一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置及其工作方法

技术领域

本发明属于磨削加工装置领域，尤其涉及一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

磨削加工是重要工艺，其中冷却润滑介质起到重要作用，润滑介质的供给方式包括浇注式、微量润滑、纳米流体微量润滑等；其中纳米流体微量润滑解决了绿色高性能磨削难题，纳米流体微量润滑磨削采用植物油性基础油和粒径小于100nm的固体粒子配制高分散性的绿色纳米流体作为润滑剂，在高压气体雾化携带下以低至浇注式5％的流量供给至磨削区；由于纳米流体润滑剂的可降解和精准微量供给特点，实现了磨削加工过程的绿色制造；进一步地，相比传统的浇注式和微量润滑供液方法，纳米粒子的引入通过其独特的微运动和传热微通道大幅提升了微量润滑剂的对流换热性能，同时由于纳米粒子在磨削区优异的减摩抗磨特性显著增强了润滑性能。

在车削过程中刀具/工件界面形成的浸润空间为单毛细结构，而磨削区/工件界面具有磨粒、气孔、微凸体和微凹坑等表面特性，砂轮/工件界面加工过程中会形成复杂的微纳通道网络更有可能为润滑剂浸润提供通道；对于浅磨砂轮/工件界面微通道及网络的几何数学模型已有研究进行了建立并对微通道及网络的形态和表面微观特性进行了量化表征；但由于砂轮和工件的高速相对运动、高温域特性，使纳米流体在界面的浸润成为极其复杂的流体动力学行为。

对于润滑液微纳通道毛细管浸润和温度分布状况目前暂无加工过程中实现动态采集的装置，探究浸润性能的好坏往往只能从侧面如磨粒的磨损情况、工件的表面粗糙度等方面进行反映，为了更好地揭示多物理场、磨削区温度场耦合与纳米流体参数(纳米粒子种类、基础油种类、纳米流体浓度)耦合作用下的纳米流体粘度、表面张力变化机制，探究磨削区复杂随机分布微纳通道内的浸润机制，揭示毛细管负压泵吸效应、毛细粘附效应和热牵引效应，探究多物理场牵引与微通道几何特性耦合作用下的纳米浸润行为等等一系列研究，建立一种可以实现在磨削加工中对润滑液渗透浸润和温度分布进行动态采集的装置具有十分重要的意义。

中国发明专利CN201711278067.1公开了一种超声振动辅助磨削液微通道浸润的纳米流体微量润滑磨削装置，该装置解决了现有技术中未变形磨屑厚度对磨削过程有较大影响的问题，具有从微观角度上充分考虑了单颗磨粒在磨削过程中去除材料时的润滑状态，有效地实现了超声振动辅助磨削对提高纳米流体微量润滑冷却润滑效果的作用。其采用超声辅助进行磨削加工探究磨削液浸润的冷却润滑性能，但并没有对磨削液渗透浸润和温度分布进行动态采集的装置，无法在视野上对磨削液的浸润成膜情况和温度的分布情况进行直观的观察，无法更准确地反映磨削液浸润冷却润滑性能的提升。

中国发明专利CN202111422746.8公开了一种多能场纳米润滑剂微尺度骨磨削加工测量系统，综合考虑超声振动、纳米流体、荷电雾化的耦合作用，能够实时在线检测纳米粒子微液滴、磨削温度和磨削力。但该装置只是实时检测了微液滴的运动轨迹、磨削温度和磨削力，没有对磨削液渗透浸润情况进行动态采集，无法在视野上对磨削液的浸润成膜情况和温度的分布情况进行直观的观察，也并没有使用到精度为微纳米级的光学动态采集系统，精度上无法确保数据准确，并且其检测系统也没有位置上的移动控制无法从多角度上对微液滴进行检测。

中国实用新型专利CN202120664399.9公开了一种碗型砂轮端面磨削硬质合金刀片在线检测装置，其所述工件装夹于测力仪上，测力仪通过导线与测力仪电荷放大器电连接，测力仪电荷放大器通过导线与测力仪数据采集器电连接，数据采集器通过导线与计算机处理装置电连接，所述红外测温仪用于检测砂轮的磨削温度，所述激光位移传感器用于检测砂轮的轴向位移，其实用新型能够实现磨削过程的实时跟踪检测，从而自适应调整砂轮进给系统的转速与进给量，使磨削过程更加高效稳定。但该装置只是适用于端面磨床的在线检测，并不能在平面磨床上进行使用，并且其只能在线检测砂轮的磨削温度，并不能对润滑液的渗透浸润以及加工区域温度分布进行在线检测，无法在视野上对磨削液的浸润成膜情况和温度的分布情况进行直观的观察。

可见，目前虽然存在多物理场辅助磨削加工装置、纳米流体微量润滑切磨削加工装置和刀具光学检测系统，但存在以下问题：1)没有针对磨削加工润滑液渗透浸润性能和温度动态分布的在线采集进行设计，目前没有类似的技术方案；2)没有利用光学检测系统对润滑液渗透浸润或者加工区域温度分布情况进行动态采集；3)没有根据动态采集的需求来调整检测镜组的位置和物距，使动态影像处于最优的检测状态；4)没有将夹具体结构与光学检测系统有效结合起来的动态采集装置设计。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置及其工作方法，通过夹具体结构和光学检测系统结构的相互配合，对磨削加工区域润滑液渗透浸润性能和温度分布的动态采集，在视野上对磨削液的浸润成膜情况和温度的分布情况进行直观展示,更准确地反映磨削液浸润冷却润滑性能的提升。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置；

一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置，包括夹具体结构、光学检测系统结构和磁性工作台；

所述磁性工作台吸附固定所述夹具体结构，所述光学检测系统结构固定连接所述夹具体结构，工件固定在所述夹具体结构上；

在工件的磨削加工过程中，所述夹具体结构对磨削区进行成像，并传给光学检测系统结构，光学检测系统结构根据加工情况调整镜头距离及水平位置，并进行信号处理，最终生成润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布的影像。

进一步的，所述夹具体结构包括夹具体壳体、吸附底盘、夹紧组件、伸缩密封组件；

所述夹具体壳体固定在吸附底盘上，吸附底盘被磁性工作台通电吸附；

所述夹紧组件固定在夹具体壳体上表面，用于从侧面对工件进行夹紧固定；

所述伸缩密封组件，安装在夹具体壳体的内部空洞槽中，用于抵紧工件底部，并形成密封结构，通过密封结构中的镜组对磨削区进行成像。

进一步的，所述夹紧组件包括安装在夹具体壳体上的支撑板、第一定位板和微型液压夹紧机构；

所述工件放置在支撑板上，并与第一定位板和定位钉接触实现六点定位，工件上端用微型液压夹紧机构夹紧。

进一步的，所述伸缩密封组件包括凸台、移动台和镜组；

所述凸台安装在夹具体壳体的内部空洞槽中，凸台内部为正方形内部掏空结构；

所述镜组，安装在凸台的内部掏空结构中，包括分光镜和45度平面镜，分光镜正对着工件的检测区域设置，45度平面镜垂直放置在分光镜底部；

所述移动台，安装在凸台的侧面，通过电机带动沿着凸台竖直上升抵紧工件底部，移动台、凸台与工件形成密封结构。

进一步的，所述光学检测系统结构包括丝杆移动平台、检测镜组、连接旋转卡扣；

所述检测镜组固定在丝杆移动平台上，通过移动平台控制检测镜组的左右移动；

所述连接旋转卡扣用于固定连接夹具体结构，使丝杆移动平台上的检测镜组正对夹具体结构中的镜组。

进一步的，所述丝杆移动平台，采用电机丝杆机构，通过电机控制丝杆转动的距离，使移动平台在微米级别的范围内进行移动，根据动态采集的需求，调整检测镜组的位置。

进一步的，所述检测镜组，包括依次连接的无限远物镜、调焦筒、延长筒、摄像机和成像元件；

其中，摄像机为高速相机或热成像摄像机，成像元件为CCD感光元件或红外热成像芯片，采集润滑液渗透浸润成膜时，用高速相机和CCD感光元件，采集温度动态分布时，用热成像摄像机和红外热成像芯片。

本发明第二方面提供了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置的工作方法。

一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置的工作方法，包括：

根据动态采集的需求，对动态采集装置进行配置；

在工件的磨削加工过程中，利用配置好的动态采集装置，对磨削区进行成像，并进行信号处理，最终生成润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布的影像；

其中，所述动态采集的需求，分为润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布。

进一步的，所述对动态采集装置进行配置，具体为：

若生成润滑液渗透浸润成膜的影像，则安装上分光镜并通过分光镜挡块固定，通过外部遥控开启可控LED灯条并调节其亮度；

若生成温度动态分布的影像，则取下分光镜并关闭可控LED灯条。

进一步的，所述动态采集装置，通过粗调和精调两种方式，调整检测镜组的水平位置和焦距。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明的装置对磨削加工区域润滑液渗透浸润性能和温度分布的动态采集，在视野上对磨削液的浸润成膜情况和温度的分布情况进行直观展示,更准确地反映磨削液浸润冷却润滑性能的提升。

本发明的装置采用夹具体结构包括夹紧组件、伸缩密封组件和光学检测系统结构包括箱体、丝杆移动平台、检测镜组、连接旋转卡扣，夹具体结构和光学检测系统结构能在磨削加工的同时良好地配合在一起，对润滑液渗透浸润成膜性能和温度动态分布发挥优异的动态采集功能。

本发明的检测镜组采用堆叠显微镜组结构，尾端起主要采集作用的高速相机或者热成像摄像机在前面各种镜组的相互配合下，可以有效检测到在磨削加工时润滑液渗透浸润的情况或者是加工区域的温度，调焦采用电机驱动带轮传动，有精准控制功能的电机可以在一定精度内控制带轮转动的距离，从而使调焦筒能在微米级别的范围内进行伸缩调焦，利于加强采集时动态影像的清晰度和可视性，整体对于动态采集和数据分析都能产生更加直观的效果。

本发明的夹紧组件采用五个微型液压夹紧机构，其中四个前后对称放置，另一个放置在侧面在磨削加工时可以提供一个推力紧固作用，整体可以对不同厚度的亚克力玻璃工件进行夹紧固定保证亚克力玻璃工件在磨削加工时的稳定性，便于后期对润滑液浸润区域的采集。

本发明的伸缩密封组件采用电机驱动齿轮齿条机构带动导轨滑块移动从而使移动台沿着凸台竖直上升抵紧亚克力玻璃工件底部，加上密封条和密封板的多种密封配合下，使凸台内部的镜组不会受到润滑液和切屑的污染，得到良好的密封，凸体内部可控LED灯条可以提供充分的照明强度以及在分光镜的同轴光照明技术下可以消除亚克力玻璃工件的反光效果，更利于光学检测系统的影像采集。

本发明的箱体采用箱体结构把检测镜组和丝杆移动平台全部罩住保护起来，不仅保证了检测镜组和丝杆移动平台不受润滑液和切屑的污染，还能保证检测镜组黑暗密闭的环境，不受外界光线的干扰，利于检测镜组更好地动态采集润滑液渗透浸润区域。

本发明的丝杆移动平台采用电机丝杆机构，有精准控制功能的电机可以在一定精度内控制丝杆转动的距离，从而使移动平台能在微米级别的范围内进行移动，在整体上则表现为检测镜组的左右控制移动，利于在磨削加工中润滑液渗透浸润的同时可以根据动态采集的需求调整检测镜组的位置，利于更好地进行采集。

本发明的连接旋转卡扣采用旋转卡扣结构，夹具体密封板上的旋转卡扣和检测镜组密封板旋转卡扣通过旋转配合使夹具体结构和光学检测系统结构连接固定起来，不仅能有效保证了检测镜组和丝杆移动平台不受润滑液和切屑的污染，还能保证检测镜组黑暗密闭的环境，不受外界光线的干扰，夹具体密封板上的柔性保护罩在磨削加工进行时还能起到缓震的效果，保证整体光学检测系统的稳定性，利于检测镜组更好地动态采集润滑液渗透浸润区域。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1(a)为光学检测系统原理图；

图1(b)为润滑液渗透浸润采集流程图；

图1(c)为温度动态分布采集流程图；

图2为实施例一的总装轴测图；

图3为实施例一的夹具体结构第一层爆炸视图；

图4为实施例一的夹具体结构的轴测图；

图5为实施例一的夹具体夹紧组件的正视剖视图；

图6为实施例一的夹具体夹紧组件的侧视剖视图；

图7为实施例一的夹具体夹紧组件的俯视剖视图；

图8为实施例一的夹具体结构第二层爆炸视图；

图9为实施例一的夹具体伸缩密封组件的正视剖视图；

图10为实施例一的夹具体伸缩密封组件的侧视剖视图；

图11为实施例一的夹具体结构第三层爆炸视图；

图12为实施例一的夹具体伸缩密封组件的俯视图；

图13为实施例一的夹具体伸缩密封A-A和B-B方向的剖视图；

图14(a)为实施例一的夹具体壳体轴测图一；

图14(b)为实施例一的夹具体壳体轴测图二；

图14(c)为实施例一的夹具体壳体轴测图三；

图14(d)为实施例一的夹具体壳体正视图；

图14(e)为实施例一的夹具体壳体侧视图；

图14(f)为实施例一的夹具体壳体俯视图；

图15为实施例一的夹具体伸缩密封的侧视剖视图；

图16为实施例一的伸缩密封台的爆炸示意图

图17为实施例一的伸缩密封台的正视剖视图；

图18为实施例一的伸缩密封台的侧视剖视图；

图19为实施例一的凸台轴测图；

图20为实施例一的凸台C-C方向剖视图；

图21为实施例一的光学检测系统结构的轴测图；

图22为实施例一的光学检测系统箱体的侧视剖视图；

图23为实施例一的光学检测系统检测镜组的轴测图；

图24为实施例一的光学检测系统检测镜组的正视剖视图；

图25为实施例一的光学检测系统检测镜组的俯视剖视图；

图26为实施例一的夹具体结构和光学检测系统结构连接的轴测图；

图27为实施例一的夹具体结构和光学检测系统结构连接的侧视剖视图；

图28为实施例一的夹具体结构和连接旋转卡扣轴测图；

图29为实施例一的连接旋转卡扣D-D方向剖视图；

图30为实施例二的夹具体结构的轴测图；

图31为实施例二的夹具体结构夹紧组件的俯视图；

图32为实施例二的夹具体结构夹紧组件的正视剖视图；

其中，Ⅰ夹具体结构、Ⅱ光学检测系统结构、Ⅲ磁性工作台、Ⅳ砂轮、Ⅴ亚克力玻璃工件；

Ⅰ-1夹具体壳体、Ⅰ-1-1支撑板固定槽、Ⅰ-1-2液压机构固定槽、Ⅰ-1-3液压系统凹槽、Ⅰ-1-4内部空洞槽、Ⅰ-1-5电机槽、Ⅰ-1-6检测掏空区域、Ⅰ-2吸附底盘、Ⅰ-3夹紧组件、Ⅰ-3-1第一定位板、Ⅰ-3-2微型液压夹紧机构、Ⅰ-3-3第二定位板、Ⅰ-3-4液压夹紧机构固定密封板、Ⅰ-3-5定位钉、Ⅰ-3-6支撑板、Ⅰ-3-7真空吸盘固定密封板、Ⅰ-3-8真空吸盘、Ⅰ-4伸缩密封组件、Ⅰ-4-1 45度平面镜、Ⅰ-4-2平面镜夹板、Ⅰ-4-3平面镜底板、Ⅰ-4-4电机罩、Ⅰ-4-5导轨滑块、Ⅰ-4-6凸台、Ⅰ-4-6-1正方形内部掏空结构、Ⅰ-4-6-2侧面掏空结构、Ⅰ-4-6-3滑槽结构、Ⅰ-4-7电机密封板、Ⅰ-4-8齿轮、Ⅰ-4-9导轨、Ⅰ-4-10分光镜、Ⅰ-4-11第一微型电机、Ⅰ-4-12可控LED灯条、Ⅰ-4-13齿条、Ⅰ-4-14移动台、Ⅰ-4-15分光镜挡块、Ⅰ-4-16分光镜挡块底板、Ⅰ-5凸台密封板、Ⅰ-5-1凸台密封板底部凹槽、Ⅰ-6第一密封条、Ⅰ-7第二密封条、Ⅰ-8第三密封条、Ⅰ-9壳体凹槽；

Ⅱ-1放置平台、Ⅱ-2计算机、Ⅱ-3箱体、Ⅱ-3-1箱体、Ⅱ-3-2圆形水平仪、Ⅱ-3-3数据线、Ⅱ-3-4箱体底盘、Ⅱ-3-5可调支脚、Ⅱ-3-6塞子、Ⅱ-4丝杆移动平台、Ⅱ-4-1第二微型电机、Ⅱ-4-2第一电机座、Ⅱ-4-3第一轴承座、Ⅱ-4-4连接底板、Ⅱ-4-5第二轴承座、Ⅱ-4-6移动平台底板、Ⅱ-4-7移动平台、Ⅱ-4-8第二电机座、Ⅱ-4-9第三微型电机、Ⅱ-4-10带轮、Ⅱ-4-11同步带、Ⅱ-4-12丝杆、Ⅱ-4-13联轴器、Ⅱ-5检测镜组、Ⅱ-5-1高速相机/热成像摄像机、Ⅱ-5-2相机转接环、Ⅱ-5-3第一延长筒、Ⅱ-5-4抱箍、Ⅱ-5-5第二延长筒、Ⅱ-5-6调焦筒部件一、Ⅱ-5-7调焦筒部件二、Ⅱ-5-8管镜、Ⅱ-5-9无限远物镜转接环、Ⅱ-5-10无限远物镜、Ⅱ-5-11固定销、Ⅱ-6连接旋转卡扣、Ⅱ-6-1检测镜组密封板、Ⅱ-6-1-1检测镜组密封板旋转卡扣、Ⅱ-6-2夹具体密封板、Ⅱ-6-2-1柔性保护罩、Ⅱ-6-2-2夹具体密封板旋转卡扣。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例公开了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置；如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，光学检测系统原理以强力深磨为例，当磨削加工开始时砂轮/工件界面加工过程中会形成复杂的微纳通道网络为浸润剂提供通道，为了采集到润滑液的渗透浸润情况，在严格密封以及优良的黑暗环境中，一侧的可控LED灯条不仅为磨削区提供了充分的光照强度，还可以和分光镜配合(同轴光照明技术)有效消除亚克力玻璃工件自身会产生的反光负面效果，并且可以根据需要，通过外部遥控控制可控LED灯条的开、关以及亮度的变化，45度平面镜垂直放置在分光镜底部，并将加工区域的像反射到无限远物镜中，管镜搭配无限远物镜使用，可以把物镜的像差作十分完善的校正，并且搭配起来的物镜视域宽阔，调焦筒可以根据动态采集的需求，调整物距的大小，利于最终成像的清晰度，并且调焦筒可以支持管镜在各种法兰距下无限远合焦，但聚焦后的光线到感光原件的距离较远，所以需要采用延长筒，其作用是可以使镜头的对焦距离缩短，提高镜头的微距性能，最后通过高速相机的摄像镜头将影像转化为视频信号使内部的CCD感光元件接收并进行一系列处理，并最终通过数据线导入到计算机屏幕进行观察。

当采集磨削区的动态温度分布情况时，通过外部遥控关闭可控LED灯条，并从凸台内部取出分光镜，避免外界光线温度以及不必要的反射对加工区域散发的红外辐射产生干扰，将高速相机换接成热成像摄像机，密封好整体设备后开始磨削检测，热成像摄像机的摄像头并将信号传递给内部的红外探测器，红外探测器将接收到的信号进行调理及放大后输出给红外热成像芯片，进行一系列图像处理后利用数据线将温度分布影像导入计算机屏幕并进行动态采集。

如图2所示，一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置，包括夹具体结构Ⅰ、光学检测系统结构Ⅱ、磁性工作台Ⅲ、砂轮Ⅳ、亚克力玻璃工件Ⅴ；

磁性工作台Ⅲ可以吸附固定夹具体结构Ⅰ，夹具体结构Ⅰ可以对亚克力玻璃工件Ⅴ进行定位夹紧，砂轮Ⅳ对亚克力玻璃工件Ⅴ进行磨削加工的同时，光学检测系统结构Ⅱ可以通过加工情况调整镜头距离及水平位置，可以实现更好的影像采集功能。

如图2、图3和图4所示，夹具体结构Ⅰ包括夹具体壳体Ⅰ-1、吸附底盘Ⅰ-2、夹紧组件Ⅰ-3、伸缩密封组件Ⅰ-4、凸台密封板Ⅰ-5、第一密封条Ⅰ-6、第二密封条Ⅰ-7、第三密封条Ⅰ-8；吸附底盘Ⅰ-2采用钢铁材料可被磁性工作台Ⅲ通电吸附，可采用铝合金材料的夹具体壳体Ⅰ-1固定在吸附底盘上，保证夹具体结构Ⅰ在加工过程中整体的稳定性。

如图5、图6、图7、图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)、图14(e)和图14(f)所示，夹具体壳体Ⅰ-1包括支撑板固定槽Ⅰ-1-1、液压机构固定槽Ⅰ-1-2、液压系统凹槽Ⅰ-1-3、内部空洞槽Ⅰ-1-4、电机槽Ⅰ-1-5、检测掏空区域Ⅰ-1-6，两个支撑板Ⅰ-3-6分别安装在两个支撑板固定槽Ⅰ-1-1上，支撑板Ⅰ-3-6上侧与亚克力玻璃工件Ⅴ底面接触，限制其三个自由度起到底面定位的作用，第一定位板Ⅰ-3-1和第二定位板Ⅰ-3-3安装固定在夹具体壳体Ⅰ-1上，定位钉Ⅰ-3-5安装于第二定位板Ⅰ-3-3上，亚克力玻璃工件Ⅴ一端与第一定位板Ⅰ-3-1接触，另一端与定位钉Ⅰ-3-5接触，分别限制了亚克力玻璃工件Ⅴ的两个自由度和一个自由度，从而总共限制六个自由度起到完全定位的作用。五个微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2分别安装固定在对应的液压机构固定槽Ⅰ-1-2内，液压系统凹槽Ⅰ-1-3用以微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2连接外部的液压系统，其中在中间对称的四个微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2对定位好的亚克力玻璃工件Ⅴ起到夹紧的作用，另一侧立起的微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2用以砂轮Ⅳ对亚克力玻璃工件Ⅴ磨削加工时起到一个侧面的推力固定作用。

如图8、图9、图10、图11和图12所示，凸台Ⅰ-4-6安装在内部空洞槽Ⅰ-1-4中，凸台Ⅰ-4-6为正方形内部掏空结构Ⅰ-4-6-1，与检测掏空区域Ⅰ-1-6大小相等并且正对放置，45度平面镜Ⅰ-4-1通过平面镜夹板Ⅰ-4-2固定在平面镜底板Ⅰ-4-3上，平面镜底板Ⅰ-4-3安装在检测掏空区域Ⅰ-1-6底部并正对放置在凸台Ⅰ-4-6正方形内部掏空结构Ⅰ-4-6-1底部，使45度平面镜Ⅰ-4-1水平视野大于或等于检测掏空区域Ⅰ-1-6大小，在磨削加工时可以从底部对磨削液浸润情况进行光学成像，也便于光学成像的完整性。

如13和图15所示，导轨Ⅰ-4-9安装在凸台Ⅰ-4-6前后两侧，一侧分别安装两个导轨Ⅰ-4-9，移动台Ⅰ-4-14内部前后也分别安装两个导轨滑块Ⅰ-4-5，在导轨滑块Ⅰ-4-5与导轨Ⅰ-4-9的滑移配合下，移动台Ⅰ-4-14可以沿着凸台竖直方向进行移动，移动台Ⅰ-4-14另一侧安装有齿条Ⅰ-4-13，第一微型电机Ⅰ-4-11和两个左右对称的电机密封板Ⅰ-4-7安装在夹具体壳体Ⅰ-1一侧内部，电机罩Ⅰ-4-4安装在电机槽Ⅰ-1-5内，两个左右对称的电机密封板Ⅰ-4-7和电机罩Ⅰ-4-4分别对第一微型电机Ⅰ-4-11前后端进行密封。第一微型电机Ⅰ-4-11轴与齿轮Ⅰ-4-8相连，齿轮Ⅰ-4-8与齿条Ⅰ-4-13配合从而带动移动台Ⅰ-4-14可以自动沿着凸台Ⅰ-4-6竖直方向移动。凸台密封板Ⅰ-5安装在夹具体壳体Ⅰ-1上，可以对内部空洞槽Ⅰ-1-4进行密封，凸台密封板Ⅰ-5内部也为正方形掏空结构，第二密封条Ⅰ-7安装在凸台密封板底部凹槽Ⅰ-5-1内并与凸台密封板Ⅰ-5的配合下，使内部空洞槽Ⅰ-1-4与凸台Ⅰ-4-6之间得到良好密封，移动台Ⅰ-4-14顶部安装第一密封条Ⅰ-6，第一密封条Ⅰ-6外侧的正方形大小等于凸台密封板Ⅰ-5内部正方形掏空区域大小，第一密封条Ⅰ-6底部到第二密封条Ⅰ-7顶部的距离大于移动台Ⅰ-4-14水平向下移动的距离，第一密封条Ⅰ-6底部到凸台密封板Ⅰ-5顶部的距离大于移动台Ⅰ-4-14水平向上移动的距离，所以在第一微型电机Ⅰ-4-11的带动控制下，移动台Ⅰ-4-14可以在精度范围内向上移动，顶部的第一密封条Ⅰ-6与亚克力玻璃工件Ⅴ底部接触起到良好密封作用，防止润滑液和碎屑进入到凸台Ⅰ-4-6内部对光学系统造成影响。

如图16、图17、图18、图19和图20所示，凸台Ⅰ-4-6内部为滑槽结构Ⅰ-4-6-3，分光镜Ⅰ-4-10安装在滑槽结构Ⅰ-4-6-3内，分光镜Ⅰ-4-10底部与侧面都与滑槽结构Ⅰ-4-6-3良好接触，上部突出一端被分光镜挡块Ⅰ-4-15抵住固定，分光镜挡块Ⅰ-4-15与分光镜挡块底板Ⅰ-4-16连接，分光镜挡块底板Ⅰ-4-16安装在凸台Ⅰ-4-6的右侧，方便后期分光镜Ⅰ-4-10的拆卸与安装。凸台Ⅰ-4-6左端内部为侧面掏空结构Ⅰ-4-6-2，可控LED灯条Ⅰ-4-12安装在侧面掏空结构Ⅰ-4-6-2内，大小与侧面掏空结构Ⅰ-4-6-2大小相等。可控LED灯条Ⅰ-4-12用以提供足够的照明强度，在良好密封和分光镜Ⅰ-4-10的配合作用下，同轴光照明技术可以使亚克力玻璃工件Ⅴ底部需要检测的加工区域消除反光和增加后期成像的清晰度，并且可以根据需要通过外部遥控控制其开和关以及亮度的变化。

如图21和图22所示，光学检测系统结构Ⅱ包括放置平台Ⅱ-1、计算机Ⅱ-2、箱体Ⅱ-3、丝杆移动平台Ⅱ-4、检测镜组Ⅱ-5和连接旋转卡扣Ⅱ-6。箱体Ⅱ-3包括箱体Ⅱ-3-1、圆形水平仪Ⅱ-3-2、数据线Ⅱ-3-3、箱体底盘Ⅱ-3-4、可调支脚Ⅱ-3-5和塞子Ⅱ-3-6。箱体Ⅱ-3-1安装在箱体底盘Ⅱ-3-4上，四个可调支脚Ⅱ-3-5安装在箱体底盘Ⅱ-3-4的底部，可调支脚Ⅱ-3-5与放置平台Ⅱ-1接触，保证整体箱体Ⅱ-3的稳定性，圆形水平仪Ⅱ-3-2安装在箱体Ⅱ-3-1上端，可以验证箱体Ⅱ-3-1是否水平。计算机Ⅱ-2设置在放置平台Ⅱ-1一侧，通过数据线Ⅱ-3-3与高速相机/热成像摄像机Ⅱ-5-1相连，并用塞子Ⅱ-3-6将箱体数据线Ⅱ-3-3洞口密封。

如图23、图24和图25所示，丝杆移动平台Ⅱ-4包括第二微型电机Ⅱ-4-1、第一电机座Ⅱ-4-2、第一轴承座Ⅱ-4-3、连接底板Ⅱ-4-4、第二轴承座Ⅱ-4-5、移动平台底板Ⅱ-4-6、移动平台Ⅱ-4-7、第二电机座Ⅱ-4-8、第三微型电机Ⅱ-4-9、带轮Ⅱ-4-10、同步带Ⅱ-4-11、丝杆Ⅱ-4-12、联轴器Ⅱ-4-13。检测镜组Ⅱ-5包括高速相机/热成像摄像机Ⅱ-5-1、相机转接环Ⅱ-5-2、第一延长筒Ⅱ-5-3、抱箍Ⅱ-5-4、第二延长筒Ⅱ-5-5、调焦筒部件一Ⅱ-5-6、调焦筒部件二Ⅱ-5-7、管镜Ⅱ-5-8、无限远物镜转接环Ⅱ-5-9、无限远物镜Ⅱ-5-10、固定销Ⅱ-5-11。连接底板Ⅱ-4-4固定在箱体Ⅱ-3-1内部，第一轴承座Ⅱ-4-3和第一电机座Ⅱ-4-2分别安装在连接底板Ⅱ-4-4的两侧，第二轴承座Ⅱ-4-5安装在连接底板Ⅱ-4-4上，丝杆Ⅱ-4-12穿过移动平台底板Ⅱ-4-6与第一轴承座Ⅱ-4-3和第二轴承座Ⅱ-4-5连接固定，第二微型电机Ⅱ-4-1安装在第一电机座Ⅱ-4-2上，第二微型电机Ⅱ-4-1轴与丝杆Ⅱ-4-12一端通过联轴器Ⅱ-4-13相连，移动平台Ⅱ-4-7固定在移动平台底板Ⅱ-4-6上端，检测镜组Ⅱ-5整体通过抱箍Ⅱ-5-4固定在移动平台Ⅱ-4-7之上，所以在第二微型电机Ⅱ-4-1的带动控制下，移动平台Ⅱ-4-7可以沿着丝杆Ⅱ-4-12左右方向在精度范围内移动，检测镜组Ⅱ-5整体也可以实现左右精度范围内的控制移动，便于对润滑液浸润情况进行检测。高速相机/热成像摄像机Ⅱ-5-1通过相机转接环Ⅱ-5-2与第一延长筒Ⅱ-5-3和第二延长筒Ⅱ-5-5连接，前端的延长筒与调焦筒部件一Ⅱ-5-6固定，调焦筒部件一Ⅱ-5-6设计为滑槽结构并内部掏空，调焦筒部件二Ⅱ-5-7配合固定销Ⅱ-5-11进行水平方向上调焦移动，第二电机座Ⅱ-4-8固定在移动平台Ⅱ-4-7一侧，第三微型电机Ⅱ-4-9固定在第二电机座Ⅱ-4-8上，第三微型电机Ⅱ-4-9轴与带轮Ⅱ-4-10连接，同步带Ⅱ-4-11绕过调焦筒部件一Ⅱ-5-6底部和带轮Ⅱ-4-10，在第三微型电机Ⅱ-4-9的带动控制下，可以实现检测镜组Ⅱ-5在精度范围内水平方向上的自动调焦，便于检测润滑液渗透浸润情况。管镜Ⅱ-5-8安装在调焦筒部件二Ⅱ-5-7前端，通过无限远物镜转接环Ⅱ-5-9与无限远物镜Ⅱ-5-10连接。整体检测镜组Ⅱ-5应正对45度平面镜Ⅰ-4-1反射水平方向，保证后期成像的完整性和可视性。

如图26、图27、图28和图29所示，连接旋转卡扣Ⅱ-6包括检测镜组密封板Ⅱ-6-1、夹具体密封板Ⅱ-6-2、柔性保护罩Ⅱ-6-2-1和旋转卡扣Ⅱ-6-2-2。其中夹具体密封板Ⅱ-6-2安装在夹具体壳体Ⅰ-1和吸附底盘Ⅰ-2上，第三密封条Ⅰ-8安装在壳体凹槽Ⅰ-9内并包覆住夹具体密封板Ⅱ-6-2的一部分，在两者配合作用下可以提供夹具体壳体Ⅰ-1内部一个良好的密封性，防止外部光线的影响以及磨削液和切屑的进入。检测镜组密封板Ⅱ-6-1安装在箱体Ⅱ-3-1前端，夹具体密封板Ⅱ-6-2包括柔性保护罩Ⅱ-6-2-1和旋转卡扣Ⅱ-6-2-2，夹具体密封板上的旋转卡扣Ⅱ-6-2-2与检测镜组密封板的旋转卡扣Ⅱ-6-1-1同等尺寸并旋转配合连接，使整体夹具体结构Ⅰ和光学检测系统结构Ⅱ有效结合起来并保证良好的密封性和检测环境。

实施例二

本实施例公开了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置；

如图30、图31和图32所示，与实施例一相比改变了夹具体结构Ⅰ的夹紧组件Ⅰ-3，原本五个微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2只取最左侧一个微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2，在磨削加工的过程中起到侧面推力夹紧的作用，其余四个微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2替换成了四个真空吸盘Ⅰ-3-8，真空吸盘固定密封板Ⅰ-3-7安装在夹具体壳体Ⅰ-1上，真空吸盘Ⅰ-3-8固定在真空吸盘固定密封板Ⅰ-3-7内并安装在亚克力玻璃工件Ⅴ底部，真空吸盘Ⅰ-3-8通过外接真空发生装置产生吸附作用从而对亚克力玻璃工件Ⅴ起到固定的作用。

实施例三

本实施例公开了一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置的工作方法；

一种磨削区油膜与温度分布动态采集装置的工作方法，包括：

根据动态采集的需求，对动态采集装置进行配置；

在工件的磨削加工过程中，利用配置好的动态采集装置，对磨削区进行成像，并进行信号处理，最终生成润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布的影像；

其中，所述动态采集的需求，分为润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布。

本实施例的具体方案可参考以下内容实现：

步骤S1：磁性工作台Ⅲ通电吸附夹具体结构Ⅰ，通过旋转卡扣Ⅱ-6连接好光学检测系统结构Ⅱ和夹具体结构Ⅰ，并用数据线连接高速相机/热成像摄像机Ⅱ-5-1和计算机Ⅱ-2屏幕。

步骤S2：安装上亚克力玻璃工件Ⅴ进行好定位并用微型液压夹紧机构Ⅰ-3-2夹紧，通过第一微型电机Ⅰ-4-11的带动控制下，使移动台Ⅰ-4-14抵紧亚克力玻璃工件Ⅴ底部，若生成润滑液渗透浸润成膜性能影像，则需要安装上分光镜Ⅰ-4-10并通过分光镜挡块Ⅰ-4-15固定好，并通过外部遥控开启可控LED灯条Ⅰ-4-12并调节其亮度，若生成温度动态分布影像，则需取下分光镜Ⅰ-4-10并关闭可控LED灯条Ⅰ-4-12。

步骤S3：通过第二微型电机Ⅱ-4-1和第三微型电机Ⅱ-4-9分别带动控制丝杆移动平台Ⅱ-4和调焦筒部件二Ⅱ-5-7的伸缩调焦，使检测镜组Ⅱ-5对加工区域可以完整成像到计算机Ⅱ-2屏幕上，此操作为粗调。

步骤S4：启动磨床使砂轮Ⅳ开始对亚克力玻璃工件Ⅴ加工区域进行磨削加工，并开始生成润滑液渗透浸润成膜和温度动态分布的影像。

步骤S5：在磨削加工的同时，若生成的影像精度不高，则通过第二微型电机Ⅱ-4-1和第三微型电机Ⅱ-4-9在一定精度范围内分别精调检测镜组Ⅱ-5的水平位置和焦距。

步骤S6：生成结束后关闭磨床电源、磁性工作台Ⅲ电源、液压系统和可控LED灯条。

以磁场辅助强力深磨为例，在加工时去除单位材料体积所消耗的能量远大于其它切削加工方法，并且会在磨削区产生大量的热；过高的磨削区温度，不但会影响加工表面的质量和砂轮的使用寿命，而且会对润滑液的性能产生影响；由于在强力磨削中磨削深度增加，磨削区弧长比普通磨削大几倍至几十倍，加之砂轮磨粒负前角切削而产生高热量的特性，致使磨削力、磨削功率和磨削热大幅度增高，从而导致工件表面烧伤及砂轮寿命磨损加剧；已有研究表明，外加磁场能够显著提升切削液在切削区的浸润性能，并进行刀具/工件界磁场辅助毛细通道的浸润机理分析；砂轮/工件界面加工过程中会形成复杂的微纳通道网络，更有可能为浸润剂提供通道。因此，通过在磨削区施加磁场提升纳米流体在大弧长封闭磨削微纳界面的浸润性能，并且对其渗透浸润情况和温度分布进行动态采集更具应用价值和挑战。

为了解决润滑液渗透浸润性能有关的上述问题，本实施例中采用高速相机和热成像摄像机为主要检测设备，亚克力玻璃工件长S

d

式中，d

由于人眼能看清的最小物体是0.1mm-0.2mm,本磁流体浸润实验检测装置需要达到微米级的精度，1μm＝0.001mm，所以检测装置总体需要放大100倍左右，无限远物镜倍率α

由于后期可能会进行调焦处理，所以管镜后面接一个调焦筒，调焦筒取值范围为1-300mm，这里调焦筒选用28-65mm，可以支持管镜在各种法兰距下无限远合焦，聚焦后的光线到感光原件的距离较远，所以需要采用延长筒，其作用是可以使镜头的对焦距离缩短，提高镜头的微距性能，延长筒的长度取值范围为10-100mm这里选用一个长b

其中n

由于整个堆叠镜组需要接高速相机，所以延长筒后接口需要接转接环52mm转接任意卡口孔径，这里根据高速相机的摄像镜头孔径大小进行选取。整体检测装置尺寸太长需要快装板和抱箍的配合调整装置的重心，增加装置的稳定性。

对于高速相机帧率要求的选用，由于本磁流体浸润试验砂轮线速度为30m/s-100m/s，根据砂轮线速度计算公式：

其中D

对于高速相机的感光元件，选用CCD电荷耦合元件，尺寸取值范围为1/4-1英寸这里尺寸选用1/3英寸，其靶面尺寸为宽4.8mm×高3.6mm，对角线长6mm，由于成像的需求最后像的大小需要大于或等于感光元件直径也就是6mm，摄像镜头放大倍率取值范围为1-20，这里摄像镜头放大倍率选用1，也可根据实际情况进行范围内选取，其视野场大小FOV也可以计算出来：

FOV＝sensor size/α

其中sensor size为CCD感光元件的靶面尺寸，宽4.8mm高3.6mm，所以视野场FOV大小也为宽4.8mm高3.6mm。

利用基本成像原理公式：

其中f为摄像镜头的焦距，u为物距，v为像距

根据相似三角形原理：

其中α为摄像镜头放大倍率，d为像面直径6mm，D为物面直径，所以物面直径为6mm。

由于最后观察方便的需要，高速相机后端接口会与电脑屏幕相连，CCD感光元件上的动态图像会在电脑屏幕上显示，可根据电子放大倍率公式进行计算：

其中L

于是电子放大倍数可根据下式计算：

m＝α·α

其中α为摄像镜头放大倍率，所以电子放大倍数为80.43。

当采集加工区域的动态温度分布情况时，通过外部遥控关闭可控LED灯条后并从凸台内部取出分光镜，避免外界光线温度以及不必要的反射对加工区域散发的红外辐射产生干扰，将高速相机换接成热成像摄像机，密封好整体设备后开始磨削检测，热成像摄像机的摄像头并将信号传递给内部的红外探测器，红外探测器将接收到的信号进行调理及放大后输出给红外热成像芯片，进行一系列图像处理后利用数据线将温度分布影像导入计算机屏幕并进行动态采集。

当物体表面温度高于绝对零度就会发散出红外辐射，被测物表面的温度将直接影响其红外辐射能量的强弱及能量按波长的分布。因此我们可以通过测量物体的红外辐射，得到物体的表面温度及分布情况。

对于理想的辐射源——黑体而言，辐射能量与温度的关系符合普朗克定律，即:

式中：P

C

C

由公式可知，伴随着物体温度的上升，辐射能量增强，这是红外辐射理论的出发点，同时根据史蒂芬-玻尔兹曼定律，物体红外辐射的总功率与温度的关系为：

P＝εδT

式中：P——物体红外辐射的功率，W·m

T——物体的热力学温度，K；

ε——物体表面红外发射率；

δ——史蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10

根据史蒂芬-玻尔兹曼定律，不难发现，物体红外辐射的能量水平和其热力学温度的四次方及物体的表面辐射率成正比。温度越高，红外辐射越强，物体温度的细微改变将显著影响物体红外辐射强度。因此可以通过测量物体的红外辐射，得到物体的表面温度值。

根据磨削过程的实际情况，磨削弧区的毛细通道简化模型进行分析为液体上升过程中受到的力有毛细驱动力F

其中，毛细驱动力F

/>

式中γ为浸润液体的表面张力、R

总的毛细驱动力为：

黏性阻力F

由牛顿内摩擦定律，毛细管内的黏性剪切力为：

η为液体的黏度，v为液体的流动速度，r为与管壁的距离。

液体在毛细管内流动的Hagen-Poiseuille方程为：

式中p为流体压力，z为到毛细管底部的距离，对上式积分得：

可以以平均流速代替毛细管中沿半径方向变化的流速，平均流速为单位面积流量，则：

求解出：

在毛细管r＝R处

因此毛细管内的黏性阻力F

式中的l为磨削区毛细渗透的长度，由于磨削区内毛细微通道内的液体的上升高度可以忽略不计，因此：

F

毛细流动中的合力为：

F＝F

冷却液体在毛细微通道内的动量定理为：

式中m是流体的质量，m＝πR

即

即

冷却润滑液在磨削区的毛细微通道内渗透时，随着渗透时间的变化，在不同阶段液体受到不同作用力的大小也会一直处于变化阶段。因此在毛细通道中的液体流动还需要按照不同的阶段研究。

(1)惯性力作用阶段

当冷却润滑液刚刚接触到磨削区时，在流动过程中的黏性阻力很小，惯性力起主要作用，则上式可写为：

通过求解该方程可以得出：

在该阶段中，液体在毛细微通道中的渗透长度与渗透时间呈线性相关。

(2)惯性力-黏性力作用区

随着冷却润滑液的进一步渗透，液体在流动过程中的毛细驱动力、惯性力和黏性力共同主导液体在毛细微通道中的渗透作用。令

求解该微分方程可得：

(3)黏性力作用阶段

随着液体的进一步渗透，液体在毛细微通道内受到的黏性阻力越来越大，并且液体的惯性力趋近于0，则忽略惯性力可得：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。