專利名稱：一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法
技術領域：
本發明是一種超高壓水射流長度和半徑的測量裝置和測量方法，屬于水切割機切割頭性能檢測技術領域，也屬于超高壓噴射過程成像研究領域。
背景技術：
在超高壓水切割中，切割頭產生的高速射流流束會隨著噴射距離的增大而逐漸擴 散，為了鑒定射流質量和確定切割靶距，工程中通常會引入一個長度，在此長度內的射流的 集束性較強，適于切割作業，統稱為水線長度(coherent length)，可以根據需要對其進行 標定，如將射流初始半徑加倍時的噴射距離定為水線長度(double length)。另一個反映射 流集束性的指標是射流半徑，是指射流在某個噴射距離的徑向尺寸，射流半徑也是測定水 線長度的依據。水線長度和射流半徑常用于對切割頭性能進行檢測的重要指標，在超高壓射流的 相關研究中也被用于描述射流的結構特性。但是，對其進行定量測量比較困難，是學術界 和工程界一直探索的問題之一。由于超高壓射流本身具有非常強的切割能力，接觸性的直 接測量顯然不可行。若使用非接觸性測量，容易想到的是采用光學測量如紅外測量或PDPA 測量，紅外測量可以通過獲得射流的溫度分布來判斷射流的半徑，PDPA可通過獲得射流邊 緣的液滴分布情況來判斷射流的發散程度。這些方法在測量精度上固然可以達到令人滿 意的結果，但是切割用水射流的半徑一般很小，測量域小就要求光學設備如PDPA光鏡和接 受鏡須設置在較短的距離內進行測量以保證光點定位的準確度和測量的精度，而超高壓噴 射過程中難免存在濺射、霧化等現象，設備的安全和實驗的可靠性難以保證，若對設備采取 保護措施，無疑會增加前期準備的工作量，使測量變得更為復雜，同時也增加了測量的成 本。《一種測量磨料水射流直徑的裝置》(An instrument for measuring abrasive water jet diameter InternationalJournal of Machine Tools & Manufacturing，2009，49 : 843-849)提供了一種間接測量射流半徑的方法，首先通過實驗獲得射流打擊力的徑向分 布，通過觀察打擊力集中分布區域的寬度和切口形狀來判斷核心射流的半徑，這種方法具 有較高的可操作性，但超高壓射流的打擊力測量相對危險，而且，同PDPA方法一樣，若要通 過這種方法判斷水線長度，還須在多個軸向位置進行實驗，增大了測量的復雜程度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，公開了一種基于拍攝技術和圖像后處理獲得超高 壓射流水線長度和射流半徑的方法，這種方法安全、準確，具有很高的可操作性。且所需的 均為較普通的器材，測量成本低廉。可以獲得射流在極端工況下的一些統觀特性，所結果能 夠滿足工程和科研的需要，可用于對超高壓水切割頭性能進行評估。本發明的技術方案是，本發明的分為通過拍攝獲得射流形態的圖像和圖像后處理 兩個部分。主要裝置包括數碼相機、水箱、具有方形鏤空的工作臺、蓋板、過流部件、幕板、切 割頭(純水)，還有產生高壓水的增壓器和高壓水管。
本發明的主要步驟為拍攝1.測量前，向水箱中注水，注水或是測量過程中水箱中的水過多時就會從溢流孔中流出，這樣就保證了拍攝過程中水箱的水位不變。2.調節切割頭的位置，使其處于箱中心某一位置的上方并固定其位置。3.將蓋板置于具有方形鏤空的工作臺之上覆蓋工作臺。4.將過流部件置于切割頭正下方，過流部件厚度500 600mm，在過流部件中心打 孔，為圓柱形通孔，孔徑為40 50mm，調整過流部件位置，使切割頭軸線基本與孔心重合。5.將黑色幕板置于過流部件后方并與過流部件貼合。6.調節切割頭的高度，控制其出口端面與過流部件上端面的距離為某一確定值 h，該值也是后處理階段獲得水線長度和射流半徑的長度參考。7.調節幕板的位置，使切割頭位于幕板的中心部位。根據切割頭位置定位相機，使 相機鏡頭的中心與幕板的中心重合。8.開啟增壓器，使切割頭開始進行噴射。9.射流擊穿蓋板后開始進行拍攝，黑色幕板加大了射流與周圍環境的反差，使用 數碼相機拍攝射流時采用過曝光的設置進一步增強對比度。這套拍攝方案的原理切割頭開始工作一段時間后，蓋板被射流擊穿，射流進入水 箱，高速射流沖擊液面會產生激烈的濺射，但濺射出的水基本為蓋板所阻擋而不會影響到 拍攝，即使有部分液滴從過流部件的小孔中射出，因為過流部件有一定的厚度且孔徑很小， 液滴也基本無法射出小孔而影響拍攝圖像的清晰度。蓋板后側開有矩形孔，其作用與泄 壓類似，液面受到高速撞擊時會產生較大的波動，當水箱液面波動劇烈時，水可從矩形孔溢 出，避免了蓋板在高壓水噴射過程中受到下方水的反復沖擊而發生幅度較大的震動而影響 拍攝，同時矩形孔也可以排出因水箱溫度升高而產生的汽化水。圖像處理和測量獲得了圖像之后通過圖像處理挖掘出關于射流的某些信息，如基于圖像測量射流 半徑和標定水線長度。具體方法為10.將圖像導入至Matlab或是Photoshop中，顯示像素或是長度標尺。11.對射流邊緣的顏色進行采樣，再以采樣值為閥值進行對比度增強處理(二值 化)，使得射流的邊緣與環境的差異更加明顯。12.需對某軸向距離的射流半徑進行測量時，將該軸向位置附近區域的圖像放大， 獲得更為細致的圖像和長度相適應的標尺。測量相應位置的射流半徑w，w為以像素為單位 的長度，需以h為長度參考進行換算得到實際半徑w，換算式如下<formula>formula see original document page 5</formula>以上述方法測量多個軸向位置的射流半徑，根據水線長度的定義對其進行標定， 所得長度L也應進行如下換算以獲得實際長度1 :<formula>formula see original document page 5</formula>本發明的有益效果是，本發明使用簡單易行的方法和普通的常規器材獲得了超高壓水射流長度上的定量信息，如射流半徑和水線長度。方法相對于技術背景中提及的幾種現有方法更安全可靠，可操作性大大提高。對于相關的工程技術人員，使用這種方法無需具 備較強的專業基礎。使用這種測量方法獲得的測量結果在精度上完全可以鑒定切割頭的性 能和判定射流結構的優劣。若基于水切割機使用本發明進行測量，在設備準備和操作方面 的工作大大簡化，因此本發明尤其適用于水切割機的產品檢測。
圖1為測量裝置圖。圖2為測量原理圖。圖3為拍攝獲得的射流圖像。圖4為圖像后處理圖。圖5為水線長度的標定圖。圖6為切割頭運動示意圖。圖中，1，數碼相機；2，水箱；3，工作臺；4，蓋板；5，過流部件；6，黑色幕板；7，切割 頭；8,出水孔；9，支架；10，矩形孔；11，懸臂；12，滑塊。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明。本發明的測量分為通過拍攝獲得射流形態的圖像和圖像后處理兩個部分。拍攝原 理見附圖1，主要裝置包括數碼相機1、水箱2、具有方形鏤空的工作臺3、蓋板4、過流部件 5、黑色幕板6、切割頭(純水)7，還有產生高壓水的增壓器和高壓水管。水箱可采用的規格 為 1. 5mX 1. 5mX lm。拍攝的主要步驟1.向水箱2注水，水位由溢流孔8來控制，水位高度為出溢流孔8的高度，溢流孔 8的孔心位于工作臺以下不超過30mm。2.調節切割頭7的位置，使切割頭7的噴口對準工作臺3的鏤空處，射流可從鏤空 處進入水箱。如圖6，切割頭7被固定在滑塊12上，滑塊可在切割頭支架的軌道上進行縱向 運動從而調節切割頭的高度，支架9可在懸臂11上進行橫向運動，切割頭7的前向運動則 靠移動懸臂11的位置來實現。若在水切割機上測量，則上述運動全部由數控機床完成。3.將蓋板4置于工作臺3之上，蓋板4的尺寸與工作臺3相同，蓋板4的材料可用 橡膠或是塑料，厚度為10 20mm，蓋板4上的矩形孔10的尺寸為0. 2mX0. 2m,噴射過程中 將不斷有水從該孔溢出。矩形孔10在蓋板4上的位置如圖2所示。4.在過流部件5中心開一圓柱形通孔，過流部件的厚度為500 600mm，孔徑為 40 50mm ；將過流部件5置于切割頭正下方，調整過流部件5的位置，使切割頭7的軸線與 圓柱形通孔的孔心重合。5.將黑色幕板6置于過流部件5的后方并與過流部件5貼合。6.調節切割頭7的高度，控制其出口端面與過流部件5的上端面的距離為確定值 h，h為60mm。該值也是后處理階段獲得水線長度和射流半徑的長度參考。7.調節黑色幕板6的位置，使黑色幕板6的中心部位與切割頭7的軸線重合。根據切割頭7的位置定位數碼相機1，使數碼相機1鏡頭的中心與黑色幕板6的中心重合。數 碼相機1距離切割頭7的距離可根據焦距的需要在合適的范圍內自定，這個距離不會影響
測量結果。8.通過高壓水管將增壓器與切割頭進水口相連，啟動增壓器，切割頭7開始進行噴射。9.射流擊穿蓋板后開始進行拍攝，黑色幕板6加大了射流與周圍環境的反差，拍攝射流時，增強數碼相機1的對比度。調大光圈值，使用連拍模式，在10秒內曝光若干次。 拍攝過程中若改變運行參數或是更換噴嘴，需待射流穩定后再進行拍攝。圖像處理和測量10.獲得了圖像之后先對每組圖像進行篩選，在每組幅圖像中，若有圖像與其他幅 差異明顯，則認為是射流的瞬間不穩定狀況，可剔除。通過對圖像進行后處理可挖掘出關于射流的某些信息，如基于圖像測量射流半徑 和標定水線長度。具體方法為11.將圖像導入Matlab或是Photoshop中，顯示像素或是長度標尺。通過對射流 邊緣的顏色進行采樣，再以采樣值為閥值進行對比度增強處理，使得射流的邊緣與環境的 差異更加明顯。12.對某軸向距離的射流半徑進行測量時，將該軸向位置附近區域的圖像放大，獲 得更為細致的圖像和長度相適應的標尺。在Matlab或是Photoshop中，標尺會隨著圖像的 放大而給出相應精度的刻度，因此圖像的測量精度很高。測量相應位置的射流半徑W，W的 值為以像素為單位的長度，需以h為長度參考進行換算得到實際半徑w，換算式如下
r π h wh/H=w/W由于拍攝過程中切割的位置固定不變，所以圖像中的H也是一定值，設h與H之比 為n，上式可簡化為w = nW以上述方法測量多個軸向位置的射流半徑，根據水線長度的定義對其進行標定， 所得長度L也應進行如下換算以獲得實際長度1 :1 = nL經過上述步驟就完成了對任意軸向位置的射流半徑和射流水線長度的測量，射流 中任意長度的測量也可通過相同方法實現。附圖3為數碼相機1捕捉到的射流形態圖像，這段射流的長度為h。拍攝時的工況 為壓力400MPa，噴嘴直徑0. 25mm, h為60_。附圖4所示為使用Matlab進行處理的情況。講圖3所示的圖像導入Matlab中， 通過圖中縱向像素坐標可知從切割頭7的下端面到過流部件5的上端之間的像素長度H 為920像素，而這段距離的實際長度即參考長度h為60mm，可求出η約為0. 0652。若要得 到黃色框內的一段射流的長度，則先由像素坐標測得其像素長度L為85像素，進而由1 = nL求出實際長度1約為5. 22mm。同理可以由測量射流某處半徑的像素長度W得到射流某 處的半徑w的值。附圖5為使用本發明對4種不同結構的噴嘴產生的射流的水線長度使用本發明進行測定的結果壓力為400MPa，噴嘴直徑O. 25mm,白色箭頭代表水線長度(射流半徑加倍時的噴射距離)。獲得了直觀的射流的統觀特性，準確地測定了水線長度，從而正確地評估了 噴嘴的性能。
權利要求
一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，其特征在于，具體步驟為(A).向水箱(2)注水，水位由溢流孔(8)來控制，水位高度為出溢流孔(8)的高度；(B).調節切割頭(7)的位置，使切割頭(7)的噴口對準工作臺(3)的鏤空處，射流從鏤空處進入水箱；將切割頭(7)固定在滑塊(12)上，滑塊可在切割頭支架的軌道上進行縱向運動從而調節切割頭的高度，支架(9)可在懸臂(11)上進行橫向運動，通過移動懸臂(11)的位置來實現切割頭(7)的前向運動；(C).將蓋板(4)置于工作臺(3)之上，蓋板(4)的尺寸與工作臺(3)相同，蓋板(4)上開有矩形孔(10)；(D).在過流部件(5)中心開一圓柱形通孔，將過流部件(5)置于切割頭正下方，調整過流部件(5)的位置，使切割頭(7)的軸線與圓柱形通孔的孔心重合；(E).將黑色幕板(6)置于過流部件(5)的后方并與過流部件(5)貼合；(F).調節切割頭(7)的高度，控制其出口端面與過流部件(5)的上端面的距離為確定值h；(G).調節黑色幕板(6)的位置，使黑色幕板(6)的中心部位與切割頭(7)的軸線重合；根據切割頭(7)的位置定位數碼相機(1)，使數碼相機(1)鏡頭的中心與黑色幕板(6)的中心重合；數碼相機(1)距離切割頭(7)的距離根據焦距的需要在合適的范圍內自定；(H).通過高壓水管將增壓器與切割頭進水口相連，啟動增壓器，切割頭(7)開始進行噴射；(I).射流擊穿蓋板后開始進行拍攝，黑色幕板(6)加大了射流與周圍環境的反差，拍攝射流時，增強數碼相機(1)的對比度；調大光圈值，使用連拍模式，在10秒內曝光若干次；拍攝過程中若改變運行參數或是更換噴嘴，需待射流穩定后再進行拍攝；(J).獲得了圖像之后先對每組圖像進行篩選，在每組幅圖像中，如果有某幅圖像與其他幅差異明顯，則剔除該幅圖像；(K).將圖像導入至Matlab或是Photoshop中，顯示像素或是長度標尺；(L).對射流邊緣的顏色進行采樣，再以采樣值為閥值進行對比度增強處理(二值化)，使得射流的邊緣與環境的差異更加明顯；(M).對某軸向距離的射流半徑進行測量時，將該軸向位置附近區域的圖像放大，獲得更為細致的圖像和長度相適應的標尺；在Matlab或是Photoshop中，標尺會隨著圖像的放大而給出相應精度的刻度，因此圖像的測量精度很高。測量相應位置的射流半徑W，W的值為以像素為單位的長度，需以h為長度參考進行換算得到實際半徑w，換算式如下 <mrow><mfrac> <mi>h</mi> <mi>H</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>w</mi> <mi>W</mi></mfrac><mo>.</mo> </mrow>
2.根據權利要求1所述的一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，其特征 在于，在所述第(M)步，由于拍攝過程中切割的位置固定不變，所以圖像中的H也是一定值， 設h與H之比為n，上式可簡化為w = nW。
3.根據權利要求1或2所述的一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，其 特征在于，在所述第(A)步，所述溢流孔8的孔心位于工作臺以下不超過30mm。
4.根據權利要求1或2所述的一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，其 特征在于，在所述第(C)步，所述蓋板(4)的材料為橡膠或是塑料，厚度為10 20mm，蓋板(4)上的矩形孔(10)的尺寸為0. 2mX0. 2m。
5.根據權利要求1或2所述的一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，其 特征在于，所述過流部件(5)的厚度為500 600mm，孔徑為40 50mm。
全文摘要
本發明公開了一種水切割用超高壓水射流長度和半徑的測量方法，屬于水切割機切割頭性能檢測技術領域。按照本發明設計的方式組合和搭建測試設備，使相機(1)、水箱(2)、工作臺(3)、蓋板(4)、工件(5)、黑色幕板(6)、切割頭(7)處于既定的空間位置，使得射流與周圍環境反差增大，并獲得參考長度h。在工件(5)中心打圓柱孔，在蓋板(4)上打矩形孔。使用過曝光手段拍攝射流。將所得圖像進行篩選后導入圖像后處理軟件，基于拍攝圖像測量射流的某段像素長度或某處半徑的像素長度，再通過既定的參考長度與其像素長度之比換算出實際長度或半徑。運用本發明對切割頭性能進行評估，安全、準確，具有很高的可操作性。
文檔編號G01B11/08GK101819026SQ20101015361
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月22日 優先權日2010年4月22日
發明者康燦, 楊敏官, 王育立, 陳波 申請人:江蘇大學;南京大地水刀股份有限公司