专利名称：一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法
技术领域：
本发明是一种超高压水射流长度和半径的测量装置和测量方法，属于水切割机切割头性能检测技术领域，也属于超高压喷射过程成像研究领域。
背景技术：
在超高压水切割中，切割头产生的高速射流流束会随着喷射距离的增大而逐渐扩 散，为了鉴定射流质量和确定切割靶距，工程中通常会引入一个长度，在此长度内的射流的 集束性较强，适于切割作业，统称为水线长度(coherent length)，可以根据需要对其进行 标定，如将射流初始半径加倍时的喷射距离定为水线长度(double length)。另一个反映射 流集束性的指标是射流半径，是指射流在某个喷射距离的径向尺寸，射流半径也是测定水 线长度的依据。水线长度和射流半径常用于对切割头性能进行检测的重要指标，在超高压射流的 相关研究中也被用于描述射流的结构特性。但是，对其进行定量测量比较困难，是学术界 和工程界一直探索的问题之一。由于超高压射流本身具有非常强的切割能力，接触性的直 接测量显然不可行。若使用非接触性测量，容易想到的是采用光学测量如红外测量或PDPA 测量，红外测量可以通过获得射流的温度分布来判断射流的半径，PDPA可通过获得射流边 缘的液滴分布情况来判断射流的发散程度。这些方法在测量精度上固然可以达到令人满 意的结果，但是切割用水射流的半径一般很小，测量域小就要求光学设备如PDPA光镜和接 受镜须设置在较短的距离内进行测量以保证光点定位的准确度和测量的精度，而超高压喷 射过程中难免存在溅射、雾化等现象，设备的安全和实验的可靠性难以保证，若对设备采取 保护措施，无疑会增加前期准备的工作量，使测量变得更为复杂，同时也增加了测量的成 本。《一种测量磨料水射流直径的装置》(An instrument for measuring abrasive water jet diameter InternationalJournal of Machine Tools & Manufacturing，2009，49 : 843-849)提供了一种间接测量射流半径的方法，首先通过实验获得射流打击力的径向分 布，通过观察打击力集中分布区域的宽度和切口形状来判断核心射流的半径，这种方法具 有较高的可操作性，但超高压射流的打击力测量相对危险，而且，同PDPA方法一样，若要通 过这种方法判断水线长度，还须在多个轴向位置进行实验，增大了测量的复杂程度。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，公开了一种基于拍摄技术和图像后处理获得超高 压射流水线长度和射流半径的方法，这种方法安全、准确，具有很高的可操作性。且所需的 均为较普通的器材，测量成本低廉。可以获得射流在极端工况下的一些统观特性，所结果能 够满足工程和科研的需要，可用于对超高压水切割头性能进行评估。本发明的技术方案是，本发明的分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理 两个部分。主要装置包括数码相机、水箱、具有方形镂空的工作台、盖板、过流部件、幕板、切 割头(纯水)，还有产生高压水的增压器和高压水管。
本发明的主要步骤为拍摄1.测量前，向水箱中注水，注水或是测量过程中水箱中的水过多时就会从溢流孔中流出，这样就保证了拍摄过程中水箱的水位不变。2.调节切割头的位置，使其处于箱中心某一位置的上方并固定其位置。3.将盖板置于具有方形镂空的工作台之上覆盖工作台。4.将过流部件置于切割头正下方，过流部件厚度500 600mm，在过流部件中心打 孔，为圆柱形通孔，孔径为40 50mm，调整过流部件位置，使切割头轴线基本与孔心重合。5.将黑色幕板置于过流部件后方并与过流部件贴合。6.调节切割头的高度，控制其出口端面与过流部件上端面的距离为某一确定值 h，该值也是后处理阶段获得水线长度和射流半径的长度参考。7.调节幕板的位置，使切割头位于幕板的中心部位。根据切割头位置定位相机，使 相机镜头的中心与幕板的中心重合。8.开启增压器，使切割头开始进行喷射。9.射流击穿盖板后开始进行拍摄，黑色幕板加大了射流与周围环境的反差，使用 数码相机拍摄射流时采用过曝光的设置进一步增强对比度。这套拍摄方案的原理切割头开始工作一段时间后，盖板被射流击穿，射流进入水 箱，高速射流冲击液面会产生激烈的溅射，但溅射出的水基本为盖板所阻挡而不会影响到 拍摄，即使有部分液滴从过流部件的小孔中射出，因为过流部件有一定的厚度且孔径很小， 液滴也基本无法射出小孔而影响拍摄图像的清晰度。盖板后侧开有矩形孔，其作用与泄 压类似，液面受到高速撞击时会产生较大的波动，当水箱液面波动剧烈时，水可从矩形孔溢 出，避免了盖板在高压水喷射过程中受到下方水的反复冲击而发生幅度较大的震动而影响 拍摄，同时矩形孔也可以排出因水箱温度升高而产生的汽化水。图像处理和测量获得了图像之后通过图像处理挖掘出关于射流的某些信息，如基于图像测量射流 半径和标定水线长度。具体方法为10.将图像导入至Matlab或是Photoshop中，显示像素或是长度标尺。11.对射流边缘的颜色进行采样，再以采样值为阀值进行对比度增强处理(二值 化)，使得射流的边缘与环境的差异更加明显。12.需对某轴向距离的射流半径进行测量时，将该轴向位置附近区域的图像放大， 获得更为细致的图像和长度相适应的标尺。测量相应位置的射流半径w，w为以像素为单位 的长度，需以h为长度参考进行换算得到实际半径w，换算式如下<formula>formula see original document page 5</formula>以上述方法测量多个轴向位置的射流半径，根据水线长度的定义对其进行标定， 所得长度L也应进行如下换算以获得实际长度1 :<formula>formula see original document page 5</formula>本发明的有益效果是，本发明使用简单易行的方法和普通的常规器材获得了超高压水射流长度上的定量信息，如射流半径和水线长度。方法相对于技术背景中提及的几种现有方法更安全可靠，可操作性大大提高。对于相关的工程技术人员，使用这种方法无需具 备较强的专业基础。使用这种测量方法获得的测量结果在精度上完全可以鉴定切割头的性 能和判定射流结构的优劣。若基于水切割机使用本发明进行测量，在设备准备和操作方面 的工作大大简化，因此本发明尤其适用于水切割机的产品检测。


图1为测量装置图。图2为测量原理图。图3为拍摄获得的射流图像。图4为图像后处理图。图5为水线长度的标定图。图6为切割头运动示意图。图中，1，数码相机；2，水箱；3，工作台；4，盖板；5，过流部件；6，黑色幕板；7，切割 头；8,出水孔；9，支架；10，矩形孔；11，悬臂；12，滑块。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明。本发明的测量分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理两个部分。拍摄原 理见附图1，主要装置包括数码相机1、水箱2、具有方形镂空的工作台3、盖板4、过流部件 5、黑色幕板6、切割头(纯水)7，还有产生高压水的增压器和高压水管。水箱可采用的规格 为 1. 5mX 1. 5mX lm。拍摄的主要步骤1.向水箱2注水，水位由溢流孔8来控制，水位高度为出溢流孔8的高度，溢流孔 8的孔心位于工作台以下不超过30mm。2.调节切割头7的位置，使切割头7的喷口对准工作台3的镂空处，射流可从镂空 处进入水箱。如图6，切割头7被固定在滑块12上，滑块可在切割头支架的轨道上进行纵向 运动从而调节切割头的高度，支架9可在悬臂11上进行横向运动，切割头7的前向运动则 靠移动悬臂11的位置来实现。若在水切割机上测量，则上述运动全部由数控机床完成。3.将盖板4置于工作台3之上，盖板4的尺寸与工作台3相同，盖板4的材料可用 橡胶或是塑料，厚度为10 20mm，盖板4上的矩形孔10的尺寸为0. 2mX0. 2m,喷射过程中 将不断有水从该孔溢出。矩形孔10在盖板4上的位置如图2所示。4.在过流部件5中心开一圆柱形通孔，过流部件的厚度为500 600mm，孔径为 40 50mm ；将过流部件5置于切割头正下方，调整过流部件5的位置，使切割头7的轴线与 圆柱形通孔的孔心重合。5.将黑色幕板6置于过流部件5的后方并与过流部件5贴合。6.调节切割头7的高度，控制其出口端面与过流部件5的上端面的距离为确定值 h，h为60mm。该值也是后处理阶段获得水线长度和射流半径的长度参考。7.调节黑色幕板6的位置，使黑色幕板6的中心部位与切割头7的轴线重合。根据切割头7的位置定位数码相机1，使数码相机1镜头的中心与黑色幕板6的中心重合。数 码相机1距离切割头7的距离可根据焦距的需要在合适的范围内自定，这个距离不会影响
测量结果。8.通过高压水管将增压器与切割头进水口相连，启动增压器，切割头7开始进行喷射。9.射流击穿盖板后开始进行拍摄，黑色幕板6加大了射流与周围环境的反差，拍摄射流时，增强数码相机1的对比度。调大光圈值，使用连拍模式，在10秒内曝光若干次。 拍摄过程中若改变运行参数或是更换喷嘴，需待射流稳定后再进行拍摄。图像处理和测量10.获得了图像之后先对每组图像进行筛选，在每组幅图像中，若有图像与其他幅 差异明显，则认为是射流的瞬间不稳定状况，可剔除。通过对图像进行后处理可挖掘出关于射流的某些信息，如基于图像测量射流半径 和标定水线长度。具体方法为11.将图像导入Matlab或是Photoshop中，显示像素或是长度标尺。通过对射流 边缘的颜色进行采样，再以采样值为阀值进行对比度增强处理，使得射流的边缘与环境的 差异更加明显。12.对某轴向距离的射流半径进行测量时，将该轴向位置附近区域的图像放大，获 得更为细致的图像和长度相适应的标尺。在Matlab或是Photoshop中，标尺会随着图像的 放大而给出相应精度的刻度，因此图像的测量精度很高。测量相应位置的射流半径W，W的 值为以像素为单位的长度，需以h为长度参考进行换算得到实际半径w，换算式如下
r π h wh/H=w/W由于拍摄过程中切割的位置固定不变，所以图像中的H也是一定值，设h与H之比 为n，上式可简化为w = nW以上述方法测量多个轴向位置的射流半径，根据水线长度的定义对其进行标定， 所得长度L也应进行如下换算以获得实际长度1 :1 = nL经过上述步骤就完成了对任意轴向位置的射流半径和射流水线长度的测量，射流 中任意长度的测量也可通过相同方法实现。附图3为数码相机1捕捉到的射流形态图像，这段射流的长度为h。拍摄时的工况 为压力400MPa，喷嘴直径0. 25mm, h为60_。附图4所示为使用Matlab进行处理的情况。讲图3所示的图像导入Matlab中， 通过图中纵向像素坐标可知从切割头7的下端面到过流部件5的上端之间的像素长度H 为920像素，而这段距离的实际长度即参考长度h为60mm，可求出η约为0. 0652。若要得 到黄色框内的一段射流的长度，则先由像素坐标测得其像素长度L为85像素，进而由1 = nL求出实际长度1约为5. 22mm。同理可以由测量射流某处半径的像素长度W得到射流某 处的半径w的值。附图5为使用本发明对4种不同结构的喷嘴产生的射流的水线长度使用本发明进行测定的结果压力为400MPa，喷嘴直径O. 25mm,白色箭头代表水线长度(射流半径加倍时的喷射距离)。获得了直观的射流的统观特性，准确地测定了水线长度，从而正确地评估了 喷嘴的性能。
权利要求
一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，其特征在于，具体步骤为(A).向水箱(2)注水，水位由溢流孔(8)来控制，水位高度为出溢流孔(8)的高度；(B).调节切割头(7)的位置，使切割头(7)的喷口对准工作台(3)的镂空处，射流从镂空处进入水箱；将切割头(7)固定在滑块(12)上，滑块可在切割头支架的轨道上进行纵向运动从而调节切割头的高度，支架(9)可在悬臂(11)上进行横向运动，通过移动悬臂(11)的位置来实现切割头(7)的前向运动；(C).将盖板(4)置于工作台(3)之上，盖板(4)的尺寸与工作台(3)相同，盖板(4)上开有矩形孔(10)；(D).在过流部件(5)中心开一圆柱形通孔，将过流部件(5)置于切割头正下方，调整过流部件(5)的位置，使切割头(7)的轴线与圆柱形通孔的孔心重合；(E).将黑色幕板(6)置于过流部件(5)的后方并与过流部件(5)贴合；(F).调节切割头(7)的高度，控制其出口端面与过流部件(5)的上端面的距离为确定值h；(G).调节黑色幕板(6)的位置，使黑色幕板(6)的中心部位与切割头(7)的轴线重合；根据切割头(7)的位置定位数码相机(1)，使数码相机(1)镜头的中心与黑色幕板(6)的中心重合；数码相机(1)距离切割头(7)的距离根据焦距的需要在合适的范围内自定；(H).通过高压水管将增压器与切割头进水口相连，启动增压器，切割头(7)开始进行喷射；(I).射流击穿盖板后开始进行拍摄，黑色幕板(6)加大了射流与周围环境的反差，拍摄射流时，增强数码相机(1)的对比度；调大光圈值，使用连拍模式，在10秒内曝光若干次；拍摄过程中若改变运行参数或是更换喷嘴，需待射流稳定后再进行拍摄；(J).获得了图像之后先对每组图像进行筛选，在每组幅图像中，如果有某幅图像与其他幅差异明显，则剔除该幅图像；(K).将图像导入至Matlab或是Photoshop中，显示像素或是长度标尺；(L).对射流边缘的颜色进行采样，再以采样值为阀值进行对比度增强处理(二值化)，使得射流的边缘与环境的差异更加明显；(M).对某轴向距离的射流半径进行测量时，将该轴向位置附近区域的图像放大，获得更为细致的图像和长度相适应的标尺；在Matlab或是Photoshop中，标尺会随着图像的放大而给出相应精度的刻度，因此图像的测量精度很高。测量相应位置的射流半径W，W的值为以像素为单位的长度，需以h为长度参考进行换算得到实际半径w，换算式如下 <mrow><mfrac> <mi>h</mi> <mi>H</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mi>w</mi> <mi>W</mi></mfrac><mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，其特征 在于，在所述第(M)步，由于拍摄过程中切割的位置固定不变，所以图像中的H也是一定值， 设h与H之比为n，上式可简化为w = nW。
3.根据权利要求1或2所述的一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，其 特征在于，在所述第(A)步，所述溢流孔8的孔心位于工作台以下不超过30mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，其 特征在于，在所述第(C)步，所述盖板(4)的材料为橡胶或是塑料，厚度为10 20mm，盖板(4)上的矩形孔(10)的尺寸为0. 2mX0. 2m。
5.根据权利要求1或2所述的一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，其 特征在于，所述过流部件(5)的厚度为500 600mm，孔径为40 50mm。
全文摘要
本发明公开了一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法，属于水切割机切割头性能检测技术领域。按照本发明设计的方式组合和搭建测试设备，使相机(1)、水箱(2)、工作台(3)、盖板(4)、工件(5)、黑色幕板(6)、切割头(7)处于既定的空间位置，使得射流与周围环境反差增大，并获得参考长度h。在工件(5)中心打圆柱孔，在盖板(4)上打矩形孔。使用过曝光手段拍摄射流。将所得图像进行筛选后导入图像后处理软件，基于拍摄图像测量射流的某段像素长度或某处半径的像素长度，再通过既定的参考长度与其像素长度之比换算出实际长度或半径。运用本发明对切割头性能进行评估，安全、准确，具有很高的可操作性。
文档编号G01B11/08GK101819026SQ20101015361
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者康灿, 杨敏官, 王育立, 陈波 申请人:江苏大学;南京大地水刀股份有限公司