CN213239285U - 一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其中X轴线性模组用于带动托架沿X轴方向运动，Y轴线性模组用于带动托架沿X轴方向运动，主悬臂用于带动托架在XOZ平面内转动，次悬臂用于带动托架在YOZ平面内转动，进给轴线性模组用于带动托架沿进给轴线性模组的轴向运动；托架用于与校准模块或钻孔模块可拆卸连接；校准模块用于获取工件钻削点周围的切平面；钻孔模块用于穿过钻削点并垂直于钻削点周围的切平面对待测材料进行钻孔。该装置通过拟合钻削点附近切面位置的方法，对曲面等复杂工况下的结构进行测量，减小由支座以及待测件本身所引入的误差，解决传统残余应力测试装置中操作复杂、钻孔精度低、易引入附加残余应力的问题。

Description

一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置

技术领域

本实用新型涉及材料分析测试技术领域，具体的说是一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置。

背景技术

残余应力是平衡于材料内部的一种不稳定的应力状态，残余应力的存在严重影响了工件的疲劳强度、静力强度与抗腐蚀性。残余应力的存在是的工件在制造与使用过程中极易出现变形和开裂等缺陷，极大削弱了工件寿命。因此要了解残余应力在工件上的分布情况，从而进一步改善工艺，因此对残余应力精确有效的测量具有重大意义。目前残余应力的测量方法有很多种，其中钻孔法是技术较为成熟、理论较为完善的一种测量方法。钻孔法是在要测量残余应力的点上加工一个小孔，由于孔壁原有残余应力的释放，在孔附近引起线应变，通过布置在小孔附近的应变片测量引起的线应变，换算出原有的残余应力值。

为了保证测量结果的准确性与可靠性，通常需要辅助的钻孔平台。但传统的测试方法中，极易出现异常数值，测量效率低下。究其原因：（1）钻孔平台通过粘合剂贴在被测表面，但粘合剂干燥过程时间过长，且因为采用粘合的方式连接，无法快速定位钻孔位置，因此操作复杂，往往需要多人协同作业，极大降低了测试效率；（2）传统钻孔平台通过三脚架与工件固定，无法消除不平整表面对钻削精度的影响；（3）传统的钻孔平台往往通过万向节将钻头与手钻连接，钻削速度低，钻削稳定性差，极易引入附加残余应力；（4）对操作人员技术依赖性强，操作规程复杂。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，通过拟合钻削点附近切面位置的方法，对曲面等复杂工况下的结构进行测量，减小由支座以及待测件本身所引入的误差，同时简化操作流程，提升残余应力测试效率，解决传统残余应力测试装置中操作复杂、钻孔精度低、易引入附加残余应力的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，包括X轴线性模组、Y轴线性模组、主悬臂、次悬臂、进给轴线性模组和托架；

所述的X轴线性模组用于带动托架沿X轴方向运动，

所述的Y轴线性模组用于带动托架沿X轴方向运动，

所述的主悬臂用于带动托架在XOZ平面内转动，

所述的次悬臂用于带动托架在YOZ平面内转动，

所述的进给轴线性模组用于带动托架沿进给轴线性模组的轴向运动；

所述的托架用于与校准模块或钻孔模块可拆卸连接；

所述的校准模块用于获取工件钻削点周围的切平面；

所述的钻孔模块用于穿过钻削点并垂直于钻削点周围的切平面对待测材料进行钻孔。

所述的X轴线性模组与第二步进电机传动连接，所述的X轴滑块与X轴线性模组传动连接，所述的第二步进电机通过控制X轴线性模组的运动方向进而带动轴线性模组沿X轴方向滑动，所述的制X轴线性模组两端分别与两组相互平行的Y轴线性模组传动连接。

所述的X轴线性模组两端底部分别与Y轴滑块固定连接，所述的Y轴滑块与Y轴线性模组传动连接，第一步进电机的输出轴与同步杆传动连接，所述的同步杆用于带动两组Y轴线性模组同步运动。

所述的X轴滑块与悬臂支架底端固定连接，所述的悬臂支架的顶端固定安装有第一减速电机，所述的第一减速电机的输出轴与主悬臂一端传动连接诶，所述的主悬臂另一端与次悬臂相互垂直固定连接，次悬臂固定安装有第二减速电机，所述的第二减速电机与进给轴线性模组传动连接，所述的进给轴线性模组与第三步进电机传动连接，所述的进给轴线性模组与进给轴滑块传动连接。

所述的第一步进电机通过第一传动器与Y轴线性模组传动连接，所述的第二步进电机通过第二传动器与X轴线性模组传动连接，所述的第三步进电机通过第三传动器与进给轴线性模组传动连接；所述的第一减速电机的输出轴与主悬臂一端通过法兰轴固定连接，所述的第二减速电机的输出轴与进给轴线性模组通过法兰轴固定连接。

所述的校准模块包括标定旋钮、外套筒、内套筒、针式微动开关，所述的外套筒外套在内套筒外表面，所述的针式微动开关设置在内套筒底端，所述的针式微动开关轴向与内套筒轴向平行，所述的针式微动开关相对内套筒中心轴偏心设置，所述的内套筒顶端同轴安装有刻有刻度的标定旋钮；所述的内套筒中心轴底端安装有摄像头，所述的摄像头用于采集工件表面钻削点位置。

所述的钻孔模块包括电机和钻头，所述的钻头与电机的输出轴传动连接。

所述的外套筒或电机与托架可拆卸连接，所述的托架与进给轴滑块固定连接。

所述的Y轴线性模组底部安装有若干吸盘支撑架，所述的吸盘支撑架的端部安装有真空吸盘。

该种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置能够产生的有益效果为：第一，通过微动开关检测切削区域附近的高度信息，通过最小二乘拟合的方式得到钻削处的切平面，并利用两个校准悬臂的角度组合将进给轴的位置调整至与切平面垂直的位置。

第二，通过真空吸盘的方式固定，安装便捷牢固，固定后可以通过运动机构调节至合适位置，避免了多次调解浪费的时间，复杂程度大大降低，对操作人员技术依赖性减弱，单人即可完成操作。

第三，通过Y轴线性模组、X轴线性模组、第一步进电机、第二步进电机和进给轴线性模组能够通过计算出校准臂端部的三维坐标，为后续的钻孔模块的切换提供了精准的坐标基础。

第四，底座固定能够适应一定程度的弧度，并能够减少底座安装偏差引入的误差同时使用高速钻削的方式钻孔，钻削过程稳定，减少因钻削引入的附加残余应力。

附图说明

图1为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置安装校准模块时的结构示意图。

图2为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置安装钻孔模块时的结构示意图。

图3为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置的结构示意图。

图4为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置中校准模块的结构示意图。

图5为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置的校准理论模型图。

图6为本实用新型一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置控制系统原理图。

说明书附图标记：1、Y轴线性模组；2、X轴线性模组；3.1、第一步进电机；3.2、第二步进电机；3.3、第三步进电机；

4.1、第一减速电机；4.2、第二减速电机；

5、悬臂支架；6、X轴滑块；7、主悬臂；

8.1、第一传动器；8.2、第二传动器；8.3、第三传动器；

9、进给轴线性模组；10、次悬臂；11、进给轴滑块； 13、校准模块； 15、真空吸盘；16、Y轴滑块；17、电机；18、钻头；19、托架；20、紧定螺钉；21、同步杆；22、吸盘支撑架；23、工件；131、外套筒；132、内套筒；133、标定旋钮；134、针式微动开关；135、导向槽；136、摄像头。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1至图3所示，一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，包括X轴线性模组2、Y轴线性模组1、主悬臂7、次悬臂10、进给轴线性模组9和托架19；

所述的X轴线性模组2用于带动托架19沿X轴方向运动，

所述的Y轴线性模组1用于带动托架19沿X轴方向运动，

所述的主悬臂7用于带动托架19在XOZ平面内转动，

所述的次悬臂10用于带动托架19在YOZ平面内转动，

所述的进给轴线性模组9用于带动托架19沿进给轴线性模组9的轴向运动；

所述的托架19用于与校准模块13或钻孔模块可拆卸连接；

所述的校准模块13用于获取工件23钻削点周围的切平面；

所述的钻孔模块用于穿过钻削点并垂直于钻削点周围的切平面对待测材料进行钻孔。

本实施例中，X轴线性模组2与第二步进电机3.2传动连接，所述的X轴滑块6与X轴线性模组2传动连接，所述的第二步进电机3.2通过控制X轴线性模组2的运动方向进而带动轴线性模组2沿X轴方向滑动，所述的制X轴线性模组2两端分别与两组相互平行的Y轴线性模组1传动连接。

本实施例中，X轴线性模组2两端底部分别与Y轴滑块16固定连接，所述的Y轴滑块16与Y轴线性模组1传动连接，第一步进电机3.1的输出轴与同步杆21传动连接，所述的同步杆21用于带动两组Y轴线性模组1同步运动。

本实施例中，X轴滑块6与悬臂支架5底端固定连接，所述的悬臂支架5的顶端固定安装有第一减速电机4.1，所述的第一减速电机4.1的输出轴与主悬臂7一端传动连接诶，所述的主悬臂7另一端与次悬臂10相互垂直固定连接，次悬臂10固定安装有第二减速电机4.2，所述的第二减速电机4.2与进给轴线性模组9传动连接，所述的进给轴线性模组9与第三步进电机3.3传动连接，所述的进给轴线性模组9与进给轴滑块11传动连接。

本实施例中，第一步进电机3.1通过第一传动器8.1与Y轴线性模组1传动连接，所述的第二步进电机3.2通过第二传动器8.2与X轴线性模组2传动连接，所述的第三步进电机3.3通过第三传动器8.3与进给轴线性模组9传动连接；所述的第一减速电机4.1的输出轴与主悬臂7一端通过法兰轴固定连接，所述的第二减速电机4.2的输出轴与进给轴线性模组9通过法兰轴固定连接。

进一步的，两组Y轴线性模组1通过同步杆21的设置能够实现同步传动，能够带动校准模块13或钻孔模块在Y轴方向上移动，X轴线性模组2能够带动校准模块13或钻孔模块在X轴方向上移动。同理，第一步进电机3.1和第二步进电机3.2能够带动动校准模块13或钻孔模块在两个不同平面内转动，且进给轴线性模组9能够带动校准模块13或钻孔模块沿轴向伸缩运动，通过Y轴线性模组1、X轴线性模组2、第一步进电机3.1、第二步进电机3.2和进给轴线性模组9能够计算出校准模块13或钻孔模块端部的空间坐标。

本实施例中，如图4所示，校准模块13包括标定旋钮133、外套筒131、内套筒132、针式微动开关134，所述的外套筒131外套在内套筒132外表面，所述的针式微动开关134设置在内套筒132底端，所述的针式微动开关134轴向与内套筒132轴向平行，所述的针式微动开关134相对内套筒132中心轴偏心设置，所述的内套筒132顶端同轴安装有刻有刻度的标定旋钮133；所述的内套筒132中心轴底端安装有摄像头136，所述的摄像头136用于采集工件23表面钻削点位置。

进一步的，针式微动开关134与所述中心轴形成偏心距，一般偏心距为2.5mm，通过标定旋钮133带动针式微动开关134转动，以15度为间隔测量排列在半径为偏心距的圆环上的24个采样点，并以该24个采样点的数据通过最小二乘法拟合出钻孔处表面的切平面，以及待钻孔的轴线位置，在所述校准臂的驱动下调整钻孔模块的中轴线与标定后待钻孔的轴线重合。摄像头136用于在辅助校准模块13快速移动到预定位置

本实施例中，钻孔模块包括电机17和钻头18，所述的钻头18与电机17的输出轴传动连接。

进一步的，当校准模块13完成校准得到钻孔处表面的切平面后，通过相关坐标，通过控制臂完成对电机17工作位置的调整，使钻头18垂直钻孔处表面的切平面，穿过钻削点完成钻孔。

本实施例中，外套筒131或电机17与托架19可拆卸连接，所述的托架19与进给轴滑块11固定连接。所述的外套筒131或电机17穿过托架19的导向孔，紧定螺钉20由侧面穿过导向孔对外套筒131或电机17进行固定，其中外套筒131外侧壁沿轴向设置有导向槽135，所述的导向槽135用于安装校准模块13时起导向作用。

本实施例中，Y轴线性模组1底部安装有若干吸盘支撑架22，所述的吸盘支撑架22的端部安装有真空吸盘15。真空吸盘15与工件23表面接触，并在抽真空后为装置提供稳定的附着力；所述吸盘支撑架22在真空吸盘15工作时与工件23表面接触，提供可靠的支撑定位。

该装置在使用时，先用清洁布擦去工件表面的污物，将装置放置于合适位置，将运动平台与校准臂回零点位置。随后，通过计算机控制X轴滑块6和Y轴滑块16移动至合适位置，借助摄像头136辅助进行精确定位，将校准模块13安装在托架19上，旋紧紧定螺钉20。通过计算机发送校准指令，进给轴滑块11带动托架19以及校准模块13向下进给，当针式微动开关135触碰到工件23表面时计算机记录下此时的位置信息，并收回传感器，完成一个循环的测量后，手动拨动标定旋钮133，将偏心放置于校准模块内筒的针式位置传感器134转动15度，如此往复24次完成标定。计算机将采集得到的24个圆环形的位置信息转换为坐标信息，使用最小二乘法拟合得到切削位置的切平面，并将该切平面过切削中心点法线的位置信息发送给校准臂，校准臂的两组高精度减速电机将钻削模块中轴线调整至校准后的位置。将钻孔模块更换上装置，计算机发送指令，电钻主轴开始以10000r/min以上的速度转动，同时进给轴滑块开始推动钻头移动至起始位置，而后以0.1mm为一步，向下往复进给至1mm深度。

该种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置通过校准臂的特殊结构完成对于待测区域三维坐标的测量，并最小二乘拟合得到切削位置的切平面，实现切削轴的校准功能，大大降低了操作难度，单人即可完成全部操作。同时，消除了底座安装误差与待测件表面不平整所引入的附加误差，大幅提升了残余应力测试效率，减轻劳动者的劳动强度。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征是：包括X轴线性模组（2）、Y轴线性模组（1）、主悬臂（7）、次悬臂（10）、进给轴线性模组（9）和托架（19）；

所述的X轴线性模组（2）用于带动托架（19）沿X轴方向运动，

所述的Y轴线性模组（1）用于带动托架（19）沿X轴方向运动，

所述的主悬臂（7）用于带动托架（19）在XOZ平面内转动，

所述的次悬臂（10）用于带动托架（19）在YOZ平面内转动，

所述的进给轴线性模组（9）用于带动托架（19）沿进给轴线性模组（9）的轴向运动；

所述的托架（19）用于与校准模块（13）或钻孔模块可拆卸连接；

所述的校准模块（13）用于获取工件（23）钻削点周围的切平面；

所述的钻孔模块用于穿过钻削点并垂直于钻削点周围的切平面对待测材料进行钻孔。

2.如权利要求1所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的X轴线性模组（2）与第二步进电机（3.2）传动连接，X轴滑块（6）与X轴线性模组（2）传动连接，所述的第二步进电机（3.2）通过控制X轴线性模组（2）的运动方向进而带动轴线性模组（2）沿X轴方向滑动，所述的制X轴线性模组（2）两端分别与两组相互平行的Y轴线性模组（1）传动连接。

3.如权利要求2所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的X轴线性模组（2）两端底部分别与Y轴滑块（16）固定连接，所述的Y轴滑块（16）与Y轴线性模组（1）传动连接，第一步进电机（3.1）的输出轴与同步杆（21）传动连接，所述的同步杆（21）用于带动两组Y轴线性模组（1）同步运动。

4.如权利要求3所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的X轴滑块（6）与悬臂支架（5）底端固定连接，所述的悬臂支架（5）的顶端固定安装有第一减速电机（4.1），所述的第一减速电机（4.1）的输出轴与主悬臂（7）一端传动连接诶，所述的主悬臂（7）另一端与次悬臂（10）相互垂直固定连接，次悬臂（10）固定安装有第二减速电机（4.2），所述的第二减速电机（4.2）与进给轴线性模组（9）传动连接，所述的进给轴线性模组（9）与第三步进电机（3.3）传动连接，所述的进给轴线性模组（9）与进给轴滑块（11）传动连接。

5.如权利要求4所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的第一步进电机（3.1）通过第一传动器（8.1）与Y轴线性模组（1）传动连接，所述的第二步进电机（3.2）通过第二传动器（8.2）与X轴线性模组（2）传动连接，所述的第三步进电机（3.3）通过第三传动器（8.3）与进给轴线性模组（9）传动连接；所述的第一减速电机（4.1）的输出轴与主悬臂（7）一端通过法兰轴固定连接，所述的第二减速电机（4.2）的输出轴与进给轴线性模组（9）通过法兰轴固定连接。

6.如权利要求4所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的校准模块（13）包括标定旋钮（133）、外套筒（131）、内套筒（132）、针式微动开关（134），所述的外套筒（131）外套在内套筒（132）外表面，所述的针式微动开关（134）设置在内套筒（132）底端，所述的针式微动开关（134）轴向与内套筒（132）轴向平行，所述的针式微动开关（134）相对内套筒（132）中心轴偏心设置，所述的内套筒（132）顶端同轴安装有刻有刻度的标定旋钮（133）；所述的内套筒（132）中心轴底端安装有摄像头（136），所述的摄像头（136）用于采集工件（23）表面钻削点位置。

7.如权利要求6所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的钻孔模块包括电机（17）和钻头（18），所述的钻头（18）与电机（17）的输出轴传动连接。

8.如权利要求7所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的外套筒（131）或电机（17）与托架（19）可拆卸连接，所述的托架（19）与进给轴滑块（11）固定连接。

9.如权利要求3所述的一种基于钻孔法的快速校准残余应力测试钻孔装置，其特征在于：所述的Y轴线性模组（1）底部安装有若干吸盘支撑架（22），所述的吸盘支撑架（22）的端部安装有真空吸盘（15）。

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