗，最終獲得不同的拋光工藝參數(shù)。在不同的拋光工藝參數(shù)下，經(jīng)過不斷的試驗采集得到圖像數(shù)據(jù)，計算機(jī)對這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合后，進(jìn)而獲得不同拋光工藝參數(shù)組合下的磨粒群運動和分布特征，為指導(dǎo)實際軟性磨粒流加工奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明的有益效果在于便于試驗操作和處理、控制方式簡單、適用面廣；直觀和方便地通過試驗手段進(jìn)行軟性磨粒流磨粒群分布的觀測和分析；能獲得不同拋光工藝參數(shù)組合下的磨粒群運動狀態(tài)和分布特性，積累更多的試驗和理論素材；為軟性磨粒流結(jié)構(gòu)化表面無工具精密加工技術(shù)在模具拋光領(lǐng)域發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用潛力奠定重要基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明裝置的部件構(gòu)成圖。圖2是本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明裝置中軟性磨粒流循環(huán)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明裝置中光路系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明裝置的流程圖。
具體實施方式
參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，包括盛裝有軟性磨粒流的磨料箱12，位于磨料箱12內(nèi)、浸入軟性磨粒流中的潛水泵13，允許軟性磨粒流121浸入其內(nèi)形成湍流沖擊加工待加工工件的由透明材料制成的約束流道14，和對準(zhǔn)約束流道14、照射約束流道14內(nèi)某個斷面的磨粒群的光路系統(tǒng)2，以及獲取斷面磨粒群畫面的圖像采集系統(tǒng)3 ；所述的潛水泵13通過出流管151與所述的約束流道14的進(jìn)口連接，所述的約束流道14的出口通過回流管與所述的磨料箱12連通；所述的光路系統(tǒng)2包括對準(zhǔn)所述的約束流道14的激光器21，和位于激光器21與約束流道14之間、能形成厚度均勻且光強(qiáng)足夠的片光的圓柱形組合透鏡22 ；所述的圖像采集系統(tǒng)3包括CXD攝像機(jī)32和安裝攝像機(jī)32的云臺33，所述的約束流道14位于所述的攝像機(jī)32的視角范圍之內(nèi)，所述的攝像機(jī)32與進(jìn)行圖像處理的計算機(jī)31連接，所述的云臺33受控于一能控制云臺33升降，旋轉(zhuǎn)的鏡頭控制器34，所述的鏡頭控制器34與所述的計算機(jī)31連接。所述的磨料箱12內(nèi)設(shè)有攪拌器11，所述的磨料箱12的中上部設(shè)有防止軟性磨粒流過滿的溢流管122。所述的約束流道14放置在透明工作臺141上，所述的激光器21固定于可移動安裝架211上，所述的安裝架211架設(shè)于允許安裝架211沿其滑動的導(dǎo)軌上。所述的攝像機(jī)32與可將斷面內(nèi)采集區(qū)域的磨粒放大的近攝鏡頭321配套使用。出流管151上設(shè)有節(jié)流閥131。本發(fā)明的工作過程是將一定濃度、粘度的軟性磨粒流121置于磨料箱12內(nèi)，開啟攪拌器11使軟性磨粒流121混合均勻；待軟性磨粒流121混合均勻后開啟潛水泵13，調(diào)節(jié)節(jié)流閥131使軟性磨粒流121達(dá)到一定流速，軟性磨粒流121通過出流管151、有機(jī)玻璃約束流道14、回流管152返回磨料箱12，如此循環(huán)；使光路系統(tǒng)2和圖像采集系統(tǒng)3處于工作狀態(tài)，通過光路系統(tǒng)2的可移動安裝架211調(diào)節(jié)激光器21和圓柱型組合透鏡22，調(diào)整到較合適的位置緊固好，此時激光器21通過圓柱型組合透鏡22產(chǎn)生一定厚度的均勻且足夠光強(qiáng)的片光221，片光221照射在有機(jī)玻璃約束流道14上形成一定厚度的斷面222 ；調(diào)節(jié)CXD 攝像機(jī)32與近攝鏡頭321，初步獲得較好的圖像拍攝效果后再進(jìn)行微調(diào)；設(shè)置CCD攝像機(jī) 32的曝光時間，以獲得最佳的拍攝效果；CCD攝像機(jī)32調(diào)試完畢后，圖像的采集由計算機(jī) 31內(nèi)置的圖像卡完成，圖像卡可完成圖像的連續(xù)采集，并實時保存，同時還能進(jìn)行實時監(jiān)視、凍結(jié)、回放等；計算機(jī)31在對圖像經(jīng)過流道剪裁、噪聲處理、二值化等一系列后置處理后，將磨粒作為特征對象提取出來；軟性磨粒流121在不同初始速度、不同初始壓力、不同磨粒濃度下等條件下進(jìn)行循環(huán)試驗，最終獲得不同的拋光工藝參數(shù)；在不同的拋光工藝參數(shù)下，經(jīng)過不斷的試驗采集得到圖像數(shù)據(jù)，計算機(jī)31對這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和擬合后， 進(jìn)而獲得不同拋光工藝參數(shù)組合下的磨粒群運動和分布特征，為指導(dǎo)實際軟性磨粒流加工奠定基礎(chǔ)。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，其特征在于包括盛裝有軟性磨粒流的磨料箱， 位于磨料箱內(nèi)、浸入軟性磨粒流中的潛水泵，允許軟性磨粒流浸入其內(nèi)形成湍流沖擊加工待加工工件的由透明材料制成的約束流道，和對準(zhǔn)約束流道、照射約束流道內(nèi)某個斷面的磨粒群的光路系統(tǒng)，以及獲取斷面磨粒群畫面的圖像采集系統(tǒng)；所述的潛水泵通過出流管與所述的約束流道的進(jìn)口連接，所述的約束流道的出口通過回流管與所述的磨料箱連通；所述的光路系統(tǒng)包括對準(zhǔn)所述的約束流道的激光器，和位于激光器與約束流道之間、 能形成厚度均勻且光強(qiáng)足夠的片光的圓柱形組合透鏡；所述的圖像采集系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)和安裝攝像機(jī)的云臺，所述的約束流道位于所述的攝像機(jī)的視角范圍之內(nèi)，所述的攝像機(jī)與進(jìn)行圖像處理的計算機(jī)連接，所述的云臺受控于一能控制云臺升降，旋轉(zhuǎn)的鏡頭控制器，所述的鏡頭控制器與所述的計算機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，其特征在于所述的磨料箱內(nèi)設(shè)有攪拌器，所述的磨料箱的中上部設(shè)有防止軟性磨粒流過滿的溢流管。
3.如權(quán)利要求2所述的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，其特征在于所述的約束流道放置在一透明托架上，所述的激光器固定于可移動安裝架上，所述的安裝架架設(shè)于允許安裝架沿其滑動的導(dǎo)軌上。
4.如權(quán)利要求3所述的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，其特征在于所述的攝像機(jī)與可將斷面內(nèi)采集區(qū)域的磨粒放大的近攝鏡頭配套使用。
5.如權(quán)利要求4所述的軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，其特征在于出流管上設(shè)有節(jié)流閥。
全文摘要
軟性磨粒流磨粒群分布觀測裝置，包括磨料箱，潛水泵，約束流道，光路系統(tǒng)，及圖像采集系統(tǒng)；潛水泵通過出流管與約束流道的進(jìn)口連接，約束流道的出口通過回流管與磨料箱連通；光路系統(tǒng)包括對準(zhǔn)約束流道的激光器，和位于激光器與約束流道之間、能形成厚度均勻且光強(qiáng)足夠的片光的圓柱形組合透鏡；圖像采集系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)和安裝攝像機(jī)的云臺，約束流道位于攝像機(jī)的視角范圍之內(nèi)，攝像機(jī)與進(jìn)行圖像處理的計算機(jī)連接，云臺受控于一能控制云臺升降，旋轉(zhuǎn)的鏡頭控制器，鏡頭控制器與計算機(jī)連接。本發(fā)明具有能夠觀察磨粒群分布狀態(tài)、便于試驗操作和處理的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/85GK102183522SQ20111005219
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者李琛, 計時鳴, 譚大鵬, 鐘佳奇 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)