CN102183522B - 软性磨粒流磨粒群分布观测装置 - Google Patents
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Abstract
软性磨粒流磨粒群分布观测装置，包括磨料箱，潜水泵，约束流道，光路系统，及图像采集系统；潜水泵通过出流管与约束流道的进口连接，约束流道的出口通过回流管与磨料箱连通；光路系统包括对准约束流道的激光器，和位于激光器与约束流道之间、能形成厚度均匀且光强足够的片光的圆柱形组合透镜；图像采集系统包括CCD摄像机和安装摄像机的云台，约束流道位于摄像机的视角范围之内，摄像机与进行图像处理的计算机连接，云台受控于一能控制云台升降，旋转的镜头控制器，镜头控制器与计算机连接。本发明具有能够观察磨粒群分布状态、便于试验操作和处理的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种软性磨粒流磨粒群分布观测装置。
技术背景
在精密模具制造中，模具表面粗糙度对产品和模具本身质量、寿命都有相当大的影响。据调查，模具型腔表面粗糙度改善一级，模具寿命可提高50％。但由于模具型腔的复杂性、高硬性，光整加工(主要是抛光)效率非常低，其工作量通常占整个模具工作量的30％～40％，且环境恶劣，因此光整加工一直是精密模具制造中颇为棘手的问题。目前用手工、机械、化学等现有加工工艺方法对零件表面进行抛光、倒角及去毛刺均有其局限性，特别是对精密模具中的沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等异型表面进行抛光、倒角、去毛刺是无能为力的(因为工具、夹具不能奏效)。软性磨粒流加工是一种借助软性磨粒流在被加工结构化表面的湍流流动，驱动磨粒对壁面的微力微量切削，实现结构化表面的无工具化精密加工的新方法。其中软性磨粒流是一种液-固两相磨粒流，由松散磨粒和液体混合而成，具有弱黏性或无黏性，因此具有更好的流动特性并可实现湍流流动。
软性磨粒流结构化表面流道内，由于流体相的驱动作用，磨粒与磨粒之间、磨粒与壁面之间产生相互碰撞，从而壁面不断受到冲击力和摩擦力而发生磨损。结构化表面的加工效果与碰撞频率和压力相关，通过研究约束流道内的磨粒群分布及其动力学特性，可以很方便地分析结构化表面不同位置的磨损情况，进而指导工件的加工。
然而实际加工过程中，由于结构化表面约束流道非常细小，且密封不透明，要观测约束流道内的磨粒群分布状态是不可能的。目前关于软性磨粒流的精密加工主要集中在基础理论研究，尤其是对软性磨粒流湍流加工机理的分析和数值模拟，而加工过程中软性磨粒流磨粒群的运动状态和分布特性没有得到充分的研究。鉴于磨粒群分布在软性磨粒流加工过程中扮演的重要角色，设计和开发相应的软性磨粒流磨粒群分布观测装置应用于磨粒群研究是一项由意义和深度的工作。
发明内容
为克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种能够观察磨粒群分布状态、便于试验操作和处理的软性磨粒流磨粒群分布观测装置。
软性磨粒流磨粒群分布观测装置，包括盛装有软性磨粒流的磨料箱，位于磨料箱内、浸入软性磨粒流中的潜水泵，允许软性磨粒流浸入其内形成湍流冲击加工待加工工件的由透明材料制成的约束流道，和对准约束流道、照射约束流道内某个断面的磨粒群的光路系统，以及获取断面磨粒群画面的图像采集系统；
所述的潜水泵通过出流管与所述的约束流道的进口连接，所述的约束流道的出口通过回流管与所述的磨料箱连通；
所述的光路系统包括对准所述的约束流道的激光器，和位于激光器与约束流道之间、能形成厚度均匀且光强足够的片光的圆柱形组合透镜；
所述的图像采集系统包括CCD摄像机和安装摄像机的云台，所述的约束流道位于所述的摄像机的视角范围之内，所述的摄像机与进行图像处理的计算机连接，所述的云台受控于一能控制云台升降，旋转的镜头控制器，所述的镜头控制器与所述的计算机连接。
进一步，所述的磨料箱内设有搅拌器，所述的磨料箱的中上部设有防止软性磨粒流过满的溢流管。
进一步，所述的约束流道放置在一透明托架上，所述的激光器固定于可移动安装架上，所述的安装架架设于允许安装架沿其滑动的导轨上。
进一步，所述的摄像机与可将断面内采集区域的磨粒放大的近摄镜头配套使用。
进一步，出流管上设有节流阀。
本发明的技术构思为：磨料箱、潜水泵、搅拌器、出流管、回流管、约束流道和溢流管形成软性流循环系统模型，软性磨粒流循环系统模型是在实际加工系统基础上，依据相似理论，通过建立液固两相软性磨粒流的微分方程和相关单值条件，导出模型的相似准则。当单值条件相似且由单值条件中的物理量组成的相似准则对应相等时，所建软性磨粒流循环系统模型中的软性磨粒流流动状况就会和实际加工系统中软性磨粒流流动状况相似。从而根据实际软性磨粒流循环加工系统的原始数据：如几何尺寸(约束流道的长、宽、高等)、流体密度及粘度、流速、阻力、磨粒性质等进行软性磨粒流循环系统模型的设计。在此基础上，根据观测需要，通过光路系统中的激光器和圆柱型组合透镜产生一定厚度的均匀且足够光强的片光，片光照射在有机玻璃约束流道上形成有厚度的断面，用CCD摄像机加垫圈后与近摄镜头配套使用对断面进行图像采集，图像的采集由计算机内置的图像卡完成，图像卡可完成图像的连续采集，并实时保存，同时还能进行实时监视、冻结、回放等。采集完成后记录的图像通过数据线传递给计算机，计算机在对图像经过流道剪裁、噪声处理、二值化等一系列后置处理后，将磨粒作为特征对象提取出来。软性磨粒流在不同初始速度、不同初始压力、不同磨粒浓度下等条件下进行循环试验，最终获得不同的抛光工艺参数。在不同的抛光工艺参数下，经过不断的试验采集得到图像数据，计算机对这些图像数据进行处理和拟合后，进而获得不同抛光工艺参数组合下的磨粒群运动和分布特征，为指导实际软性磨粒流加工奠定基础。
本发明的有益效果在于：便于试验操作和处理、控制方式简单、适用面广；直观和方便地通过试验手段进行软性磨粒流磨粒群分布的观测和分析；能获得不同抛光工艺参数组合下的磨粒群运动状态和分布特性，积累更多的试验和理论素材；为软性磨粒流结构化表面无工具精密加工技术在模具抛光领域发挥其技术优势和应用潜力奠定重要基础。
附图说明
图1是本发明装置的部件构成图。
图2是本发明装置的整体结构示意图。
图3是本发明装置中软性磨粒流循环系统模型结构示意图。
图4是本发明装置中光路系统、图像采集系统结构示意图。
图5是本发明装置的流程图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
软性磨粒流磨粒群分布观测装置，包括盛装有软性磨粒流的磨料箱12，位于磨料箱12内、浸入软性磨粒流中的潜水泵13，允许软性磨粒流121浸入其内形成湍流冲击加工待加工工件的由透明材料制成的约束流道14，和对准约束流道14、照射约束流道14内某个断面的磨粒群的光路系统2，以及获取断面磨粒群画面的图像采集系统3；
所述的潜水泵13通过出流管151与所述的约束流道14的进口连接，所述的约束流道14的出口通过回流管与所述的磨料箱12连通；
所述的光路系统2包括对准所述的约束流道14的激光器21，和位于激光器21与约束流道14之间、能形成厚度均匀且光强足够的片光的圆柱形组合透镜22；
所述的图像采集系统3包括CCD摄像机32和安装摄像机32的云台33，所述的约束流道14位于所述的摄像机32的视角范围之内，所述的摄像机32与进行图像处理的计算机31连接，所述的云台33受控于一能控制云台33升降，旋转的镜头控制器34，所述的镜头控制器34与所述的计算机31连接。
所述的磨料箱12内设有搅拌器11，所述的磨料箱12的中上部设有防止软性磨粒流过满的溢流管122。
所述的约束流道14放置在透明工作台141上，所述的激光器21固定于可移动安装架211上，所述的安装架211架设于允许安装架211沿其滑动的导轨上。
所述的摄像机32与可将断面内采集区域的磨粒放大的近摄镜头321配套使用。
出流管151上设有节流阀131。
本发明的工作过程是：将一定浓度、粘度的软性磨粒流121置于磨料箱12内，开启搅拌器11使软性磨粒流121混合均匀；待软性磨粒流121混合均匀后开启潜水泵13，调节节流阀131使软性磨粒流121达到一定流速，软性磨粒流121通过出流管151、有机玻璃约束流道14、回流管152返回磨料箱12，如此循环；使光路系统2和图像采集系统3处于工作状态，通过光路系统2的可移动安装架211调节激光器21和圆柱型组合透镜22，调整到较合适的位置紧固好，此时激光器21通过圆柱型组合透镜22产生一定厚度的均匀且足够光强的片光221，片光221照射在有机玻璃约束流道14上形成一定厚度的断面222；调节CCD摄像机32与近摄镜头321，初步获得较好的图像拍摄效果后再进行微调；设置CCD摄像机32的曝光时间，以获得最佳的拍摄效果；CCD摄像机32调试完毕后，图像的采集由计算机31内置的图像卡完成，图像卡可完成图像的连续采集，并实时保存，同时还能进行实时监视、冻结、回放等；计算机31在对图像经过流道剪裁、噪声处理、二值化等一系列后置处理后，将磨粒作为特征对象提取出来；软性磨粒流121在不同初始速度、不同初始压力、不同磨粒浓度下等条件下进行循环试验，最终获得不同的抛光工艺参数；在不同的抛光工艺参数下，经过不断的试验采集得到图像数据，计算机31对这些图像数据进行处理和拟合后，进而获得不同抛光工艺参数组合下的磨粒群运动和分布特征，为指导实际软性磨粒流加工奠定基础。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.软性磨粒流磨粒群分布观测装置，其特征在于：包括盛装有软性磨粒流的磨料箱，位于磨料箱内、浸入软性磨粒流中的潜水泵，允许软性磨粒流浸入其内形成湍流冲击加工待加工工件的由透明材料制成的约束流道，和对准约束流道、照射约束流道内某个断面的磨粒群的光路系统，以及获取断面磨粒群画面的图像采集系统；
所述的潜水泵通过出流管与所述的约束流道的进口连接，所述的约束流道的出口通过回流管与所述的磨料箱连通；
所述的光路系统包括对准所述的约束流道的激光器，和位于激光器与约束流道之间、能形成厚度均匀且光强足够的片光的圆柱形组合透镜；
所述的图像采集系统包括CCD摄像机和安装摄像机的云台，所述的约束流道位于所述的摄像机的视角范围之内，所述的摄像机与进行图像处理的计算机连接，所述的云台受控于一能控制云台升降，旋转的镜头控制器，所述的镜头控制器与所述的计算机连接。
2.如权利要求1所述的软性磨粒流磨粒群分布观测装置，其特征在于：所述的磨料箱内设有搅拌器，所述的磨料箱的中上部设有防止软性磨粒流过满的溢流管。
3.如权利要求2所述的软性磨粒流磨粒群分布观测装置，其特征在于：所述的约束流道放置在一透明托架上，所述的激光器固定于可移动安装架上，所述的安装架架设于允许安装架沿其滑动的导轨上。
4.如权利要求3所述的软性磨粒流磨粒群分布观测装置，其特征在于：所述的摄像机与可将断面内采集区域的磨粒放大的近摄镜头配套使用。
5.如权利要求4所述的软性磨粒流磨粒群分布观测装置，其特征在于：出流管上设有节流阀。
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