CN115356225A - 硬度在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬度在线检测装置及其检测方法，硬度在线检测装置包括机架支撑系统、设置于底座上的传输系统、设置于主横梁一侧底座上的上定位高度可调夹紧系统以及设置于移动滑板上的机加工系统、力加载系统和伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统，还包括液压系统和电控系统。本发明能够实现上定位高度可调夹紧、自动铣削或磨削加工、力值自动加载、伸缩式CCD硬度压痕光学测量、圆柱体自动旋转支撑和高精度实时控制等，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，实现布氏硬度和洛氏硬度的批量在线检测，满足硬度在线检测的高效率、高质量要求。

Description

硬度在线检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及硬度在线检测装置及检测方法，一种用于布氏硬度和洛氏硬度的在线检测装置，其是关于一种硬度在线检测装置与生产线融为一体的装置，属于硬度测量技术领域。

背景技术

金属硬度测试时，对被测试表面都有相关粗糙度要求，同时要求被测试表面垂直于硬度计压头主轴，被测表面的对面具备足够的刚性支撑。大多数待测测试件都是热处理后需要进行硬度检测，确认热处理后的测试件性能。其待测表面须经机加工的方法例如铣削或磨削达到较好的表面质量；多数情况下，考虑到后续加工的要求和追求材料的利用率，对机加工深度一般都有严格的控制要求：一是部分行业对零件外形尺寸要求严格，热处理后不再进行加工，只是为了满足硬度测试要求，如高压气瓶、钻铤、军工部分零件、部分汽车零件、长轴类零件等；二是部分零件是在完成粗加工、热处理后进行硬度检测，而后续精加工余量较小；例如轴类零件、弹壳类零件、发动机缸体、缸盖、弹壳类零件、军工部分零件等；三是部分锻造毛坯件，零件形状复杂，加工余量较小，热处理后进行硬度检测，再进行要求的机加工，例如汽轮机叶片、涡扇发动机叶片等。然而，目前通常是在硬度检测前，在其他机械加工设备上完成硬度测试面的加工后，再放到硬度计做硬度测试。而硬度测试要求试验力垂直于测试平面，二次装夹不容易达到，极易带来误差。目前，硬度检测设备众多，但现有的检测装置都无法满足硬度在线检测的要求，硬度在线检测就要解决特别是生产现场大批量零件的硬度检测存在着许多次重复装夹、工作效率低、检测质量差和精确度低等问题以及无法通过一次自动装夹就能自动完成测试面的机加工、力加载、打压痕和测量压痕直径以及多点测试时需要自动旋转测试件的硬度检测自动化流水线作业要求。

目前硬度检测夹紧机构主要采用的是设置一个能满足测试件大小范围的工作台，在工作台的下方设置两个初始高度相同、行程相同的油缸，在工作台的上方设置多个用于放置测试件的V形支撑件，当测试件到达打硬度的水平位置时，两个油缸同时上升，将测试件夹紧在硬度计的主横梁上，或两个油缸同时上升走完油缸的全部行程，由硬度计的主横梁下移完成夹紧；从而完成测试件的夹持，然后完成测试面的机加工、力加载、硬度值测量等。

这种结构的主要缺点：一是两个同时上升的油缸在运动过程中需要精确的电控技术，极易造成不同步，尤其是在生产现场使用时极易受到现场的电磁干扰，造成同步失败。二是最终夹紧是在硬度计主横梁与工作台上的支撑件之间。由于主横梁内设置了机加工系统、力加载系统、硬度值测量系统等，因此一般主横梁宽度较大；这就限制了较短测试件的测量，尤其不能在测试件的端部进行硬度测试；另外复杂的电控也造成了成本的大幅升高和可靠性的下降。

对于圆柱体硬度测试件例如高压气瓶、长轴类零件等的硬度测试，测试点只能沿着圆柱体的上母线轴向分布。当需要测试点沿外圆周分布时，一般需要人工来辅助旋转，这已经远远不能满足用户的自动化需求了。

目前机加工系统通常采用以下方式：一是手工法：人工直接利用角磨机或砂轮机手动打磨形成各种表面；但表面质量低、效率差，劳动强度高；二是机床铣削法：形成平面，由于铣削加工一般是采用非测试件表面定位，去除量较大；又因刀具因素，受测试件硬度限制，较硬的测试件不能加工，或者加工过程对测试件表面灼烧脱碳而造成检测数据失效；三是针对批量硬度检测，工作效率低；针对不同的硬度检测要求，无法实现既能平面处理又能实现弧面处理。

目前国内外的力加载系统主要采用的是砝码杠杆式、电动杠杆式；压痕直径的测量方式通常有读数显微镜测量及CCD图像测量方式，压痕深度的测量方式通常有机械指示表方式和光栅位移传感器测量方式。砝码杠杆式、电动杠杆式结构在静态情况下，其力值的重复性、准确度虽然能满足国家标准要求的，但是自动化程度较低。安装在智能硬度在线检测装置中需要较大的空间，尤其是杠杆式结构需要一个相对静止的状态才能保证其力值的重复性和准确度。

目前硬度压痕测量属于非接触测量，常用光学测量系统为固定焦距CCD测量机构。实际应用中，这种光学测量系统测量受到很多因素例如外界杂光和成像距离等的影响，让压痕的边缘不清晰，影响CCD测量系统采集的成像数据，造成得出硬度值也不准确。CCD测量系统是通过一个固定倍数的设备测量成像的像元数量计算出硬度值，不能变焦，只能通过控制移动CCD测量装置或者移动零件来保证零件检测面到CCD测量装置之间的成像距离，这样就会要求设备的精度高，进而会增加经济成本。

读数显微镜测量压痕直径方式和机械指示表方式测量压痕深度方式的最大弊端是：采用人眼读数的方式，存在较大的测量误差。且需要进行零位和测量位两次读数才能测量出压痕直径，操作繁琐，不易实现自动化。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够克服上述不足的硬度在线检测装置及其检测方法，其能够实现上定位高度可调夹紧、自动铣削或磨削加工、力值自动加载、伸缩式CCD硬度压痕光学测量、圆柱体自动旋转和高精度实时控制等，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，实现布氏硬度和洛氏硬度的批量在线检测，满足硬度在线检测的高效率、高质量要求。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

硬度在线检测装置，其包括机架支撑系统、设置于底座上的传输系统、设置于主横梁一侧底座上的上定位高度可调夹紧系统以及设置于移动滑板上的机加工系统、力加载系统和硬度压痕测量系统，还包括液压系统和电控系统。

所述上定位高度可调夹紧系统包括上定位机构、高度调整机构、升降夹紧机构，其中上定位机构是设置在机架支撑系统中主横梁一侧底座上的门式框架结构，在门式框架结构的顶部设置有一个或者二个及二个以上的夹紧横梁；在每个夹紧横梁上设置有高度调整机构；所述升降夹紧机构包括工作台、设置在夹紧横梁下方工作台上的支撑机构、偏置在工作台中心正下方的升降夹紧油缸、与工作台底部紧固连接的导向弯板、设置在底座上的油缸安装座、连接设置在油缸安装座与导向弯板之间的垂直直线导轨副。

所述高度调整机构中夹紧横梁通过一对锁紧螺钉下端的T形螺母与移动楔块上的T形槽滑动配合而吊装有移动楔块，夹紧横梁底部中间的斜面与移动楔块顶部的斜面相配合，移动楔块上水平螺纹配合有精密丝杠，精密丝杠的调整端穿过设置在丝杠安装座上的∩形槽中；在移动楔块的底部设置有定位基准面。

所述支撑机构为圆柱体硬度测试旋转支撑系统，其包括串联设置在支撑座上的多组旋转支撑单元以及用于给上述旋转支撑单元提供旋转动力的齿轮传动机构，相邻两组旋转支撑单元之间通过联轴器连接，齿轮传动机构与相邻近的第一组旋转支撑单元传动连接；多组旋转支撑单元与传输系统中的多组传送辊子之间的空间相对应，在每组旋转支撑单元的顶部设置有一对旋转滚轮。

所述力加载系统为用于布氏硬度试验中的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元或者用于洛氏硬度试验中的硬度计自动加卸荷及测量单元。

所述硬度压痕测量系统为水平设置、竖直设置或者任意不同角度倾斜设置的伸缩式CCD压痕光学测量系统，其中交流电机轴上的齿轮与固定在导轨上的齿条啮合带动导轨移动；在导轨侧面的限位座上固定有限位轴，限位轴的伸出端与限位保护单元配合；导轨上配合有两组滑块，其中一组滑块与固定座连接固定，另一组滑块上依次安装CCD导向板、CCD固定板、CCD测量机构；CCD导向板侧面固定有拉簧上座；导轨的两端分别固定有挡块、挡板；拉簧上座和挡板用复位弹簧连接，复位弹簧在非工作状态时另一组滑块始终保持与挡板接触。

所述机加工系统为高精度微调深度铣削系统，其中主轴一端直联交流伺服电机，其另一端锥孔锁紧圆柱铣刀，铣刀柄上端设置有止退垫块；主轴安装筒为开口弹性套，其依靠弹性锁紧主轴套；主轴安装筒以一组交叉辊子导轨固定在主轴滑动座中，主轴滑动座通过一连接弯板与移动滑板连接；主轴滑动座下部设置有依靠各自斜面配合的一组楔块，长楔块与主轴安装筒固定，短楔块与调整螺钉连接；主轴滑动座上端固定有锁紧板，通过锁紧螺钉锁紧调整位置后的主轴安装筒。

所述机加工系统为硬度测试件磨削系统，其中砂带涨紧轮通过涨紧轮轴安装在悬臂式摆动板上，悬臂式摆动板的可摆动端与连接设置在安装板上的气弹簧铰接；涨紧轮轴的一端铰接在支座上并可绕铰接点摆动，支座固定于悬臂式摆动板上；涨紧轮轴的另一端与调整板固定连接；调整手轮一端的螺柱旋过调整板的螺孔，端部顶在支座的凹坑上；在砂带工作部位的背面上方设置有浮动式砂带托板，浮动式砂带托板通过下端套设有弹簧的两个导柱定位在托板导向座上，托板导向座固定在安装板上；浮动式砂带托板在弹簧作用下可在一定范围内自由浮动，实现砂带导平。

一种使用硬度在线检测装置的检测方法，其包括如下方法步骤：

步骤S1、启动电源、液压站、工控机，进入电控系统的主控软件界面设置相应试验参数；

步骤S2、通过传输系统进行测试件传输，使测试面到位；

步骤S3、通过上定位可调高度夹紧系统进行高度调整，实现定深度和测试件上定位夹紧；

步骤S4、通过铣削系统或磨削系统对测试件进行定深度铣削或者磨削加工，获得符合硬度测试要求的测试面；

步骤S5、通过机架支撑系统中的移动滑板机构将力加载系统移动到工作位置，实现硬度试验；

步骤S6、复位；到此一点硬度测试结束；

步骤S7、对于需要进行旋转测量的测试件，先松开上定位夹紧状态，再通过圆柱体硬度测试旋转支撑系统旋转测试件，然后将测试件再次夹紧；

步骤S8、重复步骤S3～S6，完成第二点硬度测试；依次类推，完成第N点的硬度测试；

步骤S9、测试件被输送出硬度在线检测装置；硬度在线检测装置等待下一个测试件的测量。

所述步骤S5中的硬度试验是布氏或者洛氏硬度试验，所述布氏硬度试验是通过双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元和伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统，实现试验力加载、打压痕和压痕测量并计算出硬度值；所述CCD伸缩式硬度压痕测量系统是通过交流电机齿轮与固定在导轨上的齿条相啮合并驱动导轨沿滑块移动，实现CCD测量机构在一定距离内的伸缩式移动调整，完成对测试件在一定范围内的端部、中部、尾部的硬度压痕直径测量，并计算出硬度值；所述洛氏硬度试验是通过硬度计自动加卸荷及测量单元，实现试验力加载、打压痕和压痕测量并计算出硬度值。

所述步骤S3中的上定位高度可调夹紧系统是利用升降夹紧机构中的直线导轨副的垂直导向，通过升降夹紧油缸活塞杆伸出、推动工作台向上移动，通过工作台上的支撑机构将测试件压紧在与夹紧横梁斜面相配合的移动楔块底部的定位基准面上，完成上定位升降夹紧；还利用高度调整机构松开锁紧螺钉，使T形螺母上端面与T形槽接触面产生间隙，通过旋转精密丝杠推动移动楔块沿夹紧横梁底部斜面前后移动，改变定位基准面与底座的距离，完成铣削深度调整；然后锁紧螺钉紧固，将移动楔块与夹紧横梁紧固在一起。

所述步骤S4中的铣削系统为高精度微调铣削系统，其通过旋转调整螺钉可使短楔块左右移动并推动其斜面上的长楔块以及与长楔块固定连接的主轴安装筒、锁紧设置在主轴安装筒内的主轴套、设置主轴套内的主轴和安装在主轴下端的圆柱铣刀一起升降移动，实现铣削深度精确调整。

所述步骤S4中的磨削系统为硬度测试件磨削系统，其通过气弹簧带动悬臂式摆动板及其上涨紧轮摆动，实现砂带涨紧；还通过旋转调整手轮来带动调整板、涨紧轮轴摆动，调整砂带在各导向轮和涨紧轮的合适位置，实现高速运动下的砂带调偏；利用砂带运动机构中的砂带自身弹性，实现对测试件磨削加工出弧面；利用砂带导平机构中的浮动式砂带托板将砂带工作部位的背面托平，实现对测试件磨削加工出平面。

本发明与已有技术相比，具有以下优点及积极效果：

硬度在线检测装置及其检测方法，是一种用于布氏硬度和洛氏硬度在线检测装置及其检测方法。

布氏硬度在线检测装置是在机架支撑系统的移动滑板上，安装机加工系统即铣削或磨削系统、双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元俗称布氏硬度试验头，专利号ZL201410617454.3和伸缩式CCD布氏压痕光学测量系统，实现智能布氏硬度在线检测。移动滑板机构可以带着铣削系统或磨削系统、力加载系统以及CCD压痕测量系统进行横向运动，实现工作位置互换调整。

洛氏硬度在线检测装置是在机架支撑系统中的移动滑板上，安装机加工系统即铣削或磨削系统、硬度计自动加卸荷及测量单元俗称洛氏硬度试验头，专利号ZL200610070582.6，实现智能洛氏硬度在线检测。移动滑板机构可以带着铣削系统或磨削系统、力加载系统以及CCD压痕测量系统进行横向运动，实现工作位置互换调整。

上定位高度可调夹紧系统主要用于硬度测试时测试件的上定位夹紧和高度调整，其是在工作台中心的正下方偏置一个升降夹紧油缸，并设置相应的精密导向机构，确保油缸活塞杆运动时具有足够的刚性，克服测试件偏置时，测试件重心不在油缸活塞杆中心造成的翻转力矩；简化了结构，节约了成本，消除了电控故障，提高了可靠性。解决了测试件上平面定位或气瓶等圆柱类测试件上母线定位时，测试件被测面的高度可调问题，实现了定深度加工。通过采用不同个数和位置可调整的夹紧横梁，可以很好的满足较短测试件和较长测试件的硬度测试，也可以很好的满足在测试件端部进行硬度测试。将测试件夹紧在夹紧横梁与设置在工作台上的支撑机构之间，使硬度测试面相对于加工刀具下端面例如铣刀、硬度计压头和硬度值测量装置的距离成为固定距离，完成测试件的定深度加工例如铣削、试验力施加和硬度值测量。

圆柱体硬度测试旋转支撑系统主要用于对测试件进行角度旋转并满足于测试件外圆周面多点试验测试。该结构中的旋转执行机构可做成一个旋转支撑单元，根据不同需求可组合成二组或二组以上。该机构通用性好，能满足气瓶等圆柱类测试件沿着外圆周面上任意点的硬度测试。

力加载系统1000是力加载闭环反馈控制系统，其采用双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元俗称布氏硬度试验头，专利号ZL201410617454.3和硬度计自动加卸荷及测量单元俗称洛氏硬度试验头，专利号ZL200610070582.6。

高精度微调深度铣削系统采用两对交叉辊子导轨导向结构且一组固定一组调紧，既可调整至极小间隙，又能保持高刚性；选用楔块结构，保证了结构小巧；通过选用合适的楔角，保证结构自锁稳定性；采用螺钉调整，选取适当的螺距，完成高精度微调，最小调整量可达0.0015mm。

硬度测试件磨削系统利用电机壳作为连接载体，并把导向轮和涨紧系统全部集成到安装板上，缩小外形尺寸。利用砂带自身弹性可磨削成型弧面；增加浮动式砂带托板可对砂带工作部位的背面导平，可磨削成型平面，以满足不同测试件的硬度测试要求。选用长尺寸气弹簧和悬臂式摆动板结构，使砂带处于敞开式空间中，解决了更换砂带的难题。砂带位置调整手轮与在电机均设置在硬度测试件磨削系统的外侧，提高操纵性和安全性。

伸缩式CCD压痕光学测量系统采用光学镜头外周与被测表面直接接触，有效克服了采集图像时被测压痕受外界光的干扰问题；将光学镜头安装在直线导轨的滑块上，并采用复位弹簧使光学镜头处于直线导轨端部即初始位置，有效解决了测量结束后的复位问题和光学镜头与被测表面的接触问题；采用双滑块直线导轨的导向方式，提高了导向机构的刚性，解决了生产现场对光学测量的影响。伸缩式CCD压痕光学测量系统用于带动相机在采集图像时靠紧测试件，保证图像采集的质量，并且在图像采集完成后带动相机移到最高点以免发生碰撞，可用于精确测量压痕直径获得布氏硬度值；通过精密光栅位移传感器测量压痕深度获得洛氏硬度值，满足硬度在线检测的要求。

本发明能够保证测试件的待检测平面和圆弧面的磨削、铣削加工质量，硬度检测精度高且检测可靠性好，工作效率高，特别适用于生产现场批量零件的硬度在线检测，能够通过一次自动装夹就能自动完成测试面的机加工、力加载、打压痕和测量压痕直径以及多点测试时需要自动旋转测试件的硬度检测自动化流水线作业要求。

综上所述，本发明能够实现上定位高度可调夹紧、自动铣削或磨削加工、力值自动加载、伸缩式CCD硬度压痕光学测量、圆柱体自动旋转支撑和高精度实时控制等，实现压痕测量的高准确度和高可靠性，实现布氏硬度和洛氏硬度的批量在线检测，满足硬度在线检测的高效率、高质量要求。

附图说明

图1为硬度在线检测装置的示意图；

图2为机架支撑系统的示意图；

图3为传输系统的示意图；

图4-1为圆柱体硬度测试旋转支撑系统的示意图，图中画出两组以上的旋转支撑单元；图4-2为本系统齿轮传动机构的示意图，图4-2中只画出两组旋转支撑单元；图4-3为单独一组旋转支撑单元的示意图；

图5-1为上定位高度可调夹紧系统的示意图；图5-2为图5-1中高度调整机构的剖视图；

图6-1为高精度微调深度铣削系统示意图；图6-2为图6-1去掉铣削头后的A-A剖视图；图6-3为图6-1去掉铣削头后的B向视图；

图7-1为硬度测试件磨削系统的外侧结构示意图；图7-2是硬度测试件磨削系统的内侧结构示意图；图7-3为摆动板部件独立结构图，图中隐藏涨紧轮；

图8-1为伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统的正视图；图8-2为伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统的后视图；

图9为电控系统的控制原理方框图。

图1中部件说明：

100机架支撑系统、200传输系统、300圆柱体硬度测试旋转支撑系统、400上定位高度可调夹紧系统、500高精度微调深度铣削系统、600硬度测试件磨削系统、700伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统、800液压系统、900电控系统、1000力加载系统；

图2中部件说明：

101底座、102立柱、103水平直线导轨副、104移动滑板、105主横梁、106滚珠丝杠副、107交流伺服电机、108下固定梁；

图3中部件说明：

201辊道机架、202电机、203传送辊子、204轴承及轴承座、205链条、206链轮；

图4-1至图4-3中部件说明：

301、支撑座；302、伺服电机；303、电机固定板；304、齿轮Ⅰ；305、齿轮罩；306、齿轮Ⅱ；307、齿轮Ⅲ；308、传动轴；309、传动箱；310、联轴器；311、防尘盖；312、齿轮Ⅳ；313、齿轮Ⅴ；314、旋转滚轮；315、齿轮Ⅵ；316、轴承；317、轴Ⅱ；318、轴Ⅰ；319、螺栓。

图5-1、图5-2中部件说明：

101底座；402、油缸底座；403、垂直直线导轨副；404、导向弯板；405、工作台；406、支撑机构；407、升降夹紧油缸；408、活塞杆；409、夹紧横梁；410、高度调整机构；411、刚性连接轴；412、测试件；413、立柱横梁；414、刚性立柱；415、移动楔块；416、锁紧螺钉；417、T形螺母；418、精密丝杠；419、丝杠安装座；420、定位基准面；

图6-1至图6-3中部件说明：

501、交流伺服电机；502、锁紧螺钉；503、锁紧板；504、主轴滑动座；505、圆柱铣刀；506、弹性筒夹及锁帽；507、主轴套；508、主轴；509、止退垫块；511、连接弯板；512、交叉辊子导轨；513、主轴安装筒；514、调整螺钉；515、长楔块；516、短楔块；104、移动滑板。

图7-1至图7-3中部件说明：

601、安装板；602、电机；603、电机侧面地脚；604、涨紧轮；605、调整手轮；606、气弹簧安装轴；607、气弹簧；608、主动大带轮；609、导向轮A；610、砂带；611、托板导柱；612、砂带托板；613、托板导向座；614、弹簧；615、摆动板安装座；616、摆动板；617、铰接轴；618、导向轮B；620、支座；621、涨紧轮轴；622、调整板。

图8-1、图8-2中部件说明：

701、挡块；702、导轨；703、固定座；7031、安装孔A；704、交流电机；705、限位轴；706、限位座；707、限位保护单元；7071、安装孔B；708、CCD导向板；709、CCD固定板；710、CCD测量机构；7101、镜筒；711、齿轮；712、齿条；713、拉簧上座；714、复位弹簧；715、右端一组滑块；716、挡板；717、左端一组滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

如图1-图9所示，本发明硬度在线检测装置包括机架支撑系统100、传输系统200、测试件旋转支撑系统300、上定位高度可调夹紧系统400、机加工系统、力加载系统1000、硬度压痕测量系统700，液压系统800、电控系统900；所述机加工系统为铣削系统500或者磨削系统600，其中：

一、机架支撑系统：参照图1、图2。

如图1、图2所示，机架支撑系统100包括底座101、两立柱102、主横梁105、下固定梁108、移动滑板机构，其中底座101上的立柱102之间连接固定有主横梁105和位于主横梁下方的下固定梁108，下固定梁起连接加固作用。在主横梁一侧设置有移动滑板机构，移动滑板机构包括伺服电机107、滚珠丝杠副106、移动滑板104、水平直线导轨副103，在移动滑板104上安装有机加工系统即铣削系统500或磨削系统600、力加载系统1000和伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统700。移动滑板与主横梁105之间通过水平直线导轨副103连接，移动滑板机构由滚珠丝杠副106、交流伺服电机107驱动完成，从而实现机加工系统、力加载系统和伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统的变换。

二、传输系统：参照图1、图3。

如图1、图3所示，传输系统200包括辊道机架201、传送辊子203、链轮206、链条205、轴承及轴承座204、电机202，其中底座101上固装有辊道机架201，在辊道机架201上面沿长度方向通过轴承及轴承座204平行间隔设置有多组传送辊子203，在每一个传送辊子203的两端设置有轴承及轴承座204。电机202安装在辊道机架201一侧，电机轴上的链轮与位于辊道机架首端的第一组传送辊子端的链轮通过链条连接，相邻的两组传送辊子端的链轮206之间均传动连接有链条205。

当传输气瓶等圆柱类测试件时，传送辊子203采用V形圆柱辊子完成，传输矩形、盘类等零件时，传送辊子203采用圆柱辊子完成。当气瓶等圆柱类测试件要求沿圆柱外表面进行硬度测试时，上定位高度可调夹紧系统中的支撑机构可以采用圆柱体硬度测试旋转支撑机构自动完成测试件的旋转支撑。

三、上定位高度可调夹紧系统：参照图1、图5-1、图5-2。

如图5-1、图5-2所示，上定位高度可调夹紧系统400包括上定位机构、升降夹紧机构、高度调整机构；其中：

上定位机构为设置在主横梁105一侧底座101上的门式框架结构，门式框架结构是由底座101、刚性立柱414、立柱横梁413组成的一个侧向门式框架；两个侧向门式框架分别位于工作台405的前后两侧，并与刚性连接轴411、夹紧横梁409组成一个正向门式框架；正向门式框架位于侧向门式框架上面。夹紧横梁位于正向门式框架的顶部，并设置于工作台及支撑件、测试件412的上方。

上定位高度可调夹紧系统设置了一个能满足被测零件大小范围的工作台405，在工作台上设置有支撑机构406，该支撑机构为沿工作台长度方向平行设置有多个相同高度的V形刚性支撑件。

上定位高度可调夹紧系统设置了一个专门的上夹紧、定高度、可更换位置和个数的夹紧横梁409，实现被测零件的夹紧。本夹紧横梁可依据测试件的需要，设置一个或二个及二个以上的夹紧横梁，多个夹紧横梁之间为平行设置。

如图5-1、图5-2所示，在每个夹紧横梁409上安装有高度调整机构410，通过旋转精密丝杠418推动移动楔块415前后移动，通过改变整个高度调整机构的高度来改变铣削深度。

高度调整机构包括夹紧横梁409、移动楔块415、定位基准面420、丝杠安装座419、精密丝杠418、一对T形螺母417、锁紧螺钉416，其中夹紧横梁409的底部斜面与移动楔块415的顶部斜面相配合，并通过一对锁紧螺钉416上的一对T形螺母417与移动楔块上的T形槽配合，而将移动楔块吊装在夹紧横梁409上。在移动楔块上水平设置螺纹配合有精密丝杠418，精密丝杠的调整端通过丝杠安装座419连接固定在夹紧横梁上，移动楔块的底部为定位基准面420。

如图5-1所示，升降夹紧机构包括油缸底座402、升降夹紧油缸407、导向弯板404、精密导向机构、工作台405和支撑机构406，其中一个升降夹紧油缸407偏置安装在工作台中心的下方，升降夹紧油缸的活塞杆408与工作台底部垂直连接；升降夹紧油缸安装在油缸底座402的中间位置，固定在底座101上的油缸底座上部设置有平底V形敞口。导向弯板404、工作台405和支撑机构406通过螺钉连接在一起并成为一个刚性支撑，整个刚性支撑由连接设置在油缸底座与导向弯板404之间的精密导向机构即垂直直线导轨副导向，确保油缸活塞杆408运动具有足够的刚性，克服被测零件偏置时，被测零件的重心不在油缸活塞杆中心造成的翻转力矩。工作台上方平行设置有多个相同高度或者不同高度的支撑件406，满足升降和夹紧的需要。

通过设置上定位机构和升降夹紧机构，可使被测零件夹紧在定位基准面与支撑机构之间；使硬度测试面相对铣刀、硬度计压头和硬度值测量装置的距离成为固定距离，完成被测零件的定深度铣削或磨削、试验力施加和硬度值测量。

使用一个夹紧横梁409时，可以满足较小零件的硬度测试，也可以满足在零件端部进行硬度测试。使用二个及二个以上的夹紧横梁409时，可以满足较大零件的硬度测试，也可以满足在零件端部进行硬度测试。

上定位可调高度夹紧系统的工作原理是：参照图5-1、图5-2。

先根据测试件工艺要求，调整铣削深度，通过高度调整机构410完成。松开锁紧螺钉416，T形螺母417上端面与T形槽接触面产生间隙，旋转精密丝杠418推动移动楔块415沿夹紧横梁409的底部斜面前后移动，从而改变定位基准面420与底座101的距离，完成铣削深度的调整，然后锁紧螺钉416紧固，将移动楔块与夹紧横梁牢牢的连接在一起。

根据试验力的大小，调整液压站溢流阀，使油缸输出压力大于试验力。

液压站给升降夹紧油缸供油，活塞杆伸出并推动工作台向上移动，通过支撑机构406将测试零件412压紧在夹紧横梁下面高度调整机构的定位基准面上，实现上定位夹紧；从而使测试位置相对硬度计压头和硬度值测试装置成为一个固定位置，保证了硬度计铣削的定深度。

四、旋转支撑系统：参照图1、图4-1至图4-3。

旋转支撑系统为圆柱体硬度测试旋转支撑系统，其用于对测试件进行角度旋转并满足测试件外圆周面的多点硬度测试，实现圆柱体测试件自动旋转调整。

如图4-1至图4-3所示，圆柱体硬度测试旋转支撑系统包括串联设置在支撑座301上的多组旋转支撑单元以及用于给上述多组旋转支撑单元提供旋转动力的齿轮传动机构，相邻两组旋转支撑单元之间通过联轴器310连接，齿轮传动机构与相邻近的第一组旋转支撑单元传动连接。多组旋转支撑单元的数量可以是两组或者两组以上。支撑座301及其上的多组旋转支撑单元及其驱动旋转的齿轮传动机构可以替代上定位高度可调夹紧系统400中设置在工作台405上的支撑机构406即多个平行设置于工作台上的V形刚性支撑件。

齿轮传动机构包括伺服电机302、齿轮Ⅰ304、齿轮Ⅱ306、齿轮Ⅲ307，其中伺服电机302上的齿轮Ⅰ304通过齿轮Ⅱ306与齿轮Ⅲ307啮合，齿轮Ⅲ307安装在第一组旋转支撑单元中的传动轴308前端，齿轮传动单元中的齿轮Ⅲ307通过传动轴308与靠近的第一组旋转支撑单元中的齿轮Ⅳ312连接。

在支撑座301的端面安装有电机固定板303，电机固定板上安装有起安全防护作用的齿轮罩305。支撑座能保证足够的强度和刚性，满足硬度测试需要。电机固定板303上安装有伺服电机302、齿轮Ⅰ304、齿轮Ⅱ306，齿轮Ⅲ307安装在第一组旋转支撑单元的传动轴308前端，给旋转支撑单元提供足够的旋转动力。防尘盖311固定在传动箱309的上面，实现防尘作用。

旋转支撑单元按需要的数量和间距固定在支撑座上，相邻的两组旋转支撑单元之间通过联轴器连接，以确保动力传动到每一组旋转支撑单元。标准化旋转支撑单元采用标准化的结构组成：每组旋转支撑单元中的传动箱309通过一对螺栓319固定在支撑座301上，在传动箱底部安装有传动轴308及固定在传动轴上的齿轮Ⅳ312、轴承，在传动箱的中部安装有轴Ⅰ318及固定在轴Ⅰ318上的齿轮Ⅴ313、轴承，在传动箱的顶部安装有两组轴Ⅱ317及固定在轴Ⅱ317上的两组齿轮Ⅵ315、轴承316，两组旋转滚轮314作为最终的旋转执行件与两组齿轮Ⅵ315固定在一起。两组旋转滚轮314的顶部工作面从防尘盖敞口中凸出。

圆柱体硬度测试旋转支撑系统的工作原理是：参照图4-1至图4-3。

圆柱体硬度测试旋转支撑系统采用伺服电机302、传动轴308、多个齿轮、联轴器310作为动力及传动件。两组旋转滚轮314通过与测试件的V形状态接触产生摩擦力带动测试件旋转，旋转滚轮是最终动作执行件。可根据测试件的长度选用两组或两组以上的旋转支撑单元来组合。

当伺服电机302根据指令开始动作，运动和动力通过传动轴308、齿轮传动到执行件旋转滚轮314上，通过旋转滚轮314与测试件之间的V形状态接触产生足够的摩擦力来实现硬度测试件按设定旋转角度旋转，从而实现测试件沿外圆周面任意点的硬度测试。

五、铣削系统：参照图6-1至图6-3。

如图6-1至图6-3所示，铣削系统为高精度微调深度铣削系统500，其包括铣削机构、铣削深度微调机构、锁紧机构，其中：

铣削机构包括交流伺服电机501、圆柱铣刀505、弹性筒夹及锁帽506、主轴套507、轴承、主轴508、止退垫块509，其中主轴508一端直联交流伺服电机501，其另一端锥孔由弹性筒夹及锁帽506锁紧圆柱铣刀505；圆柱铣刀柄上端设置有不可更换的止退垫块509；主轴通过轴承转动设置在主轴套507内腔中。

如图6-2、图6-3所示，铣削深度微调机构包括主轴安装筒513、交叉辊子导轨512、主轴滑动座504、调整螺钉514、短楔块516、长楔块515、连接弯板511、移动滑板104，其中主轴安装筒513为开口弹性套，其利用弹性锁紧铣削机构中的主轴套507。主轴安装筒513采用弹性开口夹紧结构，除完成铣削头位置粗略定位外，还具有夹紧牢靠稳定的特点；配以交叉辊子导轨512定位组合，本装置整体结构刚性足、间隙小，满足高效率铣削。主轴安装筒513以一组交叉辊子导轨512固定在主轴滑动座504中，既保证足够刚性也可上下灵活滑动。本装置采用两对交叉辊子导轨导向结构并且一组固定一组调紧，既可调整至极小间隙，又能保持高刚性。主轴滑动座504通过连接弯板511与硬度在线检测装置上的移动滑板104连接。

如图6-3所示，主轴滑动座504下部设置有一楔块组合，其中长楔块515与主轴安装筒513的下端固定，短楔块516位于长楔块515的下面并与水平设置在主轴滑动座504上的调整螺钉514连接。长楔块515的长度大于短楔块516的长度，长楔块515的底部和与其相对应的短楔块516的顶部通过各自斜面相配合。旋转调整螺钉514，带动短楔块516左右移动，推动长楔块515上下移动，实现铣削头位置微调即铣削深度微调。本装置采用调整螺钉514进行调整，选取适当的螺距，完成高精度微调，最小调整量可达0.0015mm。本装置选用楔块结构，保证了结构小巧；通过选用合适的楔角小于本结构中选取的摩擦角，这样既可保证装置的自锁稳定性，又可保证调整螺钉514每旋转一圈的高度变动量仅为0.15mm；手动即可控制角度，实现了铣削深度的高精度微量调整。

如图6-1所示，锁紧机构包括主轴滑动座504、锁紧板503、锁紧螺钉502、主轴安装座513，其中主轴滑动座504上端通过螺钉固定有锁紧板503，锁紧螺钉502垂直穿过设置在锁紧板503上，锁紧螺钉502末端对应顶紧设置在主轴安装筒513的内侧顶部。

高精度微调深度铣削系统为外形紧凑、结构小巧的高速铣削装置，便于集成到智能化设备或者在线专机上，根据实际生产要求，能够精确微量调整铣削深度，调整操作简单快捷，测试效率和精度大大提高，进一步扩大了硬度测试的检测范围。

六、磨削系统：参照图7-1至图7-3。

如图7-1至图7-3所示，磨削系统为硬度测试件磨削系统，其中安装板601与电机602端面法兰盘连接，保障整体刚性；电机侧面地脚603与外部驱动机构连接，省掉连接环节，结构精简。整个磨削系统外形紧凑，结构精巧，便于集成到智能化设备或者专机移动滑板上。利用电机壳作为连接载体，并把导向轮A、导向轮B和砂带涨紧机构全部集成到安装板601上，大大缩小外形尺寸。

如图7-2所示，设置在安装板601的主动大带轮608与导向轮A 609和导向轮B 618呈三角位置分布。主动大带轮608与电机轴直联，砂带610与主动大带轮、导向轮A 609和导向轮B 618形成传动连接并组成砂带运动机构。

如图7-2、图7-3所示，悬臂式摆动板616的上端通过摆动板安装座615设置在安装板上，其可摆动下端安装有位于导向轮B上方的涨紧轮604、铰接轴617。气弹簧607设置于导向轮A与导向轮B之间连线的上方。气弹簧安装轴606设置在导向轮A 609上方的安装板601上；气弹簧的一端通过气弹簧安装轴设置在安装板上，其另一端通过铰接轴617铰接悬臂式摆动板616的可摆动下端。长尺寸气弹簧推动悬臂式摆动板左右摆动，从而带动涨紧轮604涨紧砂带610。

本磨削系统选用长尺寸气弹簧和悬臂式摆动板结构，使砂带处于敞开式空间中，解决了更换砂带的难题，可使砂带更换容易安全。气弹簧提供稳定的涨紧力，较其他钢丝弹簧涨紧的结构，砂带涨紧状态稳定，弹性好，可高效磨抛包含淬火件等各种硬度的零件，本磨削系统处理测试件范围广、效率高。

如图7-2、图7-3所示，调整手轮605安装在调整板622上，其一端的螺柱旋过调整板上的螺孔，端部顶在支座620的凹坑上。涨紧轮轴621的一端铰接在固定于悬臂式摆动板616的支座上，并可绕涨紧轮轴621的铰接点摆动，其另一端与设置在支座620外侧的调整板连接。

将砂带位置调整手轮605与电机602均设置在本磨削系统的外侧，能够提高操纵性和安全性。旋动调整手轮605，带动调整板622和涨紧轮轴621左右摆动，调整砂带610在导向轮A、导向轮B和涨紧轮的位置，防止高速运动下跑偏。

如图7-3所示，硬度测试件磨削系统600还包括砂带导平机构，砂带导平机构包括设置在安装板601上的浮动式砂带托板612；浮动式砂带托板612设置于两个导向轮之间的砂带背面上方，其通过下端套设有弹簧614的两个托板导柱611定位在托板导向座613上，托板导向座613固定在安装板601上。在弹簧614作用下，浮动式砂带托板612可在一定范围内自由浮动，实现砂带导平。

硬度测试件磨削系统的动作过程及原理是：参照图7-1至图7-3。

整个磨削系统安装在在线检测设备移动滑板上，通过气缸或油缸等升降部件使磨削系统上下移动，靠在测试件表面；电机启动，砂带在高速运动下，对测试件表面进行磨削；在安装浮动式砂带托板612的情况下，可在测试件表面磨出一平面；通过调整磨抛时间和托板导柱611上的弹簧弹力，控制磨抛面深度；在去掉浮动式砂带托板612的情况下，砂带610成为一弹性体，可在测试件表面磨出一弧面；通过控制磨抛时间，控制磨抛弧面的大小。本磨削系统适用不同硬度测试场合，利用砂带可成型圆弧面和平面，从而满足洛氏、布氏等不同的硬度测试要求。

长尺寸气弹簧607推动悬臂式摆动板616左右摆动，带动涨紧轮604涨紧砂带610；旋动调整手轮605，带动调整板622和涨紧轮轴621左右摆动，调整砂带在导向轮A、导向轮B和涨紧轮的位置，防止高速运动下跑偏；砂带位置调整手轮与电机均设置在本磨抛系统的外侧，能够提高操纵性和安全性。

七、力加载系统：参照图1。

力加载系统1000是力加载闭环反馈控制系统，其采用双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元俗称布氏硬度试验头，专利号ZL201410617454.3和硬度计自动加卸荷及测量单元俗称洛氏硬度试验头，专利号ZL200610070582.6。已获国家发明专利，在此不再详述结构与原理。

八、硬度压痕测量系统：参照图8-1、图8-2。

如图8-1、图8-2所示，硬度压痕测量系统为伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统700，其可灵活选择水平设置、竖直设置以及任意不同角度倾斜设置的使用方式，但结构与工作原理均相同。

如图8-1、图8-2所示，伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统为水平设置使用方式，其包括驱动机构、伸缩移动机构、限位保护单元、CCD测量机构710；其中：

驱动机构中的交流电机704输出轴上安装有齿轮711，上述齿轮与固定于导轨702上的齿条712相啮合。交流电机704带动齿轮转动，通过齿条带动导轨702移动，齿条和导轨用螺钉连接固定成一个整体。

伸缩移动机构中的导轨上配合有两组滑块，其中左端一组滑块717可为一个滑块或两个滑块，其用螺钉与固定座703连接固定并给导轨的伸缩移动进行导向配合；右端一组滑块715可为一个滑块或两个滑块，其上依次安装有CCD导向板708、CCD固定板709、CCD测量机构710。CCD测量机构包括镜筒7101、连接管、CCD摄像头和固定座，并通过上述固定座安装在CCD固定板709上。

CCD导向板708侧面用螺钉固定有拉簧上座713；导轨702的左端用螺钉固定有挡块701，用于工艺安装，防止导轨从右端一组滑块715中脱离；导轨右端用螺钉固定有挡板716；拉簧上座和挡板用复位弹簧714连接；上述复位弹簧为拉簧，复位弹簧在非工作状态时能拉着用于固定CCD测量机构710的导轨右端一组滑块715始终保持与挡板716接触。

导轨702的侧面用螺钉固定连接限位座706，限位座706上用螺钉固定限位轴705，限位轴705的伸出端与限位保护单元707配合，限位保护单元707是在弯板上设置了一对限位开关和一对保护开关，用于伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统的限位和过载保护。上述弯板上设置有安装孔B7071。

伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统的工作原理是：参照图8-1、图8-2。

伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统用螺钉通过安装孔A7031把固定座703固定到硬度计的需要位置上。限位保护单元707根据工作位置关系，用螺钉通过安装孔B7071固定到硬度计的相应位置。

在主轴试验完成压痕后，交流电机704带动齿轮711转动，带动齿条712与导轨702向右移动，通过导轨把CCD测量机构移向零件检测面，当CCD测量机构的镜筒7101接触零件检测面后，电机继续转动，右端一组滑块715与导轨之间发生滑动，复位弹簧714被拉长，等到限位轴705接触限位保护单元的右端限位开关后，电机停止转动，CCD测量系统开始图像的采集、分析计算出硬度值。然后电机反向转动，CCD测量机构710开始远离零件，同时复位弹簧714也将CCD测量机构拉回到原始的位置，等到限位轴705碰到限位保护单元707左端的限位开关后，电机停止工作，完成一个测量过程。

伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统具有以下优点和积极效果：

将光学测量系统成像的焦点平面设计在CCD测量机构镜管的端面，即镜筒端面到靶面的距离即是成像距离。测量时，采用了镜管的端面直接接触被测零件表面的方式，隔绝了外界杂光的影响。CCD测量装置内部提供光源照明，保证采集图像的质量。

驱动机构和电控系统将CCD测量机构镜管的端面送到被测面，镜管端面接触到被测面的同时，驱动机构如电机等同时停止。驱动机构直接驱动CCD测量机构镜管的端面机构到达被测表面，电控系统需要非常精密、稳定、可靠。

通过限位开关控制导轨的伸缩移动距离，达到对距被测平面一定距离内的零件表面进行测量；右端一组滑块安装的CCD测量机构镜管的端面接触零件被测平面时，右端一组滑块沿导轨滑动，拉伸了复位弹簧，确保了CCD测量机构镜管端面与被测面可靠接触，无冲击，同时给驱动电机留有足够的控制时间，避免了镜管到达测量零件表面时电机正好停止这种难控现象。

九、液压系统：参照图1。

液压系统800包括液压站，液压站用于给上定位可调高度夹紧系统中的升降夹紧油缸407供油，液压站通过油路与升降夹紧油缸407连通。

十、电控系统：参照图9。

如图9所示，电控系统900包括PLC控制系统、步进电机驱动器、压力传感器、光电传感器、按钮开关、上位计算机、多个继电器、电磁阀、交流接触器、多个伺服电机驱动器，其中：

PLC控制系统通过步进电机驱动器与步进电机、力加载系统、压力传感器电连接，压力传感器传递信号给PLC控制系统。

光电传感器给PLC控制系统传递信号。

按钮开关给PLC控制系统传递信号。

CCD图像采集系统与上位计算机电连接，上位计算机与PLC控制系统互相传递信号。

PLC控制系统通过继电器、电磁阀与液压站电连接，PLC控制系统还通过交流接触器、三相电机与液压站电连接；液压站与上定位升降夹紧机构中的升降夹紧油缸通过油路连接。

PLC控制系统通过继电器与CCD伸缩移动机构中的交流电机电连接。

PLC控制系统通过伺服电机驱动器与测试件旋转机构中的伺服电机电连接。

PLC控制系统通过伺服电机驱动器与移动滑板机构中的伺服电机电连接。

PLC控制系统通过伺服电机驱动器与铣削系统中的伺服电机电连接。

各组成部分的作用是：

PLC控制系统，是设备电控的主要构成部分，完成整个设备的逻辑控制、数据交换以及数据运算；整个设备的所有动作支配都是由此系统发出信号指令，并且所有的反馈信号都由此系统进行采集并处理。

上位计算机，用于处理硬度压痕图像，进行硬度计算并记录硬度值，进行逻辑控制以及与PLC数据信息交换。

CCD图像采集系统，用于采集试验力机构所打在测试件上的压痕，并将采集到的压痕信息传到上位计算机。

按钮开关，操作者通过操作按钮开关控制设备运行。

光电传感器，用于设备限位以及位置指示，确认设备的运行状态。

力加载系统步进电机以及压力传感器，通过步进电机移动、压力传感器采集实时压力信号来实现闭环控制以完成试验力的精确施加。

CCD升降电机，即交流电机，用于带动相机在需要采集图像时靠近测试件并紧密接触以保证CCD采集图像的效果，再测量完成后带动相机回到安全位置。

测试件夹紧机构用于测试件在进行硬度试验时进行夹紧。

旋转伺服电机，用于带动旋转机构来旋转测试件，在同一截面可以进行多点测试。

滑板伺服电机，用于带动铣削系统、力加载系统以及CCD图像采集系统左右移动，可以有效的对测试件的试验位置以及采集图像位置进行精确定位。

铣削伺服电机，用于对试验测试件表面进行铣削。

十一、本发明的工作原理和过程如下：参照图1-图9。

硬度在线检测装置及其检测方法，是一种用于布氏硬度和洛氏硬度的在线检测装置及其检测方法。

布氏硬度在线检测装置是在机架支撑系统的移动滑板上，安装加工系统即铣削或磨削系统、双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元即俗称布氏硬度试验头，专利号ZL201410617454.3和伸缩式CCD布氏压痕光学测量系统，实现智能布氏硬度在线检测。

洛氏硬度在线检测装置是在机架支撑系统的移动滑板上，安装加工系统即铣削或磨削系统、硬度计自动加卸荷及测量单元即俗称洛氏硬度试验头，专利号ZL200610070582.6，实现智能洛氏硬度在线检测。

以下陈述以圆柱类测试件例如气瓶、钻铤轴类零件、弹壳类零件、发动机缸体、军工部分零件、部分汽车零件等沿着外圆周面上要求均布3点进行布氏硬度和洛氏硬度在线检测为例，说明硬度在线检测装置及其检测方法的工作原理和过程。

一种使用硬度在线装置的检测方法，其包括如下方法步骤：

S1、设备准备：开启电源、启动工控机、进入电控系统的主控软件界面，设置相应试验参数，如试验标尺、测试件名称、型号、要求硬度范围的上下限、保荷时间、测试点数等；启动液压站、启动试验按钮使设备处于待机状态；

S2、测试件传输：当测试件送达传输系统输入端时，传输系统自动启动，将气瓶载入传输系统；

测试面到位：测试件输送到传输系统物流线方向的测试件到位光电开关时，传输系统电机停止转动；

S3、定深度：通过上定位可调高度夹紧系统进行高度调整，实现定深度；

测试件夹紧：上定位可调高度夹紧系统自动升起，将测试件例如气瓶夹紧在门式夹紧横梁的基准面上，实现测试件上定位夹紧；

S4、测试面加工：铣削系统或磨削系统在移动滑板机构的带动下快速到达等待铣削或磨削的前部，然后对测试件进行定深度高速铣削或磨削，获得符合硬度测试要求的测试面，同时铁屑冷却清理机构自动启动；铣削或磨削完成后自动停止，铁屑冷却清理机构自动关闭；

S5、通过移动滑板机构将力加载系统移动到工作位置，实现布氏或洛氏硬度试验；对于布氏硬度试验，布氏硬度在线检测装置是通过双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元和伸缩式CCD压痕光学测量系统，实现智能布氏硬度在线检测；对于洛氏硬度试验，洛氏硬度在线检测装置是通过硬度计自动加卸荷及测量单元，实现智能洛氏硬度在线检测；具体操作是：

力加载系统到位：力加载系统在移动滑板机构的带动下快速到达等待打硬度位置的正上方后停止；

打压痕：力加载系统自动按照布氏或洛氏硬度试验法的要求、施加试验力、保荷、卸荷等，完成后，力加载系统自动复位；

测量压痕直径并计算硬度值：伸缩式CCD压痕光学测量系统或者硬度计自动加卸荷及测量单元的测量单元在移动滑板机构的带动下快速到达所打压痕的正上方停止；伸缩式CCD测量镜头或者硬度计自动加卸荷及测量单元的测量镜头自动下降，测量压痕尺寸、计算硬度值、显示硬度值、硬度数据进入数据库、判断硬度值的合格如否，如超差则声光报警，测量镜头自动复位；

S6、复位：在滑板移动机构的带动下，铣削或磨削系统、力加载系统、伸缩式CCD布氏压痕光学测量系统或硬度计自动加卸荷及测量单元回到初始位置，等待下一个启动命令；到此一点硬度测试结束；

S7、对于需要进行旋转测量的测试件，先松开上定位夹紧状态；再通过圆柱体硬度测试旋转支撑系统旋转测试件；然后将测试件再次夹紧；具体操作是：

松开夹紧状态：上定位可调高度夹紧系统自动下降，松开夹紧状态如果为2点及以上的测量要求时，仅为松开夹紧状态，并非回到初始位置；

测试件旋转：圆柱体硬度测试旋转支撑系统中的伺服电机自动启动，将测试件旋转约120度后自动停止；

测试件再次夹紧：上定位可调高度夹紧系统再次自动升起，将测试件例如气瓶夹紧在门式夹紧横梁的基准面上；

S8、完成第二点硬度测试：重复步骤S3～S6的流程，完成第二点的硬度测试；依次类推，完成第N点的硬度测试；

完成第三点硬度测试：依次完成第三点的硬度测试后，测试件升降机构自动下降，松开夹紧状态，回到初始位置；

S9、测试件被输出硬度在线检测装置：传输系统自动启动，将测试件例如气瓶传输出传输系统后自动停止；硬度在线检测装置等待下一个测试件的测量。

步骤S3中上定位高度可调夹紧系统是利用升降夹紧机构中的直线导轨副的垂直导向，通过升降夹紧油缸活塞杆伸出、推动工作台向上移动，通过工作台上的支撑机构将测试件压紧在与夹紧横梁斜面相配合的移动楔块底部的定位基准面上，完成上定位升降夹紧；利用高度调整机构松开锁紧螺钉，使T形螺母上端面与T形槽接触面产生间隙，通过旋转精密丝杠推动移动楔块沿夹紧横梁底部斜面前后移动，改变定位基准面与底座的距离，完成铣削深度调整；然后锁紧螺钉紧固，将移动楔块与夹紧横梁紧固在一起。

步骤S5中伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统是交流电机齿轮与固定在导轨上的齿条相啮合并驱动导轨沿滑块移动，实现CCD测量机构在一定距离内的伸缩式调整，完成对测试件在一定范围内的端部、中部、尾部的硬度压痕直径测量，并计算出硬度值。

步骤S4中铣削系统通过旋转调整螺钉可使短楔块左右移动并推动其斜面上的长楔块以及与长楔块固定连接的主轴安装筒、锁紧设置在主轴安装筒内的主轴套、设置主轴套内的主轴和安装在主轴下端的圆柱铣刀一起升降移动，实现铣削深度精确调整。

步骤S4中磨削系统通过气弹簧带动悬臂式摆动板及其上涨紧轮摆动，实现砂带涨紧；还通过旋转调整手轮来带动调整板、涨紧轮轴摆动，调整砂带在各导向轮和涨紧轮的合适位置，实现高速运动下的砂带调偏；利用砂带运动机构中的砂带自身弹性，可对测试件磨削出圆弧面；利用砂带导平机构中的浮动式砂带托板将砂带工作部位的背面托平，可对测试件磨削出平面。

由上可知，洛氏硬度与布氏硬度的在线检测装置及其检测方法的区别仅是在于试验力加载和硬度压痕测量的结构与使用方法不同，也就是方法步骤S5中所记载的有关内容，其它结构与使用方法步骤均相同，在此不再重复详述。

Claims (13)

1.硬度在线检测装置，其特征是，包括机架支撑系统、设置于底座上的传输系统、设置于主横梁一侧底座上的上定位高度可调夹紧系统以及设置于移动滑板上的机加工系统、力加载系统和硬度压痕测量系统，还包括液压系统和电控系统。

2.根据权利要求1所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述上定位高度可调夹紧系统包括上定位机构、高度调整机构、升降夹紧机构，其中上定位机构是设置在机架支撑系统中主横梁一侧底座上的门式框架结构，在门式框架结构的顶部设置有一个或者二个及二个以上的夹紧横梁；在每个夹紧横梁上设置有高度调整机构；所述升降夹紧机构包括工作台、设置在夹紧横梁下方工作台上的支撑机构、偏置在工作台中心正下方的升降夹紧油缸、与工作台底部紧固连接的导向弯板、设置在底座上的油缸安装座、连接设置在油缸安装座与导向弯板之间的垂直直线导轨副。

3.根据权利要求2所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述高度调整机构中夹紧横梁通过一对锁紧螺钉下端的T形螺母与移动楔块上的T形槽滑动配合而吊装有移动楔块，夹紧横梁底部中间的斜面与移动楔块顶部的斜面相配合，移动楔块上水平螺纹配合有精密丝杠，精密丝杠的调整端穿过设置在丝杠安装座上的∩形槽中；在移动楔块的底部设置有定位基准面。

4.根据权利要求3所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述支撑机构为圆柱体硬度测试旋转支撑系统，其包括串联设置在支撑座上的多组旋转支撑单元以及用于给上述旋转支撑单元提供旋转动力的齿轮传动机构，相邻两组旋转支撑单元之间通过联轴器连接，齿轮传动机构与相邻近的第一组旋转支撑单元传动连接；多组旋转支撑单元与传输系统中的多组传送辊子之间的空间相对应，在每组旋转支撑单元的顶部设置有一对旋转滚轮。

5.根据权利要求4所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述力加载系统为用于布氏硬度试验中的双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元或者用于洛氏硬度试验中的硬度计自动加卸荷及测量单元。

6.根据权利要求5所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述硬度压痕测量系统为水平设置、竖直设置或者任意不同角度倾斜设置的伸缩式CCD压痕光学测量系统，其中交流电机轴上的齿轮与固定在导轨上的齿条啮合带动导轨移动；在导轨侧面的限位座上固定有限位轴，限位轴的伸出端与限位保护单元配合；导轨上配合有两组滑块，其中一组滑块与固定座连接固定，另一组滑块上依次安装CCD导向板、CCD固定板、CCD测量机构；CCD导向板侧面固定有拉簧上座；导轨的两端分别固定有挡块、挡板；拉簧上座和挡板用复位弹簧连接，复位弹簧在非工作状态时另一组滑块始终保持与挡板接触。

7.根据权利要求6所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述机加工系统为高精度微调深度铣削系统，其中主轴一端直联交流伺服电机，其另一端锥孔锁紧圆柱铣刀，铣刀柄上端设置有止退垫块；主轴安装筒为开口弹性套，其依靠弹性锁紧主轴套；主轴安装筒以一组交叉辊子导轨固定在主轴滑动座中，主轴滑动座通过一连接弯板与移动滑板连接；主轴滑动座下部设置有依靠各自斜面配合的一组楔块，长楔块与主轴安装筒固定，短楔块与调整螺钉连接；主轴滑动座上端固定有锁紧板，通过锁紧螺钉锁紧调整位置后的主轴安装筒。

8.根据权利要求6所述的硬度在线检测装置，其特征是，所述机加工系统为硬度测试件磨削系统，其中砂带涨紧轮通过涨紧轮轴安装在悬臂式摆动板上，悬臂式摆动板的可摆动端与连接设置在安装板上的气弹簧铰接；涨紧轮轴的一端铰接在支座上并可绕铰接点摆动，支座固定于悬臂式摆动板上；涨紧轮轴的另一端与调整板固定连接；调整手轮一端的螺柱旋过调整板的螺孔，端部顶在支座的凹坑上；在砂带工作部位的背面上方设置有浮动式砂带托板，浮动式砂带托板通过下端套设有弹簧的两个导柱定位在托板导向座上，托板导向座固定在安装板上；浮动式砂带托板在弹簧作用下可在一定范围内自由浮动，实现砂带导平。

9.一种使用权利要求1至8中的任一项所述的硬度在线检测装置的检测方法，其特征是，包括如下方法步骤：

步骤S1、启动电源、液压站、工控机，进入电控系统的主控软件界面设置相应试验参数；

步骤S2、通过传输系统进行测试件传输，使测试面到位；

步骤S3、通过上定位可调高度夹紧系统进行高度调整，实现定深度和测试件上定位夹紧；

步骤S4、通过铣削系统或磨削系统对测试件进行定深度铣削或者磨削加工，获得符合硬度测试要求的测试面；

步骤S5、通过机架支撑系统中的移动滑板机构将力加载系统移动到工作位置，实现硬度试验；

步骤S6、复位；到此一点硬度测试结束；

步骤S7、对于需要进行旋转测量的测试件，先松开上定位夹紧状态，再通过圆柱体硬度测试旋转支撑系统旋转测试件，然后将测试件再次夹紧；

步骤S8、重复步骤S3～S6，完成第二点硬度测试；依次类推，完成第N点的硬度测试；

步骤S9、测试件被输送出硬度在线检测装置；硬度在线检测装置等待下一个测试件的测量。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征是，所述步骤S5中的硬度试验是布氏或者洛氏硬度试验，所述布氏硬度试验是通过双稳态直驱式硬度计主轴加卸荷单元和伸缩式CCD硬度压痕光学测量系统，实现试验力加载、打压痕和压痕测量并计算出硬度值；所述CCD伸缩式硬度压痕测量系统是通过交流电机齿轮与固定在导轨上的齿条相啮合并驱动导轨沿滑块移动，实现CCD测量机构在一定距离内的伸缩式移动调整，完成对测试件在一定范围内的端部、中部、尾部的硬度压痕直径测量，并计算出硬度值；所述洛氏硬度试验是通过硬度计自动加卸荷及测量单元，实现试验力加载、打压痕和压痕测量并计算出硬度值。

11.根据权利要求9所述的检测方法，其特征是，所述步骤S3中的上定位高度可调夹紧系统是利用升降夹紧机构中的直线导轨副的垂直导向，通过升降夹紧油缸活塞杆伸出、推动工作台向上移动，通过工作台上的支撑机构将测试件压紧在与夹紧横梁斜面相配合的移动楔块底部的定位基准面上，完成上定位升降夹紧；还利用高度调整机构松开锁紧螺钉，使T形螺母上端面与T形槽接触面产生间隙，通过旋转精密丝杠推动移动楔块沿夹紧横梁底部斜面前后移动，改变定位基准面与底座的距离，完成铣削深度调整；然后锁紧螺钉紧固，将移动楔块与夹紧横梁紧固在一起。

12.根据权利要求11所述的检测方法，其特征是，所述步骤S4中的铣削系统为高精度微调铣削系统，其通过旋转调整螺钉可使短楔块左右移动并推动其斜面上的长楔块以及与长楔块固定连接的主轴安装筒、锁紧设置在主轴安装筒内的主轴套、设置主轴套内的主轴和安装在主轴下端的圆柱铣刀一起升降移动，实现铣削深度精确调整。

13.根据权利要求11所述的检测方法，其特征是，所述步骤S4中的磨削系统为硬度测试件磨削系统，其通过气弹簧带动悬臂式摆动板及其上涨紧轮摆动，实现砂带涨紧；还通过旋转调整手轮来带动调整板、涨紧轮轴摆动，调整砂带在各导向轮和涨紧轮的合适位置，实现高速运动下的砂带调偏；利用砂带运动机构中的砂带自身弹性，实现对测试件磨削加工出弧面；利用砂带导平机构中的浮动式砂带托板将砂带工作部位的背面托平，实现对测试件磨削加工出平面。

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