CN114112755A

CN114112755A - 一种精密压痕测试装置

Info

Publication number: CN114112755A
Application number: CN202111458559.5A
Authority: CN
Inventors: 张起勋; 高熙宇; 张建海; 刘鹏; 赵宏伟; 周立明; 张世忠; 刘欣; 王坤; 赵安然
Original assignee: Chongqing Research Institute Of Jilin University
Current assignee: Chongqing Research Institute Of Jilin University
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明属于精密科学仪器技术领域，具体的说是一种精密压痕测试装置。包括龙门滑台移动单元、自动补漆防腐单元、精密压痕检测单元和材料表面抛光单元；所述自动补漆防腐单元、精密压痕检测单元和材料表面抛光单元均固定在龙门滑台移动单元上，所述龙门滑台移动单元实现自动补漆防腐单元、精密压痕检测单元和材料表面抛光单元的平移。本发明能够降低复杂环境下由于材料表面杂质引起的系统误差，在服役工况下进行压痕试验，并能进行远程控制及在线分析，准确求解材料硬度、弹性模量、屈服强度、残余应力、断裂韧性等力学参量，并进行材料表面的补漆功能，完成材料的无损检测。

Description

一种精密压痕测试装置

技术领域

本发明属于精密科学仪器技术领域，具体的说是一种精密压痕测试装置。

背景技术

压痕技术是通过压头对材料表面加载，测出压痕区域，得出载荷-位移曲线分析评价材料性能的技术。在试压过程中，压头下的材料记录施加压力的大小和压头的位移量的大小，并记录下施加压力的时间信息，最后得到一组关于实验力和相应的压痕实验深度的对应函数。通过实验测得曲线，从卸载曲线可以计算出弹性模量，由最大加载载荷和接触面积求出硬度值，还可以计算出蠕变、残余应力、断裂韧性等参数，从而对材料进行寿命评估、失效分析、疲劳老化评价。

在核能、船舶、化工、风电等行业，广泛存在导磁体金属外壁。在对这类被测表面进行测试时，需要面临以下三个问题，首先，上述行业中的复杂的储罐、连接管道、较高的外壳体等很难手动去安放测试装备，所以需要测试装备具有爬壁的功能，吸附在墙体上通过视觉引导移动至被测区域。第二，被测墙体表面平整度、光洁度影响材料硬度测试准确度。若被测材料表面并非平整光洁，而是凹凸不平，那么材料力学测试就不可能准确。而上述壁面经长期风吹日晒、盐碱侵蚀、灰尘粘附、砂砾摩擦，表面会出现污垢、脱漆，乃至锈蚀等现象。在服役工况下测试前需要使用砂轮对被测表面进行抛光，去除杂质。第三，当测试装备在高处吸附在墙体时，很难通过接线的方式对测试装备进行控制，所以需要具备远程控制的功能，不仅要能控制测试装备的移动，还要能控制材料力学测试的整体流程。

发明内容

本发明提供了一种结构简单的精密压痕测试装置，该测试装置能够降低复杂环境下由于材料表面杂质引起的系统误差，在服役工况下进行压痕试验，并能进行远程控制及在线分析，准确求解材料硬度、弹性模量、屈服强度、残余应力、断裂韧性等力学参量，并进行材料表面的补漆功能，完成材料的无损检测，解决了现有精密压痕测试装置存在的上述问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种精密压痕测试装置，包括龙门滑台移动单元1、自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4；所述自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4均固定在龙门滑台移动单元1上，所述龙门滑台移动单元1实现自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4的平移。

所述龙门滑台移动单元1包括龙门架11、滑台12、丝杆13、滑轨14、拖链15、滑台电机16、电机座17、滑台联轴器18、驱动器19、开关电源110、控制PLC111、DTU112和磁力座113；所述龙门架11上设置有滑轨；所述拖链15固定在滑台12上；所述丝杆13固定在滑轨14上；所述丝杆13的一端与滑台联轴器18的一端连接；所述滑台联轴器18放置于电机座17的内部；所述电机座17的一端固定有滑台电机16；所述滑台联轴器18的另一端与滑台电机16的输出轴连接；所述滑台电机16与驱动器19连接；所述驱动器19固定在龙门架11的上端；所述滑台12与丝杠13连接，并且与滑轨滑动配合；所述开关电源110和DTU112均固定在龙门架11上；所述磁力座113固定在龙门架11的底座上；所述驱动器19与控制PLC111连接；所述控制PLC111通过串口RS485与DTU112连接。

所述自动补漆防腐单元2包括漆罐21、电磁阀22、气缸23、伸缩臂24、补漆头25和漆座26；所述漆座26固定滑台12上；所述漆罐21放置在漆座26上，下端与电磁阀22连接；工作时，漆罐21与高压气连接；所述电磁阀22与气缸23连接；所述气缸23的下端与伸缩臂24连接；所述伸缩臂24的下端设置有补漆头25。

所述精密压痕检测单元3包括测试架、测试电机31、测试联轴器32、丝杠模组33、压力传感器34、压头35和位移传感器36；所述测试架固定在滑台12上；所述测试架的上设置有挡板；所述测试电机31的上部由挡板隔板承重；所述测试电机31的下端与测试联轴器32连接；所述测试联轴器32与丝杠模组33的上轴端配合；所述丝杠模组33的下部设置有压力传感器34；所述压力传感器34的下部设置有压头35；所述压头35的外表面设置有位移传感器36；所述测试电机31与驱动器19连接。

所述位移传感器36的底端与压头35处于同一水平面。

所述材料表面抛光单元4包括打磨机机架41、垂直电机42、回转电机43、工作主轴44和砂轮盘45；所述打磨机机架41固定在滑台12上；所述工作主轴44固定在打磨机机架41上；所述回转电机43与工作主轴44连接；所述垂直电机42与打磨机机架41上的丝杠滑台相连接，控制工作主轴44的升降；所述工作主轴44的下端设置砂轮盘45；所述垂直电机42、回转电机43与驱动器19连接。

一种精密压痕测试装置还包括用于吸附平板金属试样及控制精密压痕测试装置的移动的磁力履带组件；所述磁力履带组件包括圆柱形永磁体、左轭铁、右轭铁、上隔磁块、下隔磁块和舵机。

所述开关电源110为24V30A的直流电源，为精密压痕测试装置供电。

一种精密压痕测试装置还包括野外专用蓄电池。

本发明的有益效果为：

1)本发明即提供了在服役工况下中对材料进行准确稳定测试的功能，定位精度高、响应迅速，能够实现工程现场或野外的大型结构(船舶壳体、钻探平台等)的测试，以便满足工程设计、质量监控和性能校核等快速需要；

2)本发明可以在被测金属材料经受腐蚀氧化后表面出现杂质的情况下打磨掉杂质，在满足粗糙度后再进行多点测试，保证测试数据的准确性、完整

3)本发明具有重要的工程应用和良好的发展前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中龙门滑台移动单元第一视角下的结构示意图；

图3为本发明中龙门滑台移动单元第二视角下的结构示意图；

图4为本发明中自动补漆防腐单元的结构示意图；

图5为本发明中精密压痕检测单元的结构示意图；

图6为本发明中材料表面抛光单元的结构示意图。

图中：

1、龙门滑台移动单元；

11、龙门架；12、滑台；13、丝杆；14、滑轨；15、拖链；16、滑台电机；17、电机座；18、滑台联轴器；19、驱动器；110、开关电源；111、控制PLC；112、DTU；113、磁力座；

2、自动补漆防腐单元；

21、漆罐；22、电磁阀；23、气缸；24、伸缩臂；25、补漆头；26、漆座；

3、精密压痕检测单元；

31、测试电机；32、测试联轴器；33、丝杠模组；34、压力传感器；35、压头；36、位移传感器；

4、材料表面抛光单元；

41、打磨机机架；42、垂直电机；43、回转电机；44、工作主轴；45、砂轮盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，一种精密压痕测试装置，包括龙门滑台移动单元1、自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4；所述自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4均固定在龙门滑台移动单元1上，所述龙门滑台移动单元1实现自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4的平移。

所述自动补漆防腐单元2、精密压痕检测单元3和材料表面抛光单元4可以单独拆卸。

参阅图2和图3，所述龙门滑台移动单元1包括龙门架11、滑台12、丝杆13、滑轨14、拖链15、滑台电机16、电机座17、滑台联轴器18、驱动器19、开关电源110、控制PLC111、DTU112和磁力座113。

所述龙门架11为主体；所述龙门架11上设置有滑轨；所述拖链15固定在滑台12上；所述丝杆13固定在滑轨14上；所述丝杆13的一端与滑台联轴器18的一端连接；所述滑台联轴器18放置于电机座17的内部；所述电机座17的一端固定有滑台电机16；所述滑台联轴器18的另一端与滑台电机16的输出轴连接；所述滑台电机16与驱动器19连接；所述驱动器19固定在龙门架11的上端；所述滑台12与丝杠13连接，并且与滑轨滑动配合；所述开关电源110和DTU112均固定在龙门架11上；所述磁力座113固定在龙门架11的底座上；所述驱动器19与控制PLC111连接；所述控制PLC111通过串口RS485与DTU112连接。

在应用时，由开关电源110连接所配的蓄电池进行整体装备供电，用客户端的组态软件与所注册的DTU 112对接，DTU 112通过串口RS 485与控制PLC 111连接，从而实现远程的数据交互；通过对PLC 111发送数据指令控制驱动器19从而负责控制滑台电机16的转动；通过滑台电机16的转动实现滑台12的直线运动，并通过拖链15保证自动补漆防腐单元2、精密压痕测试单元3、材料表面打磨单元4三个部分的供电及信号传输。在测试装备移动至被测区域后首先运行材料表面打磨单元4，同时运行滑台12的直线移动，将该直线距离下的材料表面进行打磨，在被测表面合格后运行精密压痕测试单元3进行压痕测试，可以沿着滑台12的方向上压多个点进行测试，最后运行自动补漆防腐单元2将打磨后的表面进行适当的补漆。

参阅图4，所述自动补漆防腐单元2包括漆罐21、电磁阀22、气缸23、伸缩臂24、补漆头25和漆座26。

所述漆座26固定滑台12上；所述漆罐21放置在漆座26上，下端与电磁阀22连接；所述电磁阀22与气缸23连接；所述气缸23的下端与伸缩臂24连接；所述伸缩臂24的下端设置有补漆头25。

当工作时，漆罐21连接高压气，并通过电磁阀22控制漆罐21中漆液沿中间的通孔向下流通，运用气缸23带动伸缩臂24的伸出，伸缩臂24带动补漆头25向下移动，在接近被测表面后控制漆液流出进而实现补漆的作用。

参阅图5，所述精密压痕检测单元3包括测试架、测试电机31、测试联轴器32、丝杠模组33、压力传感器34、压头35和位移传感器36。

所述测试架固定在滑台12上；所述测试架的上设置有挡板；所述测试电机31的上部由挡板隔板承重；所述测试电机31的下端与测试联轴器32连接；所述测试联轴器32与丝杠模组33的上轴端配合；所述丝杠模组33的下部设置有压力传感器34；所述压力传感器34的下部设置有压头35；所述压头35的外表面设置有位移传感器36；所述测试电机31与驱动器19连接。所述位移传感器36的底端与压头35处于同一水平面。

工作时，由测试电机31带动测试联轴器32转动，控制丝杠模组34的升降，实现压头35的直线进给运动，并通过压力传感器34及位移传感器36测得相关力学数据。

参阅图6，所述材料表面抛光单元4包括打磨机机架41、垂直电机42、回转电机43、工作主轴44和砂轮盘45。

所述打磨机机架41固定在滑台12上；所述工作主轴44固定在打磨机机架41上；所述回转电机43与工作主轴44连接；所述垂直电机42与打磨机机架41上的丝杠滑台相连接，控制工作主轴44的升降；所述工作主轴44的下端设置砂轮盘45，负责对被测表面进行打磨；；所述垂直电机42、回转电机43与驱动器19连接。

工作时，由垂直电机44转动带动打磨机丝杠滑台垂直移动，可实现对工作主轴42的高度调节，从而控制砂轮盘45的升降，当砂轮盘45接触被测表面时，启动回转电机43，带动工作主轴42回转，使砂轮盘45转动，从而带动砂轮片转动，进而通过砂轮对放置于仪器下的材料进行打磨。

本发明还包括磁力履带组件；所述磁力履带组件包括圆柱形永磁体、左轭铁、右轭铁、上隔磁块、下隔磁块和舵机，用于吸附平板金属试样及精密压痕测试装置的移动，可以承受较大的负载，保证测试装备在打磨、压痕测量及补漆时整体的稳定性，确保压痕精度准确合理

本发明还可包括野外专用蓄电池，便于野外作业的关键部件服役工况下压痕试验。

本发明设计开发的精密压痕测试单元3的测量方法，能够根据压头数值确定材料表面压痕深度，并同时记录力和位移传感器数据，整个测试过程简单，测量结果准确，提高了硬度与弹性模量的测量精度。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种精密压痕测试装置，其特征在于，包括龙门滑台移动单元(1)、自动补漆防腐单元(2)、精密压痕检测单元(3)和材料表面抛光单元(4)；所述自动补漆防腐单元(2)、精密压痕检测单元(3)和材料表面抛光单元(4)均固定在龙门滑台移动单元(1)上，所述龙门滑台移动单元(1)实现自动补漆防腐单元(2)、精密压痕检测单元(3)和材料表面抛光单元(4)的平移。

2.根据权利要求1所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述龙门滑台移动单元(1)包括龙门架(11)、滑台(12)、丝杆(13)、滑轨(14)、拖链(15)、滑台电机(16)、电机座(17)、滑台联轴器(18)、驱动器(19)、开关电源(110)、控制PLC(111)、DTU(112)和磁力座(113)；所述龙门架(11)上设置有滑轨；所述拖链(15)固定在滑台(12)上；所述丝杆(13)固定在滑轨(14)上；所述丝杆(13)的一端与滑台联轴器(18)的一端连接；所述滑台联轴器(18)放置于电机座(17)的内部；所述电机座(17)的一端固定有滑台电机(16)；所述滑台联轴器(18)的另一端与滑台电机(16)的输出轴连接；所述滑台电机(16)与驱动器(19)连接；所述驱动器(19)固定在龙门架(11)的上端；所述滑台(12)与丝杠(13)连接，并且与滑轨滑动配合；所述开关电源(110)和DTU(112)均固定在龙门架(11)上；所述磁力座(113)固定在龙门架(11)的底座上；所述驱动器(19)与控制PLC(111)连接；所述控制PLC(111)通过串口RS485与DTU(112)连接。

3.根据权利要求2所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述自动补漆防腐单元(2)包括漆罐(21)、电磁阀(22)、气缸(23)、伸缩臂(24)、补漆头(25)和漆座(26)；所述漆座(26)固定滑台(12)上；所述漆罐(21)放置在漆座(26)上，下端与电磁阀(22)连接；工作时，漆罐(21)与高压气连接；所述电磁阀(22)与气缸(23)连接；所述气缸(23)的下端与伸缩臂(24)连接；所述伸缩臂(24)的下端设置有补漆头(25)。

4.根据权利要求2所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述精密压痕检测单元(3)包括测试架、测试电机(31)、测试联轴器(32)、丝杠模组(33)、压力传感器(34)、压头(35)和位移传感器(36)；所述测试架固定在滑台(12)上；所述测试架的上设置有挡板；所述测试电机(31)的上部由挡板隔板承重；所述测试电机(31)的下端与测试联轴器(32)连接；所述测试联轴器(32)与丝杠模组(33)的上轴端配合；所述丝杠模组(33)的下部设置有压力传感器(34)；所述压力传感器(34)的下部设置有压头(35)；所述压头(35)的外表面设置有位移传感器(36)；所述测试电机(31)与驱动器(19)连接。

5.根据权利要求4所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述位移传感器(36)的底端与压头(35)处于同一水平面。

6.根据权利要求2所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述材料表面抛光单元(4)包括打磨机机架(41)、垂直电机(42)、回转电机(43)、工作主轴(44)和砂轮盘(45)；所述打磨机机架(41)固定在滑台(12)上；所述工作主轴(44)固定在打磨机机架(41)上；所述回转电机(43)与工作主轴(44)连接；所述垂直电机(42)与打磨机机架(41)上的丝杠滑台相连接，控制工作主轴(44)的升降；所述工作主轴(44)的下端设置砂轮盘(45)；所述垂直电机(42)、回转电机(43)与驱动器(19)连接。

7.根据权利要求2所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，所述开关电源(110)为24V30A的直流电源，为精密压痕测试装置供电。

8.根据权利要求1所述的一种精密压痕测试装置，其特征在于，还包括野外专用蓄电池。