CN103487342B - 激光洛氏硬度标准装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光洛氏硬度标准装置及测量方法，一种洛氏硬度装置，其是关于一种国际洛氏硬度新定义下的标准装置，属于硬度测量技术领域。本发明通过智能力加载闭环反馈控制系统，实现了力值自动加载和高精度实时控制；通过激光迈克尔逊外差干涉原理的压痕深度自动测量系统的设计和研制，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，从而满足国际新定义对力值加载速度、力值加载准确度，力值保持时间等具体要求。

Description

激光洛氏硬度标准装置及测量方法

技术领域

本发明涉及激光洛氏硬度标准装置及测量方法，一种洛氏硬度装置，其是关于一种国际洛氏硬度新定义下的标准装置，属于硬度测量技术领域。

背景技术

目前，洛氏硬度试验过程中的参数的定义都显得较为宽泛，控制力度较弱，造成测量结果的较大差异。2006年国际洛氏硬度新定义会议对洛氏硬度进行新的严格定义，并增加了试验过程中间环节控制的参数控制描绘曲线，但是现有装置都无法满足要求，智能加载激光洛氏硬度标准装置就是在这个需求下产生的。

智能加载激光洛氏硬度标准装置主要包括力加载系统和压痕深度测量系统两部分。目前国内外力加载系统主要采用的是静重式、液压式、砝码杠杆式、电动杠杆式；压痕深度测量方式通常有读数显微镜测量和光栅测量的方式。

砝码静重式结构的力值复现准确度无疑是最高的，但自动化程度较低；液压、砝码杠杆及电动加载等方式结构小巧，但力值准确度难以保证。读数显微镜测量方式的最大弊端是采用人眼读数的方式，存在较大的测量误差。且需要进行零位和测量位两次读数才能测量出压痕深度，操作繁琐，自动化程度低。光栅测量方式缺点是测量精度较低，且对使用环境要求较高，尤其易受力加载系统结构等的影响，使得零位难以重复性保证，增加了测量误差系数，稳定性不易保证。

智能加载激光洛氏硬度标准装置通过智能力加载闭环反馈控制系统，实现 力值自动加载和高精度实时控制；通过激光迈克尔逊外差干涉原理的压痕深度自动测量系统，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，从而满足国际新定义的要求。

发明内容

本发明的目的是为了提出激光洛氏硬度标准装置及测量方法，该装置实现洛氏硬度装置力值自动加载和高精度实时控制，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，满足国际洛氏硬度新定义的要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的激光洛氏硬度标准装置，其包括主轴系统、动力系统、力加载系统、机架支撑系统以及深度测量系统，实现力值自动加载和高精度实时控制，压痕测量的高准确度和高可靠性。

所述机架支撑系统包括机架、水平调整、主轴横梁、动力支架、激光器安装板，所述主轴系统安装在主轴横梁上，所述深度测量系统安装在激光器安装板和主轴上端；动力系统安装在动力支架上；

所述主轴系统包括主轴、滚珠花键导向系统和主轴套，所述主轴位于滚珠花键导向系统的中心，所述滚珠花键导向系统外部套有主轴套，所述主轴套安装在主轴横梁上，所述主轴横梁由主轴横梁支柱支撑；

所述动力系统包括伺服电机、减速器、同步带轮、滚珠丝杠、丝杠座、丝母、导轮架、传感器、承载轴和下触点套，所述伺服电机的轴与减速器连接，所述减速器与同步带轮连接，所述同步带轮与滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠通过轴承组固定在丝杠座上、所述丝母顶部装有导轮架，所述导轮架内部嵌有传感器，所述传感器上装有承载轴，所述承载轴上套有下触点套；

所述力加载系统包括一级和二级两级吊挂，所述一级吊挂包括上吊杆、上梁和下梁，所述上吊杆上端与上梁连接，下端与下梁连接；所述二级吊挂包括上吊盘、下吊杆和下吊盘以及作用在下吊盘上的砝码，所述上吊盘内嵌有定心轴，所述定心轴上依次套缓冲弹簧、平面推力轴承、导套、上触点套以及触头，实现二级吊挂向一级吊挂的加载；所述砝码通过自动变荷装置实现自动加载；

所述的自动变荷装置包括旋转电磁铁、主动齿轮、被动齿轮和变荷块；旋转电磁铁带动主动齿轮转动，主动齿轮带动被动齿轮转动，被动齿轮带动变荷块转动实现自动加载；

所述深度测量系统包括外差干涉仪和位置可调棱镜，所述外差干涉仪安装在激光器安装板上，所述位置可调棱镜安装在主轴上端。

所述主轴通过套在其外面的滚珠花键进行导向。

所述动力系统通过伺服电机实现电动加载。

所述导轮架上嵌有传感器实现力值的高精度实时控制。

所述砝码组通过自动变荷装置实现自动变荷。

所述深度测量系统通过外差干涉仪实现压痕深度的非接触测量。

本发明的激光洛氏硬度标准装置，该装置包括主轴系统、动力系统、力加载系统、机架支撑系统以及深度测量系统；

所述主轴系统的内部设有主轴20和滚珠花键导向系统21；

所述动力系统内设有伺服电机4、滚珠丝杠传动系统，所述滚珠丝杠传动系统上设有导轮架30、传感器9以及承载轴28；

所述力加载系统内设有两级吊挂，，两级吊挂包括一级吊挂和二级吊挂；所述一级吊挂包括上吊杆26、上梁25和下梁27；所述二级吊挂通过缓冲弹簧13作用在一级吊挂上；所述二级吊挂包括上吊盘14、下吊杆8和下吊盘1以及作 用在下吊盘上的砝码3，所述砝码3通过自动变荷装置实现自动加载；

所述机架支撑系统包括机架16、水平调整41、主轴横梁22和动力支架7；机架16、水平调整41、主轴横梁22和动力支架7均为支撑结构；

所谓深度测量系统内设有外差干涉仪23以及位置可调棱镜24。

本发明的激光洛氏硬度标准加载方法，步骤为：

初试验力加载：接到初试验力加载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向下移动，使包括上梁25、上吊杆26、下梁27及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架30的传感器9上的下触点套10脱开，将初试验力通过连接在由滚珠花键轴21导向的主轴20上的压头19作用在工作台17上的硬度块18上，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪23通过安装在主轴20上的可调的棱镜24进行深度测量。

总试验力的加载：接到总试验力加载命令后，自动变荷装置的旋转电磁铁39带动主动齿轮38转动，主动齿轮38带动与之啮合的被动齿轮37转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块36旋转，将需要的砝码3重量自动加载到下吊盘1上；然后伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向下移动，丝母34带着包括上吊盘14、下吊杆8、下吊盘1、以及作用在上吊盘14上的定心轴15、缓冲弹簧13、上触点套12和触头11向下移动，直到上触点套12与下梁27接通，这些重量都作用在下梁27上，即作用在主轴20上，将总试验力通过连接在由滚珠花键轴21导向的主轴20上的压头19作用在工作台17上的硬度块18上，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪23通过安装在主轴20上的可调棱镜24进行深度测量。

总试验力卸载：接到总试验力卸载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向上移动，丝母34带着包括上吊盘14、下吊杆8、下吊盘1、以及作用在上吊盘14上的定心轴15、缓冲弹簧13、上触点套12和触头11向上移动，直到上触点套12与下梁27断开，这些重量都与下梁27脱开，即只有初试验力作用在主轴20上，然后自动变荷装置的旋转电磁铁39带动主动齿轮38转动，带动与之啮合的被动齿轮37转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块36旋转，将砝码3托起使其从下吊盘1上卸载；通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求。

初试验力卸载：接到初试验力卸载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向上移动，使包括上梁25、上吊杆26、下梁27及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架30的传感器9上的下触点套10连通，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求。

在整个工作过程中，偏心轴31及其上面的深沟球轴承32对导轮架30进行导向。

在总试验力的加、卸载过程中，下导向杆2及固定在支板40上的偏心轴42及其上面的深沟球轴承43对下吊盘进行导向。

滚珠丝杠35的丝母34在上下移动过程中通过光电开关29和33对其位置进行限位。

有益效果

本发明通过智能力加载闭环反馈控制系统，实现了力值自动加载和高精度实时控制；通过激光迈克尔逊外差干涉原理的压痕深度自动测量系统的设计和 研制，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，从而满足国际新定义对力值加载速度、力值加载准确度，力值保持时间等具体要求。

附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：如图1所示，智能加载激光洛氏硬度标准装置，该装置包括主轴系统、动力系统、力加载系统、机架支撑系统以及深度测量系统；

所述主轴系统的内部设有主轴20和滚珠花键导向系统21；

所述动力系统内设有伺服电机4、滚珠丝杠传动系统，所述滚珠丝杠传动系统上设有导轮架30、传感器9以及承载轴28；

所述力加载系统内设有两级吊挂，，两级吊挂包括一级吊挂和二级吊挂；所述一级吊挂包括上吊杆26、上梁25和下梁27；所述二级吊挂通过缓冲弹簧13作用在一级吊挂上；所述二级吊挂包括上吊盘14、下吊杆8和下吊盘1以及作用在下吊盘上的砝码3，所述砝码3通过自动变荷装置实现自动加载；

所述机架支撑系统包括机架16、水平调整41、主轴横梁22和动力支架7；机架16、水平调整41、主轴横梁22和动力支架7均为支撑结构；

所谓深度测量系统内设有外差干涉仪23以及位置可调棱镜24。

利用上述的装置进行硬度测量的过程包括初试验力加载和总试验力加载两部分，具体过程如下：

初试验力加载：接到初试验力加载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6 带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向下移动，使包括上梁25、上吊杆26、下梁27及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架30的传感器9上的下触点套10脱开，将初试验力通过连接在由滚珠花键轴21导向的主轴20上的压头19作用在工作台17上的硬度块18上，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪23通过安装在主轴20上的可调的棱镜24进行深度测量。

总试验力的加载：接到总试验力加载命令后，自动变荷装置的旋转电磁铁39带动主动齿轮38转动，主动齿轮38带动与之啮合的被动齿轮37转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块36旋转，将需要的砝码3重量自动加载到下吊盘1上；然后伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向下移动，丝母34带着包括上吊盘14、下吊杆8、下吊盘1、以及作用在上吊盘14上的定心轴15、缓冲弹簧13、上触点套12和触头11向下移动，直到上触点套12与下梁27接通，这些重量都作用在下梁27上，即作用在主轴20上，将总试验力通过连接在由滚珠花键轴21导向的主轴20上的压头19作用在工作台17上的硬度块18上，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪23通过安装在主轴20上的可调棱镜24进行深度测量。

总试验力卸载：接到总试验力卸载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向上移动，丝母34带着包括上吊盘14、下吊杆8、下吊盘1、以及作用在上吊盘14上的定心轴15、缓冲弹簧13、上触点套12和触头11向上移动，直到上触点套12与下梁27断开，这些重量都与下梁27脱开，即只有初试验力作用在主轴20上，然后自动变荷装置的旋转电磁铁39带动主动齿轮38转动，带动与之啮合的被动齿轮37 转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块36旋转，将砝码3托起使其从下吊盘1上卸载；通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求。

初试验力卸载：接到初试验力卸载命令后，伺服电机4转动，通过减速器6带动同步带5转动，同步带5带动滚珠丝杠35的丝母34向上移动，使包括上梁25、上吊杆26、下梁27及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架30的传感器9上的下触点套10连通，通过对伺服电机4的速度控制以及传感器9的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求。

在整个工作过程中，偏心轴31及其上面的深沟球轴承32对导轮架30进行导向。

在总试验力的加、卸载过程中，下导向杆2及固定在支板40上的偏心轴42及其上面的深沟球轴承43对下吊盘进行导向。

滚珠丝杠35的丝母34在上下移动过程中通过光电开关29和33对其位置进行限位。

Claims (7)

1.激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：包括主轴系统、动力系统、力加载系统、机架支撑系统以及深度测量系统；

所述机架支撑系统包括机架、水平调整、主轴横梁、动力支架、激光器安装板，所述主轴系统安装在主轴横梁上，所述深度测量系统安装在激光器安装板和主轴上端；动力系统安装在动力支架上；

所述主轴系统包括主轴、滚珠花键导向系统和主轴套，所述主轴位于滚珠花键导向系统的中心，所述滚珠花键导向系统外部套有主轴套，所述主轴套安装在主轴横梁上，所述主轴横梁由主轴横梁支柱支撑；

所述动力系统包括伺服电机、减速器、同步带轮、滚珠丝杠、丝杠座、丝母、导轮架、传感器、承载轴和下触点套，所述伺服电机的轴与减速器连接，所述减速器与同步带轮连接，所述同步带轮与滚珠丝杠连接，所述滚珠丝杠通过轴承组固定在丝杠座上，所述丝母顶部装有导轮架，所述导轮架内部嵌有传感器，所述传感器上装有承载轴，所述承载轴上套有下触点套；

所述力加载系统包括一级和二级两级吊挂；所述一级吊挂包括上吊杆、上梁和下梁，所述上吊杆上端与上梁连接，下端与下梁连接；所述二级吊挂包括上吊盘、下吊杆和下吊盘以及作用在下吊盘上的砝码，所述上吊盘内嵌有定心轴，所述定心轴上依次套缓冲弹簧、平面推力轴承、导套、上触点套以及触头，定心轴实现二级吊挂向一级吊挂的加载；所述砝码通过自动变荷装置实现自动加载；

所述的自动变荷装置包括旋转电磁铁、主动齿轮、被动齿轮和变荷块；旋转电磁铁带动主动齿轮转动，主动齿轮带动被动齿轮转动，被动齿轮带动变荷块转动实现自动加载；

所述深度测量系统包括外差干涉仪和位置可调棱镜，所述外差干涉仪安装在激光器安装板上，所述位置可调棱镜安装在主轴上端。

2.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：所述主轴通过套在其外面的滚珠花键导向系统进行导向。

3.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：所述动力系统通过伺服电机实现电动加载。

4.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：所述导轮架上嵌有传感器实现力值的高精度实时控制。

5.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：所述砝码组通过自动变荷装置实现自动变荷。

6.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置，其特征在于：所述深度测量系统通过外差干涉仪实现压痕深度的非接触测量。

7.根据权利要求1所述的激光洛氏硬度标准装置的加载方法，其特征在于步骤为：

1)初试验力加载：接到初试验力加载命令后，伺服电机转动，通过减速器带动同步带转动，同步带带动滚珠丝杠的丝母向下移动，使包括上梁、上吊杆、下梁及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架的传感器上的下触点套脱开，将初试验力通过连接在由滚珠花键轴导向的主轴上的压头作用在工作台上的硬度块上，通过对伺服电机的速度控制以及传感器的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪通过安装在主轴上的可调的棱镜进行深度测量；

2)总试验力的加载：接到总试验力加载命令后，自动变荷装置的旋转电磁铁带动主动齿轮转动，主动齿轮带动与之啮合的被动齿轮转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块旋转，将需要的砝码重量自动加载到下吊盘上；然后伺服电机转动，通过减速器带动同步带转动，同步带带动滚珠丝杠的丝母向下移动，丝母带着包括上吊盘、下吊杆、下吊盘、以及作用在上吊盘上的定心轴、缓冲弹簧、上触点套和触头向下移动，直到上触点套与下梁接通，这些重量都作用在下梁上，即作用在主轴上，将总试验力通过连接在由滚珠花键轴导向的主轴上的压头作用在工作台上的硬度块上，通过对伺服电机的速度控制以及传感器的数据反馈，实现满足国际新定义对加载速度和加载时间的要求，外差干涉仪通过安装在主轴上的可调棱镜进行深度测量；

3)总试验力卸载：接到总试验力卸载命令后，伺服电机转动，通过减速器带动同步带转动，同步带带动滚珠丝杠的丝母向上移动，丝母带着包括上吊盘、下吊杆、下吊盘、以及作用在上吊盘上的定心轴、缓冲弹簧、上触点套和触头向上移动，直到上触点套与下梁断开，这些重量都与下梁脱开，即只有初试验力作用在主轴上，然后自动变荷装置的旋转电磁铁带动主动齿轮转动，带动与之啮合的被动齿轮转动，从而带动与被动齿轮连接在一起的变荷块旋转，将砝码托起使其从下吊盘上卸载；通过对伺服电机的速度控制以及传感器的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求；

4)初试验力卸载：接到初试验力卸载命令后，伺服电机转动，通过减速器带动同步带转动，同步带带动滚珠丝杠的丝母向上移动，使包括上梁、上吊杆、下梁及主轴系统在内的总重量与安装在导轮架的传感器上的下触点套连通，通过对伺服电机的速度控制以及传感器的数据反馈，实现对卸载速度和卸载时间的要求；

在整个步骤1)-步骤4)工作过程中，偏心轴及其上面的深沟球轴承对导轮架进行导向；

在总试验力的加载和卸载过程中，下导向杆及固定在支板上的偏心轴及其上面的深沟球轴承对下吊盘进行导向；

滚珠丝杠的丝母在上下移动过程中通过光电开关对其位置进行限位。