本發(fā)明屬于巖土材料測試儀器領(lǐng)域，特別涉及一種提取土體微觀結(jié)構(gòu)圖像的切削土體微結(jié)構(gòu)的裝置。

背景技術(shù)：

地基的穩(wěn)定和變形是涉及到土木工程安全的重要問題，針對地基的穩(wěn)定和變形問題，當(dāng)前學(xué)術(shù)界在土體的宏觀、細觀尺度上已經(jīng)進行了諸多研究，但土體的微觀結(jié)構(gòu)研究相對較少，從土體的微觀尺度上洞察其結(jié)構(gòu)屬性，對于更深入地理解地基以及防范坍塌具有重要意義。

目前土體微觀屬性檢測的研究方法大多應(yīng)用掃描電子顯微鏡拍攝表面圖像，具有分辨率高、景深相對較大的優(yōu)點，但是操作復(fù)雜，只能取樣到實驗室中進行，在一定程度上不能滿足現(xiàn)場測試的需要，而且只能觀測土體的表面微結(jié)構(gòu)。

顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器，目前已應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，尤其是在生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，實驗教學(xué)等領(lǐng)域。利用光學(xué)顯微鏡對土體的表層進行觀察時，由于高倍率顯微鏡的成像景深極小，只能對位于焦平面內(nèi)的二維土體微結(jié)構(gòu)清晰成像，而偏離焦平面的微結(jié)構(gòu)成像模糊，這對收集土體三維微結(jié)構(gòu)信息帶來了困難。如果能夠?qū)ν馏w的微結(jié)構(gòu)進行層切，然后對每個分層平面進行觀察和定位，再借助圖像處理技術(shù)則可以實現(xiàn)重建土體內(nèi)部三維微結(jié)構(gòu)，從而獲取其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)，將為工程決策和質(zhì)量改善提供豐富的信息。

為此，設(shè)計一套高精度的切削土體微結(jié)構(gòu)的裝置是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種切削土體微結(jié)構(gòu)的裝置，能夠以微米級的分辨率和精度對土體內(nèi)部的顆粒、孔隙等結(jié)構(gòu)進行剖切，形成剖切平面。

為達到本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下：

一種切削土體微結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于，所述切削土體微結(jié)構(gòu)的裝置包括機箱、微動精密定位平臺、土體試樣夾持器、高速銑削機構(gòu)、伺服驅(qū)動器、控制板，所述微動精密定位平臺固定在所述機箱的底部，所述高速銑削機構(gòu)固定在所述機箱的上部，所述土體試樣夾持器固定在所述微動精密定位平臺上同時位于所述高速銑削機構(gòu)的下方，所述微動精密定位平臺與所述伺服驅(qū)動器電性連接，所述高速銑削機構(gòu)及所述伺服驅(qū)動器與控制板電性連接；所述控制板發(fā)出指令控制所述微動精密定位平臺沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸方向做微米級運動，并通過所述土體試樣夾持器使土體相對于所述高速銑削機構(gòu)做微運動，從而以微米級分辨率和精度對土體內(nèi)部的顆粒、孔隙等結(jié)構(gòu)進行剖切，形成剖切平面。

進一步地，所述機箱包括基座和橫梁，基座用于安裝固定微動精密定位平臺、伺服驅(qū)動器和控制板，橫梁位于機箱的上部，用于安裝固定高速銑削機構(gòu)。

進一步地，所述微動精密定位平臺由三組電動滑臺疊加裝配 而成，實現(xiàn)X、Y、Z三軸精密微運動，每一組電動滑臺由滑塊、導(dǎo)軌、精密絲杠、伺服電機構(gòu)成，在控制板和伺服驅(qū)動器的控制下以微米級精度運動，其中X、Z軸方向的運動使土體試樣的剖切面對準銑刀，Y軸方向的微運動使試樣進給量為微米級，實現(xiàn)對土體試樣的微結(jié)構(gòu)剖切。

進一步地，高速銑削機構(gòu)由交流電機、筒夾、高速銑刀構(gòu)成，高速銑刀采用鎢鋼制銑刀，銑削速度達到20000轉(zhuǎn)/分鐘，使銑削面形成的剖切面盡可能平整。

進一步地，所述土體試樣夾持器固定在微動精密定位平臺上，用于夾持待測的土體試樣。

進一步地，所述控制板和所述伺服驅(qū)動器安裝在機箱的前部，控制板由控制器、人機交互模塊、輸入輸出接口、電源模塊組成，其中，所述控制器采用PLC，人機交互模塊由觸摸屏、顯示器、指示燈組成，所述輸入輸出接口用于接收控制器的指令并傳遞給伺服驅(qū)動器和高速銑削機構(gòu)；所述伺服驅(qū)動器接收所述控制器發(fā)出的控制指令，并向伺服電機輸出功率。

本發(fā)明的優(yōu)點為：

本發(fā)明裝置基于精密定位平臺和實時性控制器，微動定位和銑削精度較高，可對土體試樣的微結(jié)構(gòu)進行內(nèi)部分層，為檢測土體的微觀屬性提供條件。

本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)緊湊，便于放置到工程現(xiàn)場對土體進行剖切。

本發(fā)明裝置操作方便，自動化程度較高，便于推廣應(yīng)用。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是構(gòu)成精密定位平臺的電動滑臺和伺服電機；

圖2、圖3、圖4分別是裝置中X、Y、Z軸精密定位平臺；

圖5是裝置中的土體試樣夾持器；

圖6是裝置中的精密定位平臺與夾持器的裝配體；

圖7是裝置中的機箱；

圖8是裝置中的精密定位平臺、夾持器、機箱的裝配體；

圖9是裝置中的高速銑削機構(gòu)；

圖10是裝置中的精密定位平臺、夾持器、機箱及高速銑削機構(gòu)的裝配體；

圖11是裝置中的精密定位平臺、夾持器、機箱及高速銑削機構(gòu)的裝配體的前視圖，其中，A1：機箱；A2：橫梁；B1：X軸微動平臺及伺服電機；B2：Z軸微動平臺及伺服電機；B3：Y軸微動平臺及伺服電機；C1：試樣夾持器；D1：高速銑削機構(gòu)的電機；D2：銑刀；

圖12是控制板和伺服驅(qū)動器；以及

圖13是整機裝配圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1-13詳細說明本發(fā)明的使用方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于 限制本發(fā)明。

本發(fā)明裝置的裝配過程為：首先，利用圖1所示的電動滑臺作為X軸、Y軸、Z軸精密定位平臺，如圖2、圖3、圖4所示，與圖5所示的土體試樣夾持器C1裝配起來形成如圖6所示的裝配體。然后，將圖6所示的裝配體安裝固定于圖7所示的機箱A1中，如圖8所示。接著，裝上機箱A1上部的橫梁A2，并將圖9所示的高速銑削機構(gòu)D1安裝固定于橫梁A2上，形成的裝配體如圖10所示，其前視圖如圖11所示。最后，將圖12所示的控制板和伺服驅(qū)動器安裝到機箱A1前部，完成整機裝配，如圖13所示。

設(shè)備使用：

在關(guān)閉電源的情況下，將土體試樣固定在試樣夾持器C1中；

將高速銑刀安裝到銑削機構(gòu)D1的筒夾中并鎖緊；

打開電源，在控制板的觸摸屏上輸入銑削電機啟動指令并調(diào)整合適的轉(zhuǎn)速；

在控制板的觸摸屏上輸入精密定位平臺運動指令，使銑刀D2剛好接觸試樣；

在控制板的觸摸屏上輸入剖切層數(shù)設(shè)定值和剖切啟動指令，使系統(tǒng)進入剖切模式，此時以5微米步距進給銑削第一個剖切面并記憶該剖切面的位置，然后降低試樣和移除試樣進行檢測，檢測完畢將試樣移動到記憶的位置，再以5微米步距進給銑削第二個剖切面并記憶該剖切面的位置，如此重復(fù)直到完成所設(shè)定剖切層數(shù)的銑削并降低試樣；

在控制板的觸摸屏上輸入銑削電機停止指令，卸下銑刀D2，最后關(guān)閉電源。

所述微動精密定位平臺固定在所述機箱A1的底部，所述高速銑削機構(gòu)D1固定在所述機箱A1的上部，所述土體試樣夾持器C1固定在所述微動精密定位平臺上同時位于所述高速銑削機構(gòu)D1的下方，所述微動精密定位平臺與所述伺服驅(qū)動器電性連接，所述高速銑削機構(gòu)D1及所述伺服驅(qū)動器與控制板電性連接；所述控制板發(fā)出指令控制所述微動精密定位平臺沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸方向做微米級運動，并通過所述土體試樣夾持器C1使土體相對于所述高速銑削機構(gòu)D1做微運動，從而以微米級分辨率和精度對土體內(nèi)部的顆粒、孔隙結(jié)構(gòu)進行剖切，形成剖切平面。

以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。