紅外透射光學材料機械加工溫度場可視化測量裝置及方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種溫度場的可視化測量裝置及方法，實現(xiàn)機械加工紅外透射光學材 料時，工件與加工工具接觸的被加工區(qū)域二維溫度場的在線實時精確可視化測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外線是指波長介于0.78μπι~ΙΟΟΟμπι之間的電磁波，紅外線平均透射率達到50% 以上的材料稱為紅外透射材料。紅外透射材料主要應用于紅外探測器和飛行器的窗口、頭 罩和整流罩，是廣泛應用于民用和軍事的光學材料。
[0003] 不同的紅外透射材料對應不同的應用波長范圍。目前，在近紅外和中紅外波段 (0.78μπι~6μπι)應用的紅外透射材料有鍺鹽玻璃、人工多晶鍺、氟化鎂(MgF2)、紅外石英玻 璃、人工藍寶石和氮酸鋁等?？赏高^遠紅外波段(6~15μπι)紅外線的材料有:硫化鋅(ZnS)、 硒化鋅(ZnSe)、硫化鑭鈣(CaLa2S4)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)和鍺(Ge)等。
[0004] 紅外透射光學材料多屬于脆性大的難加工貴重材料，且光學元件常采用球面、非 球面甚至異形曲面。在生產(chǎn)中一般采用先銑磨成型再研磨、拋光的加工方法。在加工過程 中，工件材料被去除時加工工具(如銑刀、砂輪、鉆頭、研磨和拋光工具等）與工件表面的摩 擦以及形成切肩時材料的變形會導致工件表面被加工區(qū)域溫度升高。工件加工溫度是影響 工件加工質(zhì)量和加工工具性能的一個重要參數(shù)。工件表面適當?shù)臏囟壬哂兄诓牧宪浕?降低加工難度，而過高的溫度將導致工件燒傷和加工工具失效，都會造成工件表面質(zhì)量惡 化。因此精確測量紅外透射光學材料加工溫度是指導實際生產(chǎn)過程和進行加工機理研究的 關鍵技術(shù)。
[0005] 傳統(tǒng)的加工溫度測量方法有熱電偶法和紅外法。熱電偶法是將電偶絲埋裝或夾裝 在工件表面被加工區(qū)域以下1mm左右處，采集加工過程中電偶頂端兩級之間的熱電勢，然后 通過放大電路將采集信號放大，再利用熱電勢與溫度之間的關系進行計算，最終實現(xiàn)工件 加工溫度測量的目的。紅外法是通過紅外探測器采集工件被加工過程中發(fā)射的紅外線功 率，然后利用斯蒂芬-玻爾茲曼定律(一種表示物體發(fā)射的紅外線功率與物體溫度數(shù)學關系 的計算公式)計算出工件加工溫度。
[0006] 以上兩種加工溫度檢測方法存在著如下不足:對于熱電偶測溫法，熱電偶的埋裝 或夾裝不可避免要對工件進行破壞，只能用于試驗而不適用于實際生產(chǎn)。由于電偶埋裝點 距離工件被加工區(qū)域尚有一段距離，所以測量到的溫度比工件實際加工溫度低。而且對于 導熱性差的非金屬紅外透射光學材料，工件表面以下溫度梯度大，無法有效探測到熱電偶 埋裝點的熱電勢，無法實現(xiàn)加工溫度的測量。對于紅外測溫法，由于加工區(qū)的紅外信號被工 件和工具所遮擋，紅外探測器無法直接接收工件被加工區(qū)域發(fā)出的紅外信號，也無法有效 測量工件加工溫度。有方法使用紅外透射光纖將被加工區(qū)域紅外線導出，然后利用紅外探 測器接收紅外光纖透射的紅外信號。這種方法只能測量加工工具與工件作用點的表面溫 度，并不能測量工件與加工工具接觸被加工區(qū)域的溫度。而且需要成本高昂制作困難的紅 外光纖，測量裝置復雜，只能測量光纖裝夾點處的溫度，無法實現(xiàn)工件與加工工具接觸被加 工區(qū)域溫度場的二維可視化測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有加工溫度檢測技術(shù)無法方便和精確地進行紅外透射 光學材料被加工區(qū)域的溫度場可視化測量的問題，提出了一種應用可響應紅外透射材料應 用波長的紅外探測器和立式加工方法的新加工溫度檢測技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)紅外透射材 料加工過程中工件與加工工具接觸區(qū)域二維溫度場的在線實時精確可視化測量。可以用于 紅外透射光學材料的平面、球面、非球面甚至異形曲面的銑削、磨削、鉆削、研磨和拋光加工 溫度檢測。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 紅外透射光學材料的加工溫度場可視化測量裝置，包括機床工作臺、測溫工裝和 紅外線探測采集系統(tǒng)，所述的機床工作臺上設有一個懸空的測溫工裝，在所述的測溫工裝 上設有紅外線探測窗口，在紅外線探測窗口的一側(cè)設有與其相對的且放置在測溫工裝上的 待測工件，在紅外線探測窗口相對的另一側(cè)安裝與紅外線探測窗口相對應的紅外線探測采 集系統(tǒng)，同時在待測工件的上方設有對其進行加工的加工工具。
[0010] 進一步的，所述的紅外線探測采集系統(tǒng)，其包括一個紅外探測頭，所述的紅外探測 頭與放大器相連，所述的放大器與信號處理裝置相連，所述的信號處理裝置與輸出顯示裝 置相連。
[0011] 進一步的，所述的加工工具在驅(qū)動軸的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對紅外透射材料工件的 加工。
[0012] 進一步的，所述的紅外線探測窗口從測溫工裝的一側(cè)一直貫穿到測溫工裝的另一 側(cè)，且窗口為通孔，可使紅外線全部透過。
[0013] 進一步的，所述的加工工具為銑刀、砂輪、鉆頭、研磨或拋光工具。
[0014] 進一步的，加工時將紅外透射材料工件固定在測溫工裝的側(cè)面，測溫工裝固定在 機床工作臺上。然后利用驅(qū)動軸驅(qū)動加工工具轉(zhuǎn)動，對紅外透射材料工件進行加工。工件表 面溫度升高，輻射出的紅外線由紅外探測窗口射出，進入固定在測溫工裝后面的紅外線探 測采集系統(tǒng)，每一點輻射出的能量由單一映射關系被紅外探測系統(tǒng)接收，將每一點的溫度 由斯蒂芬-玻爾茲曼定律計算出來，即可得到被加工區(qū)域表面溫度場的二維分布，再通過顯 示輸出終端可視化表達，實現(xiàn)工件與加工工具接觸的被加工區(qū)域二維溫度場的在線實時可 視化測量。
[0015] 上述裝置的測量方法如下：
[0016] 加工過程中，切肩變形和加工工具摩擦使工件被加工區(qū)域溫度升高，輻射出的紅 外線可以透過被加工的紅外透射材料工件，直接被固定在測溫工裝后面的紅外線探測頭接 收，然后信號經(jīng)過放大處理;每一點輻射出的紅外線功率由單一映射關系被紅外探測系統(tǒng) 接收，信號處理裝置根據(jù)紅外探測系統(tǒng)接收的紅外線功率與工件表面溫度的關系式，計算 出工件被加工區(qū)域表面每一點溫度，將每一點的溫度進行疊加，進而得到被加工區(qū)域表面 溫度場的二維分布，再通過顯示輸出終端可視化表達，即可實現(xiàn)工件與加工工具接觸被加 工區(qū)域二維溫度場的在線實時可視化測量。
[0017] 進一步的，所述的工件輻射出的紅外線功率Pb(T)與工件表面溫度T之間存在如下 數(shù)學關系(斯蒂芬-玻爾茲曼定律）：
[0018] pb(T) = 〇￡T4
[0019] 式中，σ是斯特藩常數(shù)；ε是紅外透射材料的單色黑度，對于固定的紅外透射材料ε 是一個介于〇和1之間固定的常數(shù)，可以通過實驗進行標定；
[0020] 由上式即可根據(jù)紅外探測系統(tǒng)接收到的紅外線功率計算出工件與加工工具接觸 被加工區(qū)域溫度。
[0021] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] 工件加工溫度是影響工件加工質(zhì)量和加工工具性能的一個重要參數(shù)。精確測量工 件加工溫度既有利于推進紅外透射光學材料機械加工機理研究，又有利于避免該類材料實 際加工生產(chǎn)中的熱損傷，提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量和成品率。目前任何一種加工溫度場測量方 法都無法實現(xiàn)工件與加工工具接觸被加工區(qū)域二維溫度場的可視化測量。紅外透射材料可 以透射被加工區(qū)輻射出的紅外線，紅外線直接被紅外探測系統(tǒng)接收，可以實現(xiàn)加工溫度的 精準測量。和一般紅外測溫方法相比，不存在加工工具與工件緊密接觸導致被加工區(qū)紅外 信號無法被紅外線采集系統(tǒng)接收的問題;和熱電偶測溫法相比，可以直接測量工件與加工 工具接觸被加工區(qū)域二維溫度場。采用立式加工方法，使測溫裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不 需要成本高昂、制作困難的光纖將紅外線信號導出。每一點輻射出的能量由單一映射關系 被紅外探測系統(tǒng)接收，將每一點的溫度由斯蒂芬-玻爾茲曼定律計算出來，再通過顯示輸出 終端可視化表達，可以直接得到被加工區(qū)域二維溫度場的在線實時可視化測量結(jié)果。本發(fā) 明應用范圍廣泛，適用于紅外透射光學材料的平面、球面、非球面甚至異形曲面的銑削、磨 肖IJ、鉆削、研磨和拋光等機械加工溫度檢測。
【附圖說明】
[0023] 圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)為
【發(fā)明內(nèi)容】
中，對紅外透射光學材料進行機械加工時的溫 度場可視化測量裝置圖。
[0024] 圖2為具體實施例一中，對石英玻璃進行磨削，在線實時輸出的磨削區(qū)溫度場二維 可視化測量結(jié)果。
[0025] 圖3為具體實施例二中，對石英玻璃進行磨削，在線實時輸出的磨削區(qū)溫度場二維 可視化測量結(jié)