[发明专利]红外透射光学材料机械加工温度场可视化测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度场的可视化测量装置及方法，实现机械加工红外透射光学材料时，工件与加工工具接触的被加工区域二维温度场的在线实时精确可视化测量。

背景技术

红外线是指波长介于0.78μm～1000μm之间的电磁波，红外线平均透射率达到50％以上的材料称为红外透射材料。红外透射材料主要应用于红外探测器和飞行器的窗口、头罩和整流罩，是广泛应用于民用和军事的光学材料。

不同的红外透射材料对应不同的应用波长范围。目前，在近红外和中红外波段(0.78μm～6μm)应用的红外透射材料有锗盐玻璃、人工多晶锗、氟化镁(MgF2)、红外石英玻璃、人工蓝宝石和氮酸铝等。可透过远红外波段(6～15μm)红外线的材料有：硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化镧钙(CaLa2S4)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)和锗(Ge)等。

红外透射光学材料多属于脆性大的难加工贵重材料，且光学元件常采用球面、非球面甚至异形曲面。在生产中一般采用先铣磨成型再研磨、抛光的加工方法。在加工过程中，工件材料被去除时加工工具(如铣刀、砂轮、钻头、研磨和抛光工具等)与工件表面的摩擦以及形成切屑时材料的变形会导致工件表面被加工区域温度升高。工件加工温度是影响工件加工质量和加工工具性能的一个重要参数。工件表面适当的温度升高有助于材料软化降低加工难度，而过高的温度将导致工件烧伤和加工工具失效，都会造成工件表面质量恶化。因此精确测量红外透射光学材料加工温度是指导实际生产过程和进行加工机理研究的关键技术。

传统的加工温度测量方法有热电偶法和红外法。热电偶法是将电偶丝埋装或夹装在工件表面被加工区域以下1mm左右处，采集加工过程中电偶顶端两级之间的热电势，然后通过放大电路将采集信号放大，再利用热电势与温度之间的关系进行计算，最终实现工件加工温度测量的目的。红外法是通过红外探测器采集工件被加工过程中发射的红外线功率，然后利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律(一种表示物体发射的红外线功率与物体温度数学关系的计算公式)计算出工件加工温度。

以上两种加工温度检测方法存在着如下不足：对于热电偶测温法，热电偶的埋装或夹装不可避免要对工件进行破坏，只能用于试验而不适用于实际生产。由于电偶埋装点距离工件被加工区域尚有一段距离，所以测量到的温度比工件实际加工温度低。而且对于导热性差的非金属红外透射光学材料，工件表面以下温度梯度大，无法有效探测到热电偶埋装点的热电势，无法实现加工温度的测量。对于红外测温法，由于加工区的红外信号被工件和工具所遮挡，红外探测器无法直接接收工件被加工区域发出的红外信号，也无法有效测量工件加工温度。有方法使用红外透射光纤将被加工区域红外线导出，然后利用红外探测器接收红外光纤透射的红外信号。这种方法只能测量加工工具与工件作用点的表面温度，并不能测量工件与加工工具接触被加工区域的温度。而且需要成本高昂制作困难的红外光纤，测量装置复杂，只能测量光纤装夹点处的温度，无法实现工件与加工工具接触被加工区域温度场的二维可视化测量。

发明内容

本发明的目的是为解决现有加工温度检测技术无法方便和精确地进行红外透射光学材料被加工区域的温度场可视化测量的问题，提出了一种应用可响应红外透射材料应用波长的红外探测器和立式加工方法的新加工温度检测技术，可以方便地实现红外透射材料加工过程中工件与加工工具接触区域二维温度场的在线实时精确可视化测量。可以用于红外透射光学材料的平面、球面、非球面甚至异形曲面的铣削、磨削、钻削、研磨和抛光加工温度检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

红外透射光学材料的加工温度场可视化测量装置，包括机床工作台、测温工装和红外线探测采集系统，所述的机床工作台上设有一个悬空的测温工装，在所述的测温工装上设有红外线探测窗口，在红外线探测窗口的一侧设有与其相对的且放置在测温工装上的待测工件，在红外线探测窗口相对的另一侧安装与红外线探测窗口相对应的红外线探测采集系统，同时在待测工件的上方设有对其进行加工的加工工具。

进一步的，所述的红外线探测采集系统，其包括一个红外探测头，所述的红外探测头与放大器相连，所述的放大器与信号处理装置相连，所述的信号处理装置与输出显示装置相连。

进一步的，所述的加工工具在驱动轴的驱动下转动，实现对红外透射材料工件的加工。

进一步的，所述的红外线探测窗口从测温工装的一侧一直贯穿到测温工装的另一侧，且窗口为通孔，可使红外线全部透过。

进一步的，所述的加工工具为铣刀、砂轮、钻头、研磨或抛光工具。