CN108534678A - 岩石试件几何缺陷测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石缺陷检测技术领域，公开一种岩石试件几何缺陷测量装置，包括：试件支撑模块：包括可带动试件绕中心轴旋转的转盘，实现试件在横向测量模块和竖向测量模块测量过程中的全面测量；横向测量模块包括可水平移动的横向测量探头，横向测量探头的水平行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；竖向测量模块：包括可在竖直方向移动的竖向测量探头，竖直测量探头的竖直行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；测量控制模块：为试件支撑模块、横向测量模块和竖向测量模块提供电源和程序控制及提供测量结果分析和展示。本发明采用全自动的操作模式来实现岩石试件各参数的读取，测量过程中无人为因素的干扰，测量结果精确。

Description

岩石试件几何缺陷测量装置

技术领域

本发明涉及岩石检测技术领域，具体地，涉及一种岩石试件几何缺陷测量装置。

背景技术

《工程岩体试验方法标准GB/T 50266-2013》中对单轴压缩试验所用岩石试件的加工精度提出了要求，包括平整度、垂直度等，规范中对岩石的平整度和垂直度及尺寸要求做了规定，试件用钻孔岩心或者岩块制备，试样在采取运输和制备的过程中，应避免产生裂缝，试件尺寸应符合下列规定：1、圆柱体试件直径宜为48mm~ 54mm；2、试件的直径应大于岩石中最大颗粒直径的10倍；3、试件高度与直径的比值宜为2.0~2.5。同时对试件精度的要求规定：1、试件两端面不平行度误差不得大于0.05mm（即顶面平整度）；2、沿试件高度，直径的误差不得大于0.3mm（即侧面平整度和侧面平行度）；3、端面应垂直于试件轴线，偏差不得大于0.25°。

岩石物理力学性质试验规程第18部分：《岩石单轴抗压强度试验》（DZ/T 0276.18-2015）规范中给出了测量岩石尺寸、平整度和垂直度的方法，具体如下：端面应垂直于试件轴线，偏差不得大于0.25°：将试件竖直立放于水平检测台上，如说明书附图2所示，用万能角度尺紧贴试样垂直侧边，测定其轴向偏斜角度，最大值应小于0.025°；两端面不平行度允许偏差±0.05mm：如说明书附图1所示把试样放在水平检测台上，移动百分表的同时测定试样高度，极差应小于0.05mm。将试样上下端倒置，重复以上操作。

上述方法为人工测量的方式，操作较为复杂繁琐，而且人工测量容易出现误差和偏差，为了更好的测量岩石试件的几何尺寸及缺陷，需要设计一种精确、方便、使用快捷的检测仪器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述技术缺陷，提供一种方便快捷、无人为因素干扰、测量结果精确的岩石试件几何缺陷测量装置。

本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种岩石试件几何缺陷测量装置，包括试件支撑模块、横向测量模块、竖向测量模块和测量控制模块；

试件支撑模块：包括可带动试件绕中心轴旋转的转盘，实现试件在横向测量模块和竖向测量模块测量过程中的全面测量；

横向测量模块：包括可水平移动的横向测量探头，横向测量探头的水平行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；

竖向测量模块：包括可在竖直方向移动的竖向测量探头，竖直测量探头的竖直行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；

测量控制模块：为试件支撑模块、横向测量模块和竖向测量模块提供电源和程序控制及提供测量结果分析和展示。

进一步地，试件支撑模块还包括转盘支座和控制转盘旋转的步进电机，步进电机的传动轴从转盘支座的中心向上伸出，转盘支座顶端设有止口用于安装轴承，转盘套设在轴承外圈上，转盘内表面在与传动轴对应的位置设有凸起，转盘通过所述凸起在传动轴的带动下旋转。

更进一步地，止口在对称的位置开有缺口，便于轴承内圈更好地安装固定。

更进一步地，传动轴端部套设有端帽，端帽内表面与传动轴端部紧固连接，端帽外表面与凸起间隙配合，凸起的横截面呈花瓣状结构。

更进一步地，横向测量模块还包括由两根竖杆和一根横杆构成的矩形支架，转盘支座设置在两根竖杆之间，横杆上固定有横向直线导轨，横向测量探头通过滑块与横向直线导轨活动连接。

再进一步地，竖向测量模块还包括竖向直线导轨和用于固定竖向直线导轨的固定框，竖向测量探头通过滑块与竖向直线导轨活动连接。

还进一步地，固定框上在竖向测量探头的行程始端和行程末端分别设有限位开关。

进一步地，矩形支架和固定框顶端连接有顶部固定板。

进一步地，横向测量探头和/或竖向测量探头为激光位移传感器。

进一步地，测量控制模块包括电源、上位机和单片机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）摒弃了传统的手工测量、人工读数的方式，以一种全自动的操作模式来实现岩石试件各参数的读取，测量过程中无人为因素的干扰，测量结果精确；

（2）转盘与轴承外圈配合，转盘支座与轴承内圈配合，步进电机带动转盘旋转，使转盘与转盘支座的相对位置控制得当，同时转盘转动灵活，可确保快速精确地实现岩石试件的全面测量；

（3）转盘上的凸起和传动轴端部的端帽间隙配合的方式，对转盘起到了良好的调心作用，有效避免转盘转动过程中发生卡滞的故障；

（4）限位开关可取代一部分程序设计，同时限位开关可更好地为测量控制模块提供响应信号；

（5）测量探头采用激光位移传感器，激光位移传感器可精准的测量待测物体的位移变化量，且重复精度高，为岩石试件的参数测量提供精确保障；

（6）采用滑块和导轨相配合来带动激光位移传感器移动，滑块和导轨的完美配合使激光位移传感器可快捷顺利地移动测量，使整个测量过程得以高效进行。

附图说明

图1为现有技术中岩石试件端面不平行度检查装置示意图；

图2为现有技术中岩石试件轴向偏差检查装置示意图；

图3为实施例1所述的岩石试件几何缺陷测量装置的简要结构示意图；

图4为实施例1所述的转盘支座结构示意图；

图5为实施例1所述的转盘内表面结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图3所示，提供一种岩石试件几何缺陷测量装置，其包括试件支撑模块、横向测量模块、竖向测量模块和单片机控制模块。

其中试件支撑模块包括可带动试件绕中心轴旋转的转盘11（如图5所示），以实现试件在横向测量模块和竖向测量模块测量过程中的全面测量。

具体地，如图4和图5所示，试件支撑模块还包括转盘支座12和控制转盘旋转的步进电机，步进电机的传动轴13从转盘支座12的中心向上伸出，转盘支座12顶端设有止口121用于安装轴承（未示出），转盘11套设在轴承外圈上，转盘11内表面在与传动轴13对应的位置设有凸起111，转盘11通过凸起111在传动轴13的带动下旋转。

由于转盘11上需放置岩石试件且要带动岩石试件转动，所以转盘的水平度精确度要求较高，为了保证其转动精确灵活，转盘下部的轴承采用日本进口NSK恩斯凯16014 P4开式深沟球轴承。

转盘11上表面宜放置一块表面平整度高的海绵垫（未示出），该海绵垫用于为放置在其上的岩石试件提供摩擦，避免岩石试件在转盘带动旋转的测量过程中发生滑移。

转盘支座12内部宜设计为非实体，即其内设置一个空间用于放置驱动转盘转动的步进电机，使步进电机的传动轴13得以顺利成章地伸出于转盘支座顶部。

为防止安装在止口121上的轴承在工作时发生抖动或松动，本实施例的止口在对称的位置开有缺口1211，便于轴承内圈更好地安装固定，同时止口的直径尺寸略大于轴承内径，使得轴承可以更紧密地和转盘支座固定。

更具体地，传动轴端部套设有端帽131，端帽131内表面与传动轴13端部紧固连接，端帽131外表面与凸起111间隙配合，凸起111的横截面呈花瓣状结构；这样一来，端帽与凸起在工作时会有一定的松动空间，这对转盘起到了良好的调心作用，有效避免转盘转动过程中发生卡滞等故障，保证测量过程顺利进行。

本实施例的端帽131也为花瓣状结构，其花瓣瓣数少于凸起111的花瓣瓣数，进而实现它和凸起111之间良好的间隙配合。

横向测量模块包括可水平移动的横向测量探头21，横向测量探头的水平行程与试件支撑模块的中心轴（可具体到为转盘支座的中心轴）在同一平面上。

为给横向探头提供支撑，横向测量模块还包括由两根竖杆和一根横杆构成的矩形支架22，转盘支座12即设置在两根竖杆之间（两根竖杆相对于转盘支座对称设置），横杆上固定有横向直线导轨23，横向测量探头21通过滑块3与横向直线导轨23活动连接，此时横向测量探头21的水平行程轨迹即被确定了。

由于岩石试件为规整的圆柱形，因此横向测量探头在测量端面平整度时可只在岩石试件的半径范围内活动进行测量，即横向测量探头的单次水平行程与岩石试件的半径长度相等即可，据此，可将横向测量探头的原始测量位置设置在转盘支座的正上方，其中横向测量探头的测量端部与转盘支座的中心对正。

竖向测量模块包括可在竖直方向移动的竖向测量探头41，竖直测量探头41的竖直行程与试件支撑模块的中心轴（具体为转盘支座的中心轴）在同一平面上。

竖向测量模块还包括竖向直线导轨42和用于固定竖向直线导轨的固定框43，竖向测量探头41通过滑块3与竖向直线导轨42活动连接。

为使横向测量探头21和竖向测量探头41在移动测量过程中不发生冲突和干涉，可使固定框43与矩形支架22平行设置，这样使得横向测量探头21的水平行程和竖向测量探头41的竖直行程得以在不同平面空间进行，实现在互不干扰的情况下对岩石试件进行稽核缺陷测量。

具体地，固定框43也包括两根竖向杆和一根水平杆，竖向直线导轨42平行于两根竖向杆设置且端部与水平杆相接，竖向测量探头41的探头端部指向转盘支座12的中心轴。

本发明采用滑块与直线导轨的滑动方式，可使横向测量探头和竖向测量探头在工作时能灵活移动且保证符合移动所要求的直线性。导轨采用台湾上银直线导轨，型号为HGR15。直线导轨上配合的滑块型号为HGH20CA。

横向测量探头21和竖向测量探头41各自通过步进电机进行控制移动，具体地，步进电机的传动轴13上安装有同步主动齿轮51，在各测量探头的行程末端安装有从动齿轮52，同步主动齿轮51和从动齿轮52之间设置有同步带53，同步带53的两个端部接头处设有一个可活动的同步带接头夹54，该同步带接头夹54即与对应的滑块3固定连接（同时实现了与各探头的固定连接），在步进电机开启工作时，同步带在同步主动齿轮51和从动齿轮52的带动下进行传送，从而带动滑块3发生相应移动，完成横向测量探头21和竖向测量探头41的测量行程。

本设计中步进电机电机选用42步进电机，型号17HS3401，额定电流1.2A，扭矩0.32N×m，尺寸大小为42×42×33mm，传动轴直径5mm。同时根据步进电机尺寸设计了配套的电机支架。步进电机驱动采用L298N电机驱动，其驱动芯片为双H桥电机驱动芯片。

同步主动齿轮51采用2GT20齿，内孔5mm，带宽6mm，从动齿轮52采用2GT20齿，内孔3mm，带宽6mm。同步带53采用2GT开口同步带。

本实施例中横向测量探头21和竖向测量探头41均采用激光位移传感器，激光位移传感器可精准的测量待测物体的位移变化量，本实施例采用LD-040型激光位移传感器，测量范围较小，但是重复精度较高。

当然，为使激光位移传感器稳定固定至相应直线导轨的滑块上，可根据其横向和竖向的位置及运动方式不同设计两种用于固定的支架（图中有示出，但无标号标记，不影响对本发明的发明点的理解），在支架底部预留安装孔用于和滑块固定。

竖向的激光位移传感器行程较长，为了精确限制激光位移传感器在竖向直线导轨42上的运动范围，固定框43上在竖向测量探头41的行程始端和行程末端分别设有限位开关61，限位开关又称行程开关，采用的微动物理开关，当滑块3牵引激光位移传感器运动到极限位置（即行程始端或行程末端）时，其会触动限位开关61，限位开关闭合，同时向测量控制模块发送闭合信号，以供测量控制模块响应。

当然水平行程上也可相应设置限位开关，但本实施例采用测量控制模块的控制程序进行横向的激光位移传感器的位移控制。

测量控制模块则为试件支撑模块、横向测量模块和竖向测量模块提供电源和程序控制及提供测量结果分析和展示，并具体包括电源、上位机和单片机（均未示出）。

电源采用12v直流电源供电，考虑到激光位移传感器使用12V-24V电压，故选用12V电源。电源有5V接口用于单片机供电。

激光位移传感器数据传送协议为modbus(RUT) RS 485，为了能直接和上位机进行通讯，采用RS 485转RS232转接器。

单片机内的控制程序主要包括竖向激光位移传感器的运动、横向激光位移传感器的运动及测量时转盘的转动，此外，还包括整个装置初始激光位移传感器的归零和初始化，对于超出激光位移传感器运动范围时的限制（通过限位开关）等。

横向和竖向的激光位移传感器的运动控制，主要通过单片机控制各步进电机的转动从而实现激光位移传感器的往复运动及超出范围的控制。

具体工作时，激光位移传感器照射到岩石试件表面，测量得到激光位移传感器到岩石试件表面激光照射点的距离，同时其向上位机传送数据，由上位机记录数据。激光位移传感器固定在滑块上随相应直线导轨运动，能保证激光位移传感器在运动时的线性度，这样来回在岩石试件表面运动，可以测得岩石试件表面平行于各直线导轨方向的一条样条的距离参数，由激光位移传感器发送给上位机，由上位机记录，用于后续处理。

为进一步保证整体测量的精确性，矩形支架22和固定框43顶端连接有顶部固定板71，顶部固定板71相当于对矩形支架22和固定框43起到了一定的牵引作用，可使横向直线导轨23和竖向直线导轨42持续处于相对静止的状态，最终避免横向激光位移传感器和竖向激光位移传感器在测量过程中产生较大误差。

同时，为保证岩石试件几何缺陷测量装置的整体性，转盘支座12、矩形支架22和固定框43均固定在一块底板81上，底板81是整个装置的底部支撑，需要承载能力较大，不容易变形，使得足以保证整个装置的稳定，避免该装置因为电机的转动、激光位移传感器的运动而产生较大的抖动，在设计时底板宜采用厚度较厚的亚克力板，尺寸200×300×10mm。

本实施例中转盘的转动、横向和竖向激光位移传感器的移动均采用步进电机来进行驱动，利用了步进电机易于控制且转动精度较高的优点，同时步进电机控制较为精确，且方便单片机对其进行程序控制。

总的来说，本发明的宗旨是采用将两个激光位移传感器固定在横向和竖向的直线导轨的滑块上，单片机提供程序控制使激光位移传感器沿直线导轨来回滑动，以实现连续测量岩石试件表面的起伏变化，并传送数据给上位机；其中激光位移传感器在竖向直线导轨上滑动测得岩石试件外周表面平整度数据（反映出试件倾斜度），在横向直线导轨上测得岩石试件顶面平整度；上位机具体包括三部分功能：上位机和单片机通讯控制、激光位移传感器测量数据采集、数据处理分析及结果展示。

本实施例的岩石试件几何缺陷测量装置摒弃了传统的手工测量、人工读数的方式，以一种全自动的操作模式来实现岩石试件各参数的读取和结果分析，测量过程中无人为因素的干扰，测量结果精确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，包括试件支撑模块、横向测量模块、竖向测量模块和测量控制模块；

试件支撑模块：包括可带动试件绕中心轴旋转的转盘，实现试件在横向测量模块和竖向测量模块测量过程中的全面测量；

横向测量模块：包括可水平移动的横向测量探头，横向测量探头的水平行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；

竖向测量模块：包括可在竖直方向移动的竖向测量探头，竖直测量探头的竖直行程与试件支撑模块的中心轴在同一平面上；

测量控制模块：为试件支撑模块、横向测量模块和竖向测量模块提供电源和程序控制及提供测量结果分析和展示。

2.根据权利要求1所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，试件支撑模块还包括转盘支座和控制转盘旋转的步进电机，步进电机的传动轴从转盘支座的中心向上伸出，转盘支座顶端设有止口用于安装轴承，转盘套设在轴承外圈上，转盘内表面在与传动轴对应的位置设有凸起，转盘通过所述凸起在传动轴的带动下旋转。

3.根据权利要求2所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，止口在对称的位置开有缺口，便于轴承内圈更好地安装固定。

4.根据权利要求2所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，传动轴端部套设有端帽，端帽内表面与传动轴端部紧固连接，端帽外表面与凸起间隙配合，凸起的横截面呈花瓣状结构。

5.根据权利要求2所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，横向测量模块还包括由两根竖杆和一根横杆构成的矩形支架，转盘支座设置在两根竖杆之间，横杆上固定有横向直线导轨，横向测量探头通过滑块与横向直线导轨活动连接。

6.根据权利要求5所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，竖向测量模块还包括竖向直线导轨和用于固定竖向直线导轨的固定框，竖向测量探头通过滑块与竖向直线导轨活动连接。

7.根据权利要求6所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，固定框上在竖向测量探头的行程始端和行程末端分别设有限位开关。

8.根据权利要求6所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，矩形支架和固定框顶端连接有顶部固定板。

9.根据权利要求1~7任意一项所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，横向测量探头和/或竖向测量探头为激光位移传感器。

10.根据权利要求1所述的岩石试件几何缺陷测量装置，其特征在于，测量控制模块包括电源、上位机和单片机。