CN105044136B - 一种残余应力层深分布辅助测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种残余应力层深分布辅助测量装置，包括底部支撑装置、工件支撑装置、传感器支架及位移传感器，所述底部支撑装置包括底座、两导轨、伺服电机和滚珠丝杠机构，所述工件支撑装置包括连接板、V型块和工件限位机构；所述工件限位机构包括安装在连接板上的限位架及安装在限位架上的压紧装置，所述压紧装置位于V型块的上方；所述传感器支架安装在底座上，所述位移传感器上下位置可调整地安装在传感器支架上，所述位移传感器用于与V型块上的待测区域接触以检测待测区域的深度。本发明进行剥层和测量的整个过程自动控制，可操作性强，节约测试时间，测量精度高。

Description

一种残余应力层深分布辅助测量装置及方法

技术领域

本发明属于零件残余应力测量设备领域，更具体地，涉及一种残余应力层深分布辅助测量装置及方法。

背景技术

残余应力是外部载荷卸去后保留在固体内部的自平衡应力，机械加工残余应力来源于机械加工过程中机械载荷，温度梯度，相变等导致的非均匀材料变形。残余应力的大小及分布情况直接影响到零件的疲劳寿命，蠕变寿命以及抗腐蚀性能等。因此，残余应力沿层深分布的测量具有重要的意义。目前，运用最多的技术手段是X射线衍射法测量残余应力，X射线穿透能力很弱，需要辅以电解剥层才能实现不同层深分布残余应力的测量。在中国发明专利说明书CN103411714A中公开了一种使用X射线衍射测量不同层深分布残余应力的方法，该发明专利通过局部电解腐蚀形成局部凹坑，剥层深度主要通过电解液的电流密度和通电时间来控制好腐蚀深度。以上发明专利主要通过局部剥层法代替以往均匀去除整个零件表面材料的方法，提高了效率，节约了成本。该方法在剥层过程中，主要通过电解液的电流密度和通电时间来控制腐蚀深度，忽略了电流的不稳定性，剥层过程中力道的控制等不确定性造成的剥层深度的难以控制，造成得到的测量数据的不准确性。

北京工业大学的张亦良在其硕士毕业论文中也提到一种测量残余应力层深分布的装置及方法。该方法主要通过百分表来记录剥层深度。实验过程中，将百分表固定在圆柱钢的V型底座上，将测头移到测量点位上记录一个初始数值。然后将圆柱钢移开一个角度，使被测点离开侧头，然后用抛光机进行电解抛光。电解抛光结束后，将圆柱钢轴旋转返回至初始位置，使百分表侧头仍恢复到原测点位置，再记下此时百分表读数。按此方法即可得到需要的剥层深度。该方法主要通过百分表记录剥层的深度，移动圆柱零件的可操作性不强，因为需要对剥层深度做到微米级的控制，手移动过程中的很多人为因素会造成数据的不准确。且工件转动后很难做到精确地回复原点。整个操作过程费时费力，且层深测量准确度不高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种残余应力层深分布辅助测量装置及方法，其目的在于提供一种高精确高效的控制剥层深度的测量装置和方法，从而能够对不同深度分布的残余应力进行精确高效的测量，可操作性强，大大提高测量效率，由此解决现有技术中剥层深度不易控制的缺陷。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种残余应力层深分布辅助测量装置，包括底部支撑装置、工件支撑装置、传感器支架及位移传感器，其中，所述底部支撑装置包括底座、两导轨、伺服电机和滚珠丝杠机构，所述两导轨和伺服电机均安装在底座上，所述滚珠丝杠机构通过伺服电机驱动；

所述工件支撑装置包括连接板、V型块和工件限位机构，所述连接板通过滚珠丝杠机构驱动其移动且其安装在两导轨上，所述V型块安装在连接板上；所述工件限位机构包括安装在连接板上的限位架及安装在限位架上的压紧装置，所述压紧装置位于V型块的上方，其用于与V型块配合对圆柱形工件进行限位；

所述传感器支架安装在底座上，所述位移传感器上下位置可调整地安装在传感器支架上，所述位移传感器用于与V型块上的圆柱形工件的待测区域接触以检测待测区域的深度。

优选地，所述压紧装置为螺纹连接在限位架上的螺栓。

优选地，位移传感器的分辨率为0.1μm，其与伺服电机组成闭环反馈控制系统，以用于控制圆柱形工件的剥层深度。

优选地，所述传感器支架用于安装位移传感器的部位设置有缺口槽，所述位移传感器安装在缺口槽处，有螺栓装置从缺口槽处穿过传感器支架后将位移传感器固定在传感器支架上。

一种利用辅助测量装置进行残余应力层深分布的测量方法，包括以下步骤：

1)将圆柱形工件放在V型块上，调整圆柱形工件的位置，使圆柱形工件上的待测区域位于位移传感器的正下方，通过压紧装置对圆柱形工件进行限位；

2)调整位移传感器的上下位置，使位移传感器接触圆柱形工件的待测区域，记录位移传感器的初始读数h₀；

3)启动剥层工位上的电解抛光机，设置电解抛光机每次剥层深度为h；

4)伺服电机驱动滚珠丝杠机构运动，滚珠丝杠机构带动圆柱形工件移动到剥层工位，利用X射线衍射仪对表层残余应力进行测量，记录圆柱形工件表面的残余应力数值S₀；

5)设置圆柱形工件内部残余应力测量点的数量为n，μ为允许的剥层误差值，0＜μ≤h/2，径向深度为jkh的点为残余应力测量点，其中k为正整数，j＝1，2，3……n；

6)设置计时器i＝1；

7)本步骤包括以下子步骤：

7.1)使用电解抛光机对圆柱形工件待测区域进行一次剥层；伺服电机驱动圆柱形工件回到初始工位，位移传感器与待测区域接触，得到读数h_i；伺服电机驱动圆柱形工件移动到剥层工位；

7.2)判断|h_i-h_i-1|≥kh-μ是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，则进入步骤7.3)；

7.3)测量第i点残余应力数值S_i；

7.4)设置i＝i+1；

7.5)判断i＞n是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，进入步骤8)；

8)结束残余应力的测量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)通过伺服电机驱动圆柱形工件完成两个工位的切换，定位精度高，测量效率高；

2)通过位移传感器与伺服电机组成的闭环控制系统，保证了剥层深度测量的准确性，解决了人为操作不确定性带来的误差；

3)工件限位机构的运用，保证了工件在移动测量过程中位置的固定，避免位置误差造成的深度测量误差。

4)整个过程自动控制，可操作性强，节约测试时间，测量精度高。

附图说明

图1是本发明上放置有圆柱形工件的三维结构示意图；

图2是本发明中测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种残余应力层深分布辅助测量装置，包括底部支撑装置1、工件支撑装置2、传感器支架3及位移传感器4，其中，所述底部支撑装置1包括底座11、两导轨12、伺服电机13和滚珠丝杠机构14，所述两导轨12和伺服电机13均安装在底座11上，所述滚珠丝杠机构14通过伺服电机13驱动；

所述工件支撑装置2包括连接板21、V型块22和工件限位机构，所述连接板21与滚珠丝杠机构14的滚珠螺母固定连接且其安装在两导轨12上，伺服电机13驱动滚珠丝杠机构14的丝杆旋转时，滚珠螺母带动连接板21运动，连接板21可以在两导轨12上实现平稳移动；所述V型块22和工件限位机构均安装在连接板21上；所述工件限位机构包括固定安装在连接板21上的限位架231及安装在限位架231上的压紧装置232，所述压紧装置232位于V型块22的上方，其能压紧圆柱形工件5，从而与V型块22配合对圆柱形工件5进行限位；压紧装置232的构造可以有很多种，只要能够调整位置与V型块22配合限位就可，譬如可以采用压缩弹簧、限位销和限位块配合的结构，向上拉动限位销，固定在限位销上的限位块压住压缩弹簧，以便于留出位置放置圆柱形工件5，然后放下限位销，则限位销可以向下压住圆柱形工件5。作为优选，本发明的压紧装置232为螺纹连接在限位架231上的螺栓，这样结构比较简单，便于安装和操作。

另外，所述传感器支架3安装在底座11上，所述位移传感器4位置可调整地安装在传感器支架3上，所述位移传感器4用于与V型块22上的待测区域接触以检测待测区域的深度。向下移动位移传感器4，可以使位移传感器4与圆柱形工件5的待测区域接触。

进一步，位移传感器4的分辨率为0.1μm，其与伺服电机13组成闭环反馈控制系统，以用于控制圆柱形工件5的剥层深度。

优选地，所述传感器支架3用于安装位移传感器4的部位设置有缺口槽31，所述位移传感器4安装在缺口槽31处，有螺栓装置从缺口槽31处穿过传感器支架3后将位移传感器4固定在传感器支架3上，这样拧松和拧紧螺栓装置即可方便地调整位移传感器4的位置。另外，还可以采用设置腰形孔与螺栓装置配合的方式，来调整位移传感器4的位置。

作为优选，工件限位机构通过螺栓与连接板21固定在一起，可以根据圆柱形工件5的长度来确定工件限位机构的数目。图1示出了2个工件限位机构。相应地，V型块22也设置了2个。V型块22通过螺栓与连接板21固定在一起。滚珠丝杠机构14的滚珠螺母与连接板21的下端通过螺栓连接接在一起。连接板21通过滑块121安装在两导轨12上，连接板21通过螺栓与滑块121固定在一起。两个导轨12通过螺栓固定在底座11上。传感器支架3直接与底座11焊接在一起。伺服电机13连接电机座后，直接通过螺栓将电机座与底座11固定在一起。

上述导轨12、滚珠丝杠机构14配合伺服电机13，主要是让圆柱形工件5能够精确完成初始工位与剥层工位这两个工位的切换，提高其重复定位精度。

上述工件限位机构通过拧紧限位架231上的螺栓，给工件提供一个夹持力，防止工件在剥层或者切换工位过程中位置发生变化。

本发明测量装置的工作过程：

1)将圆柱形工件5放在V型块上，调整圆柱形工件5的位置，使圆柱形工件5上的待测区域位于位移传感器4的正下方，通过压紧装置232对圆柱形工件5进行限位；

2)调整位移传感器4的上下位置，使位移传感器4接触圆柱形工件5的待测区域，记录位移传感器4的初始读数h₀；

3)启动剥层工位上的电解抛光机，设置电解抛光机每次剥层深度为h，本发明的剥层深度h可以达到μm级别,本发明优选每次剥层深度为1μm；

4)伺服电机13驱动滚珠丝杠机构运动，滚珠丝杠机构带动圆柱形工件5移动到剥层工位，利用X射线衍射仪对表层残余应力进行测量，记录圆柱形工件5表面的残余应力数值S₀；

5)设置圆柱形工件5内部残余应力测量点的数量为n，μ为允许的剥层误差值，0＜μ≤h/2，径向深度为jkh的点为残余应力测量点，其中k为正整数，j＝1，2，3……n；譬如，如果n＝3，k＝5，则圆柱形工件5的径向深度为5μm，10μm和15μm的点为残余应力测量点，X射线衍射仪需检测这三个点的残余应力；

6)设置计时器i＝1；

7)本步骤包括以下子步骤：

7.1)使用电解抛光机对圆柱形工件5待测区域进行一次剥层；伺服电机13驱动圆柱形工件5回到初始工位，位移传感器4与待测区域接触，得到读数h_i；伺服电机13驱动圆柱形工件5移动到剥层工位；

7.2)判断|h_i-h_i-1|≥kh-μ是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，则进入步骤7.3)；

7.3)测量第i点残余应力数值S_i；

7.4)设置i＝i+1；

7.5)判断i＞n是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，进入步骤8)；

8)结束残余应力的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用残余应力层深分布辅助测量装置进行残余应力层深分布的测量方法，所述残余应力层深分布辅助测量装置包括底部支撑装置、工件支撑装置、传感器支架及位移传感器，其中，

所述底部支撑装置包括底座、两导轨、伺服电机和滚珠丝杠机构，所述两导轨和伺服电机均安装在底座上，所述滚珠丝杠机构通过伺服电机驱动；

所述工件支撑装置包括连接板、V型块和工件限位机构，所述连接板通过滚珠丝杠机构驱动其移动且其安装在两导轨上，所述V型块安装在连接板上；所述工件限位机构包括安装在连接板上的限位架及安装在限位架上的压紧装置，所述压紧装置位于V型块的上方，其用于与V型块配合对圆柱形工件进行限位；

所述传感器支架安装在底座上，所述位移传感器上下位置可调整地安装在传感器支架上，所述位移传感器用于与V型块上的圆柱形工件的待测区域接触以检测待测区域的深度，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

1)将圆柱形工件放在V型块上，调整圆柱形工件的位置，使圆柱形工件上的待测区域位于位移传感器的正下方，通过压紧装置对圆柱形工件进行限位；

2)调整位移传感器的上下位置，使位移传感器接触圆柱形工件的待测区域，记录位移传感器的初始读数h₀；

3)启动剥层工位上的电解抛光机，设置电解抛光机每次剥层深度为h；

4)伺服电机驱动滚珠丝杠机构运动，滚珠丝杠机构带动圆柱形工件移动到剥层工位，利用X射线衍射仪对表层残余应力进行测量，记录圆柱形工件表面的残余应力数值S₀；

5)设置圆柱形工件内部残余应力测量点的数量为n，μ为允许的剥层误差值，0＜μ≤h/2，径向深度为jkh的点为残余应力测量点，其中k为正整数，j＝1，2，3……n；

6)设置计时器i＝1；

7)本步骤包括以下子步骤：

7.1)使用电解抛光机对圆柱形工件待测区域进行一次剥层；伺服电机驱动圆柱形工件回到初始工位，位移传感器与待测区域接触，得到读数h_i；伺服电机驱动圆柱形工件移动到剥层工位；

7.2)判断|h_i-h_i-1|≥kh-μ是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，则进入步骤7.3)；

7.3)测量第i点残余应力数值S_i；

7.4)设置i＝i+1；

7.5)判断i＞n是否成立，若否，则返回步骤7.1)，若是，进入步骤8)；

8)结束残余应力的测量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述压紧装置为螺纹连接在限位架上的螺栓。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：位移传感器的分辨率为0.1μm，其与伺服电机组成闭环反馈控制系统，以用于控制圆柱形工件的剥层深度。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述传感器支架用于安装位移传感器的部位设置有缺口槽，所述位移传感器安装在缺口槽处，有螺栓装置从缺口槽处穿过传感器支架后将位移传感器固定在传感器支架上。