CN112014252B - 一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置 - Google Patents

一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属硬度测量技术领域，涉及一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，包括：框架；夹持结构，设在框架的其中一端；直线电机，设在夹持结构的对面，与框架固定；连接杆，与直线电机的输出轴套装固定；压头，设在连接杆背离直线电机的一端，与连接杆套装固定；应变压力传感器，设在连接杆上；框架上盖板，设在直线电机的上方，与框架的端部固定；通过控制开关与供电电源电连接的控制器一，固定在框架上盖板上，与应变压力传感器、直线电机分别电连接；还包括压痕获取装置；控制器二，和压痕获取装置信号连接，用于接收压痕图像获得硬度测量值。本发明降低了劳动强度，提高了测量装置的实用性、实时性和便捷性。

Description

一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置
技术领域
本发明属于金属硬度测量技术领域，具体涉及一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置。
背景技术
布氏硬度是对铸铁、钢材、有色金属及软合金的硬度测定规范之一。布氏硬度是所有硬度试验中压痕最大的一种试验法，它能反映出材料的综合性能，不受试样组织显微偏析成分不均匀的影响，是一种精度较高的硬度试验法。
布氏硬度测定方法主要是用一定直径硬质金属球在规定试验力作用下压入试件表面，经过一定时间的试验力保持，卸除试验力后测量试件表面压痕直径，布氏硬度以压痕表面积所承受的平均压力来表示布氏硬度值。
布氏硬度测定时，通常由标准硬度块进行校准。即测出标准硬度块表面的压痕直径，然后通过查压痕直径和硬度值的对应表得出，或通过软件方式进行计算映射得出。
工业设备中很多管件尤其是承压设备的管件由于长时间高温高压工况下使用，包括布氏硬度在内的很多金属特性会发生变化，对其检测是金属监督的必要环节，也是安全生产的重要保障之一。
很多承受高温高压的金属管件，做硬度检测时无法拆卸或者其安装位置无法用常规的硬度检测设备进行检测，造成很多工业现场承压管件无法得到检测，增加设备安全运行的隐患。
常规的压痕直径测量往往采用人工直接测量，造成精度不够、不可控人为误差、工作量大等缺点。即使采用光学图像放大后的手工划线测定方法，也会带有不可控人为误差。此外，工业相机与压痕之间的距离得是已知确定的，由此，增加了测定的工作量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，以便解决上述提到的技术问题。
本发明的技术方案是：
一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，包括压痕压制装置和测量装置，所述压痕压制装置包括：
框架；
夹持结构，设置在所述框架的其中一端，用于实现和待测管件的挂接；
直线电机，设置在所述夹持结构的对面，与框架固定；
连接杆，与所述直线电机的输出轴套装固定；
压头，设置在所述连接杆背离直线电机的一端，与所述连接杆套装固定；
应变压力传感器，设置在所述连接杆上；
框架上盖板，设置在所述直线电机的上方，与所述框架的端部固定；
控制器一，固定在所述框架上盖板上，与所述应变压力传感器、直线电机分别电连接，所述控制器一通过控制开关与供电电源电连接；
所述测量装置包括：
压痕获取装置，用于获取压痕图像；
控制器二，和压痕获取装置信号连接，用于接收压痕图像，处理后获得硬度测量值。
优选的，所述夹持结构包括：
夹具，呈弧形，其与待测管件的直径匹配，其中一端通过销与框架可拆卸式连接。
优选的，所述夹具有多个具有不同弧度的可替换的规格。
优选的，所述压痕获取装置包括：
壳体；
控制器三，设置在所述壳体内，通过数据传输装置与控制器二电连接；
图像采集装置，设置在所述壳体内，与所述控制器三电连接；
LED补光灯，套装设置在所述图像采集装置外围，与所述控制器三电连接；
连接环，一端套装固定在所述壳体上，另一端设置有便于和所述待测管件的外表面贴合的连接结构；
强磁环，内嵌在所述连接环内，位于靠近连接结构的一侧。
优选的，所述连接结构包括多个弧面齿。
一种用于小径管的布氏硬度测量方法，包括以下步骤：
确定现场待测管件的检测位置，表面抛光；
依据管径选择不同夹具，并将其通过通过销与框架固定；
将夹具勾挂在待测管件上，必要时按现场情况做必要的支撑；
上电后，通过控制器一启动直线电机，同步带动连接杆和压头向待测管件靠近，按照金属硬度测量的国家规范对待测管件的外管壁进行施力压制；
压制完成后，控制直线电机复位，撤下装置；
将压痕获取装置的图像采集装置对准压痕，利用连接环与待测管件吸合；
上电后，通过控制器三启动图像采集装置和LED补光灯，采集压痕图像后，将其通过数据传输装置传输给控制器二，控制器二接收压痕图像后，经处理获得硬度测量值。
本发明提供的一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，布氏硬度压痕压制装置包括框架及附属连接件、管件夹具、压头、直线电机、压力传感器、控制器一和压痕图像获取组件，夹具设置在框架的一端，通过金属销挂接夹具用于勾挂小径管，主体框体上通过连接件固定直线电机，直线电机通过连接杆与压头连接，控制器一为ARM嵌入式设计，在控制器一的压痕压制标准逻辑控制下对打磨过外管壁进行施力。连接杆上安装压力传感器，用于监测压制过程中压头施力和撤力过程。夹具具有不同弧度以适应不同直径的现场小径管，调换夹具可通过拔插式金属销实现拆装。控制器一通过设定程序控制电机启停、通过压力传感器反馈压力值控制电机对压头施力，使整个压制过程的压力曲线符合国家规范。压痕图像获取组件包括工业照相机及附属显微镜头、LED补光、强磁环、近距离图像传输模组。
本布氏硬度压痕施力压制装置，可满足现场复杂环境下无法拆卸或运行中的各类承压小径管件硬度监督提供便利，提高了现场金属监督的工作效率，扩大了现场金属监督的检测范围，也为后续各种压痕几何参数的测量提供先导，具备以下有益效果：
该现场小径管布氏硬度压痕压制与检测装置，通过将不同夹具钩挂到承压小径管上，保证了现场主要设备管件的布氏硬度检测压痕的压制。
配套的压痕图像获取保证了压痕图像直接就地采集，配套的机器视觉程序测量并保存包括硬度在内的相关信息到数据库。定焦的显微放大镜头与LED补光保证了获取图像的清晰度，同一位置的多次采集，也可保证后续基于机器视觉算法的硬度值测量的准确性。
轻便与便携式的装置，保证了各种方位、朝向的承压管件的压痕的压制，提高了测量装置的实用性、实时性和便捷性。
程序控制的施力过程保证了检测流程符合国家规范，同时也为复杂现场环境下增加检测范围、降低劳动强度、实现设备运行中在线检测提供了有力支撑。
附图说明
图1是本发明的压痕压制装置的结构的主视图；
图2是本发明的压痕压制装置的结构的俯视图；
图3是本发明的压痕压制装置的剖面示意图；
图4是本发明的压痕获取装置示意图；
图5是本发明的流程图。
附图标记：
1、夹具；2、待测管件；3、压头；4、应变压力传感器；5、连接杆；6、直线电机；7、控制器一；8、框架上盖板；9、框架；10、销。
201、强磁环；202、连接环；203、LED补光灯；204、图像采集装置；205、控制器三；206、壳体；207、数据传输装置。
具体实施方式
本发明提供了一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，下面结合图1到图5的结构示意图，对本发明进行说明。
实施例1
如图1到图3所示，本发明提供的一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，包括压痕压制装置和压痕获取装置两部分，对应着工业现场中待检管件布氏压痕的压制过程和压痕图像采集过程。
压痕压制装置，主要包括轻便的框架9作为主体，框架9呈现为双立柱形态，减轻重量。
可替换的不同弧度的夹具1作为夹持结构，满足不同管径的使用需求，其中一端通过销10与框架9可拆卸式连接，用于实现和待测管件2的挂接，金属销便于拔插，更换夹具。
其中，夹具具备双指形态，方便钩挂。
直线电机6，设在夹持结构的对面，通过螺栓固定在框架9上。
直线电机6的输出轴上套装固定连接杆5，连接杆前端沿外壁均匀贴置四个应变式压力传感器4。
标准布氏硬度的压头3，固定连接在连接杆5背离直线电机6的一端。
框架上盖板8，设置在直线电机6的上方，与框架9的端部固定。
控制器一7，基于ARM嵌入式处理器，控制器一上带有LCD显示屏和三个按键，控制器一7固定在框架上盖板8上，与应变压力传感器4、直线电机6分别电连接，控制器一7通过控制开关与供电电源电连接。
压痕获取装置主要包括：
壳体206，金属材质；
控制器三205，设置在壳体206内，通过数据传输装置207与控制器二电连接；
图像采集装置204，设置在壳体206内，与控制器三205电连接。
其中，图像采集装置204是CCD相机与显微放大镜头。
LED补光灯203，套装设置在CCD相机与显微放大镜头外围，与控制器三205电连接；
连接环202，一端套装固定在壳体206上，另一端设置有便于和待测管件2的外表面贴合的多个弧面齿结构；
强磁环201，内嵌在连接环202内，位于靠近连接结构的一侧。
请参阅图1-3，连接杆5是管状，其一端通过管端台阶面配合电机轴，承受电机推力，再利用两个短销固定。另一端也是通过台阶面与压头配合，由于压头较轻也为了便于更换，此处不用短销固定。
请参阅图1-3，基于ARM Cortex-M的嵌入式核心控制器一7安装于框架上盖板8上，施力控制算法与程序包含其内。控制器一上部署LCD液晶显示，显示施力过程参数，包括时间、压力。控制器一7上部署三个按键，电源开与关、开始压制与撤销压制、程序选择。该控制器一7内置多套压制施力过程控制程序，由用户按照压头类型和金属监督规范实现技术施力过程的切换。四路压力传感器4采集到的信号经过板上放大与调理电路后进入控制器一7，形成施力过程的反馈回路。理论上压制施力方向与受力面之间无法保证绝对垂直，因此对四路传感器4的采集信号求取平均和偏差。平均值代表实际施力的大小，偏差用于受力方向偏斜时实际压力值的补偿和修正。事实上，四路传感器4的信号也会传入配套的机器视觉系统中，用于图像检测的数据补偿和修正，保证硬度测量的准确性和可靠性。
请参阅图4，压痕图像采集获取装置中强磁环201用于将装置吸附到管件上，磁环套接到连接环202内。连接环202一端呈现为多齿城墙垛形态，便于吸附到管件上。检测时，LED补光灯常开，配合着相机204的光圈大小其亮度设定是固定的。控制器三205通过数据传输装置207实现图像视频数据的接收和转发。
请参阅图5，使用该装置进行测定的步骤包括：
确定现场待测管件2的检测位置，表面打磨平整并抛光；
依据管径选择不同夹具1，并将其通过通过销10与框架9固定；
选择合适位置和角度挂接本装置施力部分，将夹具1勾挂在待测管件2上，必要时按现场情况做必要的支撑，保证施力方向与压痕平面保持垂直；
上电后，按控制器一7测量开关，启动直线电机6，同步带动连接管5和压头3向待测管件2靠近，按照金属硬度测量的国家规范对待测管件2的外管壁进行施力压制；
施力过程和参数由控制器一程序控制，应变压力传感器4实时反馈压力值，形成控制程序的反馈回路，使施力的次数、大小、时长等参数符合金属监督硬度测量的国家规范。
压制完成后，按动停止按键，控制直线电机6复位，撤下装置；
如有必要，稍微挪动装置位置重复上述过程获取多个压痕。
将压痕获取装置的图像采集装置204对准压痕，利用连接环202与待测管件2吸合；
上电后，通过控制器三205启动图像采集装置204和LED补光灯203，采集压痕图像后，将其通过数据传输装置207传输给控制器二，控制器二接收压痕图像后，利用配套的机器视觉算法得出压痕深度、压痕直径。算法再依据该参数与事前的标准压痕模版匹配，得出布氏硬度测量值。连同压痕图像、检测位置、检测时间、检测人等信息放入数据库。
为提高检测精度，压痕压制过程可重复多次，每次的压痕位置稍作改变，即在图像获取装置相机的视场范围内获取几个压痕点。机器视觉算法可同时测量出几个压痕所表征的布氏硬度，数据处理后得出更为准确的布氏硬度值。
以上公开的仅为本发明的较佳具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，其特征在于，包括压痕压制装置和测量装置，所述压痕压制装置包括：
框架(9)；
夹持结构，设置在所述框架(9)的其中一端，用于实现和待测管件(2)的挂接，所述夹持结构包括夹具(1)，呈弧形，其与待测管件(2)的直径匹配，可替换的不同弧度的夹具(1)作为夹持结构，其中一端通过销(10)与框架(9)可拆卸式连接，满足不同管径的使用需求，用于实现和待测管件(2)的挂接，销(10)便于拔插，更换夹具，夹具(1)具备双指形态，方便钩挂；
直线电机(6)，设置在所述夹持结构的对面，与框架(9)固定；
连接杆(5)，与所述直线电机(6)的输出轴套装固定；
压头(3)，设置在所述连接杆(5)背离直线电机(6)的一端，与所述连接杆(5)套装固定；
应变压力传感器(4)，设置在所述连接杆(5)上，所述应变压力传感器(4)有四个，且沿连接杆前端外壁均匀贴置；
框架上盖板(8)，设置在所述直线电机(6)的上方，与所述框架(9)的端部固定；
控制器一(7)，固定在所述框架上盖板(8)上，与四个所述应变压力传感器(4)、直线电机(6)分别电连接，所述控制器一(7)通过控制开关与供电电源电连接；
所述测量装置包括：
压痕获取装置，用于获取压痕图像；
控制器二，和压痕获取装置信号连接，用于接收压痕图像，处理后获得硬度测量值；
四路应变压力传感器(4)采集到的信号经过板上放大与调理电路后进入控制器一(7)，形成施力过程的反馈回路，理论上压制施力方向与受力面之间无法保证绝对垂直，因此对四路变压力传感器(4)的采集信号求取平均和偏差，平均值代表实际施力的大小，偏差用于受力方向偏斜时实际压力值的补偿和修正，四路变压力传感器(4)的信号也会传入配套的机器视觉系统中，用于图像检测的数据补偿和修正，保证硬度测量的准确性和可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，其特征在于，所述压痕获取装置包括：
壳体(206)；
控制器三(205)，设置在所述壳体(206)内，通过数据传输装置(207)与控制器二电连接；
图像采集装置(204)，设置在所述壳体(206)内，与所述控制器三(205)电连接；
LED补光灯(203)，套装设置在所述图像采集装置(204)外围，与所述控制器三(205)电连接；
连接环(202)，一端套装固定在所述壳体(206)上，另一端设置有便于和所述待测管件(2)的外表面贴合的连接结构；
强磁环(201)，内嵌在所述连接环(202)内，位于靠近连接结构的一侧。
3.根据权利要求2所述的一种用于小径管的布氏硬度现场测量装置，其特征在于，所述连接结构包括多个弧面齿。
4.一种根据权利要求2所述的用于小径管的布氏硬度现场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定现场待测管件(2)的检测位置，表面抛光；
依据管径选择不同夹具(1)，并将其通过销(10)与框架(9)固定；
将夹具(1)勾挂在待测管件(2)上，必要时按现场情况做必要的支撑；
上电后，通过控制器一(7)启动直线电机(6)，同步带动连接杆(5)和压头(3)向待测管件(2)靠近，对待测管件(2)的外管壁进行施力压制；
压制完成后，控制直线电机(6)复位，撤下装置；
将压痕获取装置的图像采集装置(204)对准压痕，利用连接环(202)与待测管件(2)吸合；
上电后，通过控制器三(205)启动图像采集装置(204)和LED补光灯(203)，采集压痕图像后，将其通过数据传输装置(207)传输给控制器二，控制器二接收压痕图像后，经处理获得硬度测量值。
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