CN105115842B

CN105115842B - 差动螺旋硬度测量装置

Info

Publication number: CN105115842B
Application number: CN201510604013.4A
Authority: CN
Inventors: 张凤林; 杨兵锋
Original assignee: TX TESTING INSTRUMENTS Co
Current assignee: Shenyang Tianxing Test Instrument Co.,Ltd.
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2035-09-21
Also published as: CN105115842A

Abstract

差动螺旋硬度测量装置，克服了现有硬度测量装置无法同时满足结构紧凑、使用寿命长、测量准确和成本低的问题，特征是双头螺杆下端第一螺纹的导程为Ｐ_１，上端第二螺纹的导程为Ｐ_２，P1‑P2=ΔＰ为一较小数值，第一螺纹外有第一螺母，第一螺母与内套筒的上端固定连接，内套筒的下端固定连接力传感器，第二螺纹外有第二螺母，第二螺母与外套筒的上端固定连接，第一从动齿轮和第二从动齿轮与主动齿轮啮合的位置有一个微小的错开距离，有益效果是，可以采用导程较大的螺旋产生较小的位移，解决了精确测量压痕深度残余增量和螺杆螺母强度及使用寿命之间的矛盾,另外由于不需要配置位移传感器，整个系统的结构更加简单，成本低，可靠性强。

Description

差动螺旋硬度测量装置

技术领域

本发明属于硬度检测设备技术领域，特别是涉及差动螺旋硬度测量装置。

背景技术

目前，采用静力试验法对金属材料及制品硬度检测的硬度测量装置，常采用布氏、洛氏和维氏三种检测方法，从原理上讲，都是将一个硬度很高的标准压头用规定的试验力压入试样表面，在卸除试验力后测量压痕几何尺寸，根据测量结果计算硬度值,其中采用测深法布氏硬度检测方法和洛氏硬度检测方法都是给压头先加上初试验力F₀，再加上主试验力F₁，在总试验力F₀+F₁作用下，将压头压入试样表面，保持规定时间后卸除主试验力F₁，施加主试验力F₁前后，在保留初试验力F₀时测量压痕深度残余增量，根据压痕深度残余增量计算硬度值。硬度测量装置要满足以下几个要求：第一，可以稳定、准确、受控地提供试验力；第二，要能准确的检测压痕深度；第三，坚固耐用、结构紧凑、性能稳定以及使用寿命长、维护简单。

现有硬度测量装置在提供试验力方面，常采用杠杆加载方式，这种方式存在的问题是体积大，不便于作为一个独立的工作单元在自动化测量装置上应用。

现有硬度测量装置在提供试验力方面，也有采用液压传动加载方式的，采用这种方式存在的问题是试验力的控制困难，实现试验力的精确控制需要精密复杂的液压伺服控制系统，对生产制造和使用维护都带来较大困难。

现有硬度测量装置在提供试验力方面，还有采用伺服电机驱动、螺旋传动和压力传感器反馈加载方式的，采用这种方式存在的问题是,传动精度受螺杆和螺母的加工精度影响较大。

为了精确测量压痕深度残余增量，并且根据压痕深度残余增量值计算硬度值，现有硬度测量装置都需要配置位移测量装置，例如百分表、螺旋测微计、编码器或位移传感器，其中百分表、螺旋测微计等机械式测量方式不能自动采集数据，无法在自动化测量装置上应用。采用编码器测量压头位移要配合精密的螺旋传动机构，而采用精密的螺旋传动机构实现精密的位移测量，需要精确的测量螺杆或螺母的转角，在相同的转角测量精度下，螺旋的导程越小，位移测量的精度就会越高，但是减小螺旋的导程必然降低螺纹强度,降低螺纹的承载能力和使用寿命，由于硬度测量装置中的螺旋传动机构在提供精密位移的同时还要传递试验力，而当较小的螺纹传递较大试验力时易发生磨损，磨损后螺旋传动精度会降低，所以采用减小螺旋导程的方式不能提供长期稳定的测量精度。采用位移传感器测量压痕深度残余增量存在以下两个问题；第一，由于受测量装置机械结构限制，传感器的测量轴线与压头轴线无法重合，存在一定偏移量，会引入额外的测量误差；第二，位移传感器的价格昂贵，也限制了这种方案的推广。

发明内容

本发明所要解决的问题是，克服现有技术的不足之处，提供一种体积小，控制方便，对传动系统加工精度要求不高，并在实现精确测量压痕深度的同时，可以长期稳定地提供大的试验力的一种差动螺旋硬度测量装置。

本发明采用的技术方案包括力传感器、压头和电机，双头螺杆下端第一螺纹的导程为Ｐ１，双头螺杆上端第二螺纹的导程为Ｐ２，在第一螺纹外有第一螺母，第一螺母与内套筒的上端固定连接，内套筒的下端固定连接力传感器，在第二螺纹外有第二螺母，第二螺母与外套筒的上端固定连接，外套筒的上端固定在底板上，所述双头螺杆的上端固定连接第一从动齿轮，第一从动齿轮与第二从动齿轮固定连接，第一从动齿轮和第二从动齿轮共同与主动齿轮啮合，所述主动齿轮固定连接在电机的输出轴上，所述电机选用伺服电机，第一从动齿轮和第二从动齿轮在与主动齿轮啮合的位置有一个微小的错开距离，在主动齿轮正向旋转时，第一从动齿轮齿面与主动齿轮第一齿面相啮合；在主动齿轮反向旋转时，第二从动齿轮齿面与主动齿轮第二齿面相啮合。

所述第一螺纹和第二螺纹旋向相同，所述第一螺纹的导程P1和第二螺纹的导程P2数值很接近，P1-P2=ΔＰ为一较小数值，ΔＰ远小于Ｐ１和P2，可以小到0.1～0.5mm。

在所述外套筒的下端固定连接导套，导套下端固定连接上止转片和下止转片，且上止转片和下止转片重叠并相互错开安装，所述内套筒的下端对称开设有2个凹槽，上止转片和下止转片内侧有与内套筒的2个凹槽相对应的凸起，2个凸起分别嵌入内套筒下端的2个凹槽内。

所述内套筒的上端开设有环形沟槽，该环形沟槽内安装第一减磨带，第一减磨带的外表面与外套筒的内表面滑动配合；在导套内安装第二减磨带和压紧圈，第二减磨带的内表面和内套筒的外表面滑动配合，导套的上端开设环形凹槽，该环形凹槽内安装密封圈，密封圈和内套筒滑动配合并密封。

所述主动齿轮由上下两部分焊接构成，上部与第二轴承的内圈固定连接，下部与第一轴承的内圈固定连接；第一轴承的外圈与底板固定连接，第二轴承的外圈与罩壳固定连接，并被盖板压紧。

在所述底板上安装罩壳，在罩壳上安装盖板及防尘盖，在底板、罩壳、盖板及防尘盖之间形成第一空腔，该第一空腔是第一从动齿轮和第二从动齿轮的运行空间。

在所述内套筒与导套上端之间有一个间隙，该间隙内安装第一弹簧。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用差动螺旋传动电动加载方式，提供硬度测量所需的试验力，并且通过伺服电机的内置编码器测量压痕深度残余增量，由双头螺柱、第一螺母和第二螺母构成差动螺旋，其中第一螺纹的导程为P1，第二螺纹的导程为P2，由于P1和P2数值很接近，所以P1-P2=ΔＰ为一较小数值，可以小到0.1～0.5mm，由于第一螺纹和第二螺纹旋向相同，当双头螺柱旋转一周时，内套筒移动ΔＰ的距离，同时带动压头移动ΔＰ的距离,由于ΔＰ远远小于Ｐ１或P2，所以可以采用导程较大的螺旋产生较小的位移，这样就解决了精确测量压痕深度残余增量和螺杆螺母强度及使用寿命之间的矛盾,另外由于不需要配置位移传感器，整个系统的结构更加简单，可靠性增强，成本降低。

（2）本发明第一从动齿轮与第二从动齿轮在啮合位置有一个微小的错开距离,在主动齿轮正向旋转时，第一从动齿轮齿面与主动齿轮第一齿面相啮合；在主动齿轮反向旋转时，第二从动齿轮齿面与主动齿轮第二齿面相啮合；这样就在不提高加工精度的前提下减少了主动齿轮和从动齿轮之间的啮合间隙，并且在使用一段时间后再做维护时，可以通过重新调整来减小啮合间隙，从而实现了采用常规精度的加工手段提供了高精度的可以补偿磨损的传动装置。

（3）本发明内套筒与导套上端之间有一个间隙，该间隙内安装第一弹簧，在第一弹簧的作用下消除了第一螺母与第一螺纹以及第二螺母与第二螺纹之间螺旋配合的轴向间隙，使位移的精确测量得到保证。

（4）本发明内套筒的下端对称开设有2个凹槽，导套下端装有上止转片和下止转片，上止转片和下止转片内侧有与内套筒的2个凹槽相对应的突起，2个凸起分别嵌入内套筒下端的2个凹槽内，由于上止转片和下止转片相互重叠并错开安装，减小了上止转片和下止转片内侧突起和内套筒下端凹槽之间的配合间隙，使双头螺柱反向旋转和起动时内套筒的空转角度减小，起到限制内套筒转角的作用，使内套筒只能沿着外套筒内壁做垂直方向的移动，从而使位移的精确测量得到进一步保证。

（5）本发明外套筒中部与双头螺柱之间形成第二空腔，第二空腔作为润滑油的存储空间，在导套的下端开设环形凹槽，环形凹槽内安装密封圈，密封圈保证润滑油不向外界泄露，由于双头螺柱和第一螺母、第二螺母之间的结合面处于浸油润滑状态，减少了螺旋表面的磨损，提高了系统的可靠性和使用寿命。

（6）本发明在底板、罩壳、盖板及防尘盖之间形成第一空腔，第一空腔是第一从动齿轮和第二从动齿轮的运行空间，这个空间也是润滑脂的存储空间，润滑脂可以延长齿轮的使用寿命，提高了系统的可靠性和使用寿命。

（7）本发明主动齿轮由上下两部分焊接构成，主动齿轮的上部与第二轴承的内圈固定连接，主动齿轮的下部与第一轴承的内圈固定连接；既保证了主动齿轮齿面的完整性，又使主动齿轮与电机的输出轴连接的键槽易于加工。

（8）本发明第二螺母固定连接在外套筒上，第一螺母固定连接在内套筒上，内套筒在第一减磨带、第二减磨带和导套的支撑下只能沿着外套筒的内壁做垂直方向的移动，实现了对内套筒的导向作用，保证了压头的垂直加力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的B—B剖视图；

图3是图2的F部位局部放大图；

图4是图1的C—C剖视图；

图5是图4的D部位局部放大图；

图6是本发明应用于硬度测量机的立体结构示意图。

图中：

1. 双头螺柱，

1-1. 第一螺纹，1-2. 第二螺纹，1-3. 连接杆，

2. 第一螺母，3. 第二螺母，

4. 内套筒，5. 力传感器, 6. 压头，

7.第一从动齿轮，7-1. 第一从动齿轮齿面，

8. 第二从动齿轮，8-1. 第二从动齿轮齿面，

9. 主动齿轮，9-1. 主动齿轮第一齿面，9-2. 主动齿轮第二齿面，

10. 电机，11. 底板，

12. 上止转片，13. 下止转片，

14. 外套筒，15. 第一减磨带，

16. 导套，17. 第二减磨带，

18. 压紧圈，19. 密封圈，

20. 第一弹簧，21. 第二空腔，

22.第一轴承，23. 罩壳，24.第二轴承

25.盖板，26-1.维修口，26-2.安装口,27.防尘盖，

28.大护罩，29.第二弹簧，30.小护罩，31.连接盘，

32.过渡盘，33.第一空腔, 34.孔用挡圈，

35.被测工件，36.硬度测量机架，

d.错开距离。

具体实施方式

下面结合附图提供本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明包括力传感器5、压头6和电机10，双头螺柱1下端第一螺纹1-1的导程为Ｐ_１，双头螺柱1上端第二螺纹1-2的导程为Ｐ_２，在第一螺纹1-1外有第一螺母2，第一螺母2与内套筒4的上端固定连接，内套筒4的下端通过连接盘31和过渡盘32固定连接力传感器5的上端，力传感器5的下端与压头6固定连接，在第二螺纹1-2外有第二螺母3，第二螺母3与外套筒14的上端固定连接，由双头螺柱1、第一螺母2和第二螺母3构成差动螺旋，由于第一螺纹1-1的导程P1和第二螺纹1-2的导程P2数值很接近，所以P1-P2=ΔＰ为一较小数值，可以小到0.1～0.5mm，由于第一螺纹1-1和第二螺纹1-2旋向相同，当双头螺柱1旋转一周时，内套筒4移动ΔＰ的距离，同时带动压头6移动ΔＰ的距离，由于ΔＰ远远小于Ｐ１或P2，所以可以采用导程较大的螺旋产生较小的位移；

双头螺柱1的上端为连接杆1-3，在连接杆1-3上固定连接第一从动齿轮7，第一从动齿轮7通过螺钉与第二从动齿轮8固定连接，第一从动齿轮7和第二从动齿轮8共同与主动齿轮9啮合，主动齿轮9固定连接在电机10的输出轴上，电机10固定连接在底板11上，所述电机10选用伺服电机；所述底板11与第一轴承22的外圈固定连接，在底板11和第一轴承22的外圈之间安装孔用挡圈34，在所述底板11上安装罩壳23，在罩壳23上开设维修口26-1和安装口26-2，在维修口26-1上安装防尘盖27，在安装口26-2上安装盖板25；在底板11、罩壳23、盖板25及防尘盖27之间形成第一空腔33，该第一空腔33是第一从动齿轮7和第二从动齿轮8的运行空间；罩壳23与第二轴承24的外圈固定连接，盖板25压紧第二轴承24的外圈；

所述主动齿轮9由上下两部分焊接构成，上部与第二轴承24的内圈固定连接，下部与第一轴承22的内圈固定连接，既保证了主动齿轮9 齿面的完整性，又使主动齿轮9与电机10的输出轴连接的键槽易于加工；

所述内套筒4的上端开设有环形沟槽，该环形沟槽内安装第一减磨带15，第一减磨带15的外表面与外套筒14的内表面滑动配合；所述外套筒14的下端固定连接导套16，在导套16内安装第二减磨带17和压紧圈18，第二减磨带17的内表面和内套筒4的外表面滑动配合，内套筒4在第一减磨带15、第二减磨带17和导套16的支撑下只能沿着外套筒14的内壁做垂直方向的移动，实现了对内套筒4的导向作用，保证了垂直加力；

所述内套筒4与导套16的上端之间有一个间隙，该间隙内安装第一弹簧20；所述外套筒14的中部与双头螺柱1之间形成第二空腔21，在第二空腔21内装有润滑油；导套16的上端开设环形凹槽，该环形凹槽内安装密封圈19，密封圈19和内套筒4滑动配合并密封，通过密封圈19对第二空腔21内装有的润滑油实现密封；

所述力传感器5外装有大护罩28，大护罩28固定连接在过渡盘32上，大护罩28内部安装小护罩30，大护罩28和小护罩30之间安装第二弹簧29。

如图1、图2和图3所示，在所述外套筒14的下端固定连接导套16，导套16下端固定连接上止转片12和下止转片13，所述内套筒4的下端对称开设有2个凹槽，上止转片12和下止转片13内侧有与内套筒4的2个凹槽相对应的凸起，2个凸起分别嵌入内套筒4下端的2个凹槽内，上止转片12和下止转片13重叠并相互错开安装，减小了上止转片和下止转片内侧突起和内套筒下端凹槽之间的配合间隙，使双头螺柱1反向旋转或起动时内套筒4的空转角度减小，起到限制内套筒4转角的作用，使内套筒4只能沿着外套筒14内壁做垂直方向的移动，从而使精确测量位移得到进一步保证；

如图4和图5所示，第一从动齿轮7与第二从动齿轮8在啮合位置有一个一个微小的错开距离d,在主动齿轮9正向旋转时，第一从动齿轮齿面7-1与主动齿轮第一齿面9-1相啮合；在主动齿轮9反向旋转时，第二从动齿轮齿面8-1与主动齿轮第二齿面9-2相啮合；这样就在不提高加工精度的前提下减少了主动齿轮和从动齿轮之间的啮合间隙。

如图6所示，将本发明安装在硬度测量机架36上，可对被测工件35进行测量，这样，即可构成一台具有精确压痕深度测量功能的测深法大试验力自动布氏硬度计。

本发明采用差动螺旋传动电动加载方式，提供硬度测量所需的试验力，并且通过伺服电机的内置编码器测量压痕深度残余增量，解决了精确测量压痕深度残余增量和螺杆螺母强度及使用寿命之间的矛盾,另外由于不需要配置位移传感器，整个系统的结构更加简单，可靠性增强，成本降低。

Claims

1.差动螺旋硬度测量装置，包括力传感器（5）、压头（6）和电机（10），双头螺杆（1）下端第一螺纹（1-1）的导程为Ｐ₁，双头螺杆（1）上端第二螺纹（1-2）的导程为Ｐ_２，在第一螺纹（1-1）外有第一螺母（2），第一螺母（2）与内套筒（4）的上端固定连接，内套筒（4）的下端固定连接力传感器（5），在第二螺纹（1-2）外有第二螺母（3），第二螺母（3）与外套筒（14）的上端固定连接，外套筒（14）的上端固定在底板（11）上，其特征在于，所述双头螺杆（1）的上端固定连接第一从动齿轮（7），第一从动齿轮（7）与第二从动齿轮（8）固定连接，第一从动齿轮（7）和第二从动齿轮（8）共同与主动齿轮（9）啮合，所述主动齿轮（9）固定连接在电机（10）的输出轴上，所述电机（10）选用伺服电机,第一从动齿轮（7）和第二从动齿轮（8）在与主动齿轮（9）啮合的位置有一个微小的错开距离（d）,在主动齿轮（9）正向旋转时，第一从动齿轮齿面（7-1）与主动齿轮第一齿面（9-1）相啮合；在主动齿轮（9）反向旋转时，第二从动齿轮齿面（8-1）与主动齿轮第二齿面（9-2）相啮合。

2.根据权利要求1所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，所述第一螺纹（1-1）和第二螺纹（1-2）旋向相同，所述第一螺纹（1-1）的导程P1和第二螺纹（1-2）的导程P2数值很接近，P1-P2=ΔＰ为一较小数值，ΔＰ远小于Ｐ1和P2，可以小到0.1～0.5mm。

3.根据权利要求1所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，在所述外套筒（14）的下端固定连接导套（16），导套（16）下端固定连接上止转片（12）和下止转片（13），且上止转片（12）和下止转片（13）重叠并相互错开安装，所述内套筒（4）的下端对称开设有2个凹槽，上止转片（12）和下止转片（13）内侧有与内套筒（4）的2个凹槽相对应的凸起，2个凸起分别嵌入内套筒（4）下端的2个凹槽内。

4.根据权利要求1所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，所述内套筒（4）的上端开设有环形沟槽，该环形沟槽内安装第一减磨带（15），第一减磨带（15）的外表面与外套筒（14）的内表面滑动配合；在导套（16）内安装第二减磨带（17）和压紧圈（18），第二减磨带（17）的内表面和内套筒（4）的外表面滑动配合，导套（16）的上端开设环形凹槽，该环形凹槽内安装密封圈（19），密封圈（19）和内套筒（4）滑动配合并密封。

5.根据权利要求1所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，所述主动齿轮（9）由上下两部分焊接构成，上部与第二轴承(24)的内圈固定连接，下部与第一轴承（22）的内圈固定连接；第一轴承(22)的外圈与底板（11）固定连接，第二轴承（24）的外圈与罩壳（23）固定连接，并被盖板（25）压紧。

6.根据权利要求1所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，在所述底板（11）上安装罩壳（23），在罩壳（23）上安装盖板（25）及防尘盖（27），在底板（11）、罩壳（23）、盖板（25）及防尘盖（27）之间形成第一空腔（33），该第一空腔（33）是第一从动齿轮（7）和第二从动齿轮（8）的运行空间。

7.根据权利要求3所述差动螺旋硬度测量装置，其特征在于，在所述内套筒(4)与导套(16)上端之间有一个间隙，该间隙内安装第一弹簧(20)。