观察金属切削变形的工业电视摄像系统设计
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主要讨论工业电视摄像系统的设计,该系统工作稳定,图像清晰,为观察金属切削变形提供了有效的手段。
摘要:主要讨论工业电视摄像系统的设计,该系统工作稳定,图像清晰,为观察金属切削变形提供了有效的手段。
金属切削变形过程的研究对于切削加工技术的发展和进步、保证加工质量、降低生产成本、提高生产率等都有着十分重要的意义。因为金属切削加工中的各种物理现象,如切削力,切削热,刀具磨损及已加工表面质量等,都是以切屑形成过程为基础的,而生产实践中出现的许多问题,如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等都与切削变形过程有关。因此,研究金属切削变形过程就显得十分重要。研究金属切削变形过程的方法有很多,如,侧方格变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、扫描电镜法等,但这些方法需要的周期较长,缺乏即时性,而且改变切削条件困难等。利用工业电视,给摄像机换上显微镜头,在电视荧屏上就可以观察金属切削变形过程。当与录像机配合使用时,可把任一切削速度下的金属切削变形情况先录下来,再通过慢速、定格等功能放出,更便于我们对切削变形过程进行观察与分析。这种方法直观,即时性好,是一种观察切削变形过程的好方法。

1 工业电视摄像法原理

工业电视摄像法是运用透镜成像原理,把所成的像投射到光电转换器上,使像变成信号,再把这些电信号转换成视频信号,接到电视机上,即可在电视荧光屏上看到摄像机所拍摄的景物,如图1所示。

1.电视机 2.电源 3.摄像机 4.景物
图1 电视摄像法


图2 透视成像原理
摄像机上有一组透镜,焦距为f。它把远处的景物投射到摄像机内圆形光电转换器上。当物体AB 放在焦点与两倍焦距之内,则在l'处(两倍焦距外)成放大倒立的实像A'B',如图2所示。
透镜成像公式
1/l+1/l'=1/f(1)
式中:l'为像距:l为物距:f为焦距。
由式(1)计算出l',然后把镜头放在距摄像机光电转换器l'处,再将切削变形过程置于距镜头l处,即可达到观察切削变形过程的目的。按这种方法我们只能看到工件被切削时侧面的变形情况,为便于观察,可在工件侧面画出方格,然后用腐蚀法印上黑白相间的小格(0.126×0.126)。这样,通过这些小格的扭曲,便可清楚地观察金属切削变形过程。

1.工作台 2.试样夹具 3.立铣头 4.刀具 5.摄像机
图3 电视摄像装置

1.试样 2.夹紧螺栓 3.刀具 4.挡屑玻璃 5.摄像机 6.夹具体 7.铣床工作台
图4 挡屑装置

2 工业电视摄像装置设计

电视摄像装置如图3所示。其特点是简单,易操作,可清楚观察切削变形过程。摄像机通过螺钉固定在立式铣床的横向拖板上,横向移动拖板,可将摄像机调至适当位置,工件试样通过夹具安装在铣床的纵向工作台面上,而刀具安装在立式铣床的主轴中。
为避免摄像机受到太大的振动,操作时,刀具固定,工件沿纵向慢速移动。在切削中,虽然采用直角刨削,但切屑仍然会向两侧面翻出,从而影响摄像机一侧的视觉效果。为此,用一块玻璃把受观察侧面的切屑挡住,使刀具的侧边紧贴玻璃(如图4),这样就能防止切屑翻边,使观察更清晰。

3 摄像镜头组件设计

由于原摄像机的镜头不能把切削变形的小区域放大,因此,必须另选一镜头,并进行镜头组件设计。
  1. 镜头放大倍数的确定
    工业电视荧光屏对角线长度为440mm,长宽比为3:2。为了在电视画面上能清楚地反映金属切削变形情况,将荧光屏宽度方向(即垂直方向)均匀分成六格,即工件区占二格,切削区占二格,流屑区占二格(如图5)。摄像机光电转换器为一个直径Ø14的圆形靶,但投射到它上面的有效图形必定为一个与电视荧光屏几何相似的长方形,即光电转换器的有效图形长宽比为3:2(图6)。从图中得:a=7.77mm,b=11.65mm。实际上,工件试样每格边长为0.126mm,而六格总宽度A=6×0.126=0.756mm,故镜头放大倍数b=a/A=7.77/0.756≈10(倍)

    图5 切削变形图像分区

    图6 光电转换器图形
  2. 镜头焦距确定
    根据透镜成像公式1/l'+1/l=1/f与放大倍数b=l'/l,可得
    f=l'(/1+b)或f=lb/(1+b)(2)
    从式(2)可知,当b一定时,l'与f成正比,即当f↑,l'↑这样将使镜头组件结构变大。为使结构紧凑合理,f 宜选较小值。考虑到夹具结构,现选用f=16.5mm。
  3. 镜头组件装置
    镜头组件装置如图7所示。

    1.刀具 2.挡屑玻璃 3.镜头 4.幻灯机 5.摄像机 6.工件试样 7.调焦管 8.主体 9.半透镜
    图7 镜头组件装置
    装置中,由于焦距较小,物距l就短,这样光难以有效地照射到切削区。为此,采用一片半透镜把光(幻灯机)从主光轴方向投射到切削区。
    根据公式l'=(1+b)f=182mm,镜头安装在距摄像机光电转换器182mm 处,由于镜头较远且是一个悬臂结构,必须用铝件做一个加长的圆筒,并能进行调焦。

4 结论

经过前面的设计,一套用于观察金属切削变形过程的工业电视摄像系统就可以投入使用。经实际使用可知,该电视摄像系统工作稳定,在工作运动速度14~900mm/min 范围内,都可以获得清晰的图像。这套系统为研究金属切削变形提供有效的观察手段,对我们更加深入掌握金属切削过程规律,加速切削加工技术的发展起到很大的作用。
本文作者:华南理工大学 陈秉均 杨南祥
原载:《机械》2001年第6期
上载于:2007-8-27 7:57:54

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