一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷?位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，屬于材料力學(xué)性能測試技術(shù)領(lǐng)域。該測量系統(tǒng)包括機械部分和電氣控制部分，機械部分負責(zé)提供壓力制造壓痕，電氣控制部分負責(zé)控制直線電機運動和采集、處理數(shù)據(jù)。直線電機運動帶動壓頭制造壓痕，載荷傳感器和位移傳感器分別測量施加于壓頭的載荷和壓頭移動的位移，載荷和位移數(shù)據(jù)分別通過二通道模擬量輸入電子模塊和SSI電子模塊傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。通過由編程軟件Delphi 7開發(fā)的“IBIS2015載荷?位移數(shù)據(jù)采集程序”，使計算機能夠與伺服直線電機、位移傳感器、載荷傳感器通過網(wǎng)關(guān)進行串行通信，完成控制電機運動的控制和相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作。
【專利說明】
一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料力學(xué)性能測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前測定金屬材料常規(guī)力學(xué)性能(如彈性模量、加工硬化指數(shù)、屈服強度、抗拉強度、硬度等)包括直接法和間接法兩大類，這兩大類方法中又涉及到多種不同的材料性能測試或估算方法。在直接法中包括有破壞型和無損型兩大類。破壞型包括利用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣測量、利用微型拉伸試樣測量、利用微剪切(單孔型或雙孔型)測量、利用微沖壓測量;無損型主要是利用示值壓痕技術(shù)(Instrumented indentat1n technique，也稱儀器化壓痕技術(shù))測量。間接法中包括實驗和模擬兩大類，實驗型的可以利用裂紋、韌性、腐蝕來測量，模擬型的則利用物理模擬或者數(shù)值模擬方法來測量。
[0003]在上述方法中，示值壓痕技術(shù)由于對結(jié)構(gòu)的非破壞性而受到重視，本發(fā)明涉及的壓痕測試裝置即是基于上述方法中的無損型微米級壓痕技術(shù)，通過測量壓頭壓入過程中施加的載荷大小和壓入深度，獲得相應(yīng)的壓入載荷-位移曲線，進而可通過合適的數(shù)學(xué)模型和算法計算出材料的壓痕硬度、彈性模量、屈服強度等力學(xué)性能指標(biāo)。
[0004]基于納米壓痕技術(shù)的納米壓痕儀壓入深度一般控制在納米級別，主要用于涂層和薄膜材料的性能測試，由于對樣品表面狀態(tài)、工作環(huán)境等要求十分嚴(yán)格，納米壓痕完全不適合現(xiàn)場應(yīng)用，同時高昂的價格也限制了納米壓痕儀的廣泛應(yīng)用。
[0005]基于微米級壓痕技術(shù)的壓痕測試裝置不需要苛刻的工作環(huán)境，對試樣表面的粗糙度要求低，更容易制樣，單次的測試時間和數(shù)據(jù)分析僅需要幾分鐘就能完成。本發(fā)明相比現(xiàn)有的力學(xué)性能壓痕測試裝置，具有測量系統(tǒng)更加可靠，精度更高，控制功能更加豐富等特點。
[0006]申請?zhí)枮?01020299023.4的中國專利公開了一種便攜性的壓痕測試系統(tǒng)，可以直接應(yīng)用于現(xiàn)場測試，但是上述壓痕測試系統(tǒng)存在一定的問題。例如:采用LVDT位移傳感器易于受溫度和電磁的干擾，影響其測量精度；由于過于注重設(shè)備的便攜性，直線電機的性能較差，沒有間隙消除功能，同時加載時間稍長就會產(chǎn)生高溫;在數(shù)據(jù)采集方面，只能采集載荷-位移圖像或載荷-時間和位移-時間圖像，不能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)壓痕測試的要求。
[0007]申請?zhí)枮?2814373.6的中國專利公開了一種利用FEA方法評價材料性能的壓痕系統(tǒng)。上述壓痕測試系統(tǒng)存在一定的問題。例如:步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，而本測試過程就是需要在低速下測量，很容易造成測量的誤差，選用伺服電機就能避免這個問題;步進電機的速度響應(yīng)要比伺服電機差很多，在下壓停止時，步進電機速度響應(yīng)慢會使得測得的位移值偏大，影響精度;上述系統(tǒng)將步進電機直線運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)和消除間隙機構(gòu)安裝與電機外部，安裝的精度會直接影響電機的直線性能，而在本發(fā)明中選用伺服直線電機，并將直線運動單元和間隙消除單元直接集成與電機內(nèi)部，不僅安裝簡便，而且精度更高。上述系統(tǒng)選用量程為4mm的激光位移傳感器，上述量程過小，對被測材料的尺寸有很大的限制，而在本發(fā)明中選用量程為10mm的電感式直線位移傳感器，能滿足不同尺寸材料和試樣的測量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有金屬材料力學(xué)性能測量裝置中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下使用。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]—種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，計算機與伺服直線電機通過RS485進行串行通信，與載荷/位移傳感器通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器(網(wǎng)關(guān))進行TCP/IP通信;該測量系統(tǒng)即為壓痕制造和測量裝置，是由機械部分和電氣部分組成;所述機械部分包括伺服直線電機、中間連接板、壓頭、壓頭柄、載荷傳感器、位移傳感器和支撐板，其中:
[0011]所述伺服直線電機通過螺釘固定在中間連接板上，中間連接板中部開有孔，伺服直線電機的運動絲杠端部從中間連接板中部的孔中伸出，運動絲杠端部通過連接頭與載荷傳感器相連接;所述伺服直線電機為一體化滾柱絲桿直線電動伺服執(zhí)行器，交流供電的伺服驅(qū)動器、數(shù)字定位控制器、無刷伺服電機、直線運動單元集成在一個完全密封的單元內(nèi)；該電機上還設(shè)有直線導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置的一端通過夾緊螺絲與電機絲杠固定，另一端與固定于電機一側(cè)的導(dǎo)向機構(gòu)連接，以保證絲杠直線運動，不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
[0012]所述載荷傳感器的下部與壓頭柄連接，壓頭柄上安裝壓頭，所述伺服直線電機絲杠的上下運動帶動壓頭作相應(yīng)運動，壓頭用于與被測材料接觸并制造壓痕;所述壓頭為直徑為0.5-1.0mm的硬質(zhì)合金球形壓頭。
[0013]所述支撐板的一端利用螺紋夾緊裝置固定在壓頭柄上，支撐板的另一端與位移傳感器的導(dǎo)桿連接；
[0014]所述(電感式)位移傳感器用于測定壓頭運動的位移大小，位移傳感器固定于伺服直線電機側(cè)壁上，位移傳感器的滑塊通過導(dǎo)桿穿過中間連接板上的孔并與支撐板相連。
[0015]該測量系統(tǒng)還包括下部底板，下部底板通過四個支柱與中間連接板進行連接固定;工作時，將被測金屬材料放于下部底板上，伺服直線電機驅(qū)動絲杠上下運動，就會帶動壓頭進行相應(yīng)運動，壓頭壓入放置于下部底板上的被測材料，從而實現(xiàn)壓痕的制造與載荷的測量。
[0016]該測量系統(tǒng)的電氣部分包括伺服電機驅(qū)動器(集成于伺服電機內(nèi)部)、網(wǎng)關(guān)、SSI電子模塊、二通道模擬量輸入電子模塊和計算機;計算機通過USB-RS485數(shù)據(jù)線向伺服直線電機驅(qū)動器發(fā)送M0DBUS/TCP通訊指令，控制伺服直線電機運動;位移傳感器和載荷傳感器分別通過SSI電子模塊和二通道模擬量輸入電子模塊與網(wǎng)關(guān)相連，計算機發(fā)送命令并通過網(wǎng)關(guān)獲得位移和載荷傳感器的實時數(shù)據(jù)。同時計算機也是數(shù)據(jù)處理的工具。
[0017]計算機的控制功能是通過計算機分別與伺服電機驅(qū)動器和網(wǎng)關(guān)通信實現(xiàn)的，使用由編程軟件Delphi7開發(fā)的“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”作為操作界面。
[0018]所述“IBIS2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”具有選擇串口的功能，具有選擇網(wǎng)關(guān)地址的功能，具有選擇使用壓力控制或位移控制的功能，具有實時顯示伺服直線電機和數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)的功能，具有能調(diào)整電機下壓速度的功能，具有自動判斷壓頭接觸材料表面的功能，具有通過網(wǎng)關(guān)讀取載荷和位移數(shù)據(jù)的功能，具有實時顯示載荷-位移關(guān)系曲線的功能，具有實時顯示載荷和位移隨時間變化的功能。
[0019]本發(fā)明具有如下的積極效果及優(yōu)點:
[0020]1.本發(fā)明采用了一體化的伺服直線電機，結(jié)構(gòu)緊湊，電機不會受到外部環(huán)境的影響，同時電機采用了滾柱絲杠機構(gòu)代替滾珠絲杠機構(gòu)，精度更高，傳力更加穩(wěn)定。
[0021]2.伺服直線電機的直線導(dǎo)向裝置采用夾緊螺絲，安裝可靠，拆卸簡單，利于裝配與維護。
[0022]3.電感式位移傳感器讀數(shù)精度為Ιμπι，不受溫度和電磁干擾，傳感器滑塊安裝簡便，利于后期維護。
[0023]4.采用了分布式控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的可靠性和抗干擾性進一步提高，而且在維護的時候操作更加簡便。
[0024]5.軟件“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”具有自動識別串口的功能和輸入網(wǎng)關(guān)地址的功能，用戶可以根據(jù)實際需要選擇控制方式，操作簡單。
[0025]6.軟件“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”具有顯示伺服直線電機、載荷傳感器、位移傳感器工作狀態(tài)的功能，由于伺服電機、位移傳感器和載荷傳感器的響應(yīng)時間并不一樣，工作狀態(tài)的實時顯示能減少數(shù)據(jù)讀取上的錯誤。
[0026]7.軟件“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”具有自動控制整個測試過程的功能，壓頭與被測試樣接觸判斷，最大壓力或者位移判斷，達到最大試驗力后保持一定時間，自動卸載等。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明機械部分結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明電器原理框圖；
[0029]圖3為某次試驗顯示的程序軟件控制界面。
[0030]圖中:1-伺服直線電機;2-直線導(dǎo)向裝置;3-導(dǎo)向機構(gòu);4-連接頭;5-載荷傳感器；6-球形壓頭;7-壓頭柄;8-支撐板;9-導(dǎo)桿;10-滑塊;11-位移傳感器；12-固定板;13-中間連接板;14_下部底板;15-支柱。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明:
[0032]本發(fā)明為使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移曲線壓痕測試系統(tǒng)，如圖1-2所示。該測試系統(tǒng)包括機械部分和電氣部分，計算機分別與伺服直線電機進行RS485串行通信和與載荷/位移傳感器通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器(網(wǎng)關(guān))進行TCP/IP通信。
[0033]機械部分包括伺服直線電機(I)、球形壓頭(6)、壓頭柄(7)、載荷傳感器(5)和位移傳感器(11)。
[0034]伺服直線電機(I)為美國EXLAR公司的TritexII AC T2M075型一體化滾柱絲杠直線電動伺服執(zhí)行器，此伺服直線電機將交流供電的伺服驅(qū)動器、數(shù)字定位控制器、無刷伺服電機、直線運動單元集成在一個完全密封的單元內(nèi)。該電機上設(shè)置有直線導(dǎo)向裝置(2)，所述直線導(dǎo)向裝置的一端通過夾緊螺絲與伺服直線電機絲杠端部固定，另一端與固定于伺服直線電機一側(cè)的導(dǎo)向機構(gòu)(3)連接，以保證絲杠直線運動，不會發(fā)生周向運動。
[0035]伺服直線電機(I)通過螺釘與中間連接板(13)連接，實現(xiàn)固定。中間連接板(13)中部開有孔，可以讓伺服直線電機(I)的絲杠端部伸出，絲杠端部可以通過連接頭(4)與載荷傳感器(5)相連接，本實施例中載荷傳感器(5)為美國CELTR0N公司的PSD-1TSJTT型載荷傳感器，最大載荷10KN。
[0036]載荷傳感器(5)的下部與壓頭柄(7)連接，壓頭柄的一端安裝有壓頭(6)，用于與被測材料接觸制造壓痕，支撐板(8) —端利用螺紋夾緊裝置固定在壓頭柄(7)上，另一端用于與位移傳感器的導(dǎo)桿(9)連接。
[0037]位移傳感器(11)為德國TURCK公司的Li_Q25L型電感式直線位移傳感器，量程為100mm，分辨率為lum。位移傳感器固定于伺服直線電機側(cè)壁上的固定板(12)上，滑塊(10)通過導(dǎo)桿(9)穿過中間連接板(13)上的孔與連接在壓頭柄(7)上的支撐板(8)相連，用于測定壓頭運動的位移大小。
[0038]該測量系統(tǒng)還包括下部底板，下部底板通過四個支柱15與中間連接板13進行連接固定;工作時，將被測材料放于下部底板(14)上，伺服直線電機(I)驅(qū)動絲杠上下運動，就會帶動壓頭上下運動，壓入放于底板上的被測材料，從而實現(xiàn)壓痕的制造與載荷-位移的測量。
[0039]電氣部分由伺服電機驅(qū)動器(集成于電機內(nèi)部)、網(wǎng)關(guān)、SSI電子模塊、二通道模擬量輸入電子模塊、計算機等組成。
[0040]計算機通過USB-RS485數(shù)據(jù)線向伺服直線電機驅(qū)動器發(fā)送M0DBUS/TCP通訊指令，可以控制伺服直線電機運動，包括快速下壓、加載、卸載、停止等多種運動形式。
[0041 ] 位移傳感器通過TURCK公司的BL20-SSI電子模塊與網(wǎng)關(guān)連接。載荷傳感器先通過LASCAUX公司的DT70數(shù)字式重量變送器將應(yīng)變片變形轉(zhuǎn)化為電流信號，然后再通過與TURCK公司的BL20-2A1-1 二通道模擬量輸入電子模塊與網(wǎng)關(guān)連接。計算機可以通過雙絞線與網(wǎng)關(guān)連接，通過發(fā)送MODBUS通訊指令實現(xiàn)載荷和位移傳感器實時數(shù)據(jù)的獲取。
[0042]圖3為某次實驗結(jié)束后顯示的載荷-位移曲線示意圖。從圖中可以看出，通過本發(fā)明所測的壓入載荷-位移曲線采集點數(shù)滿足計算要求，無延遲。在p-h圖中，位于下方的一條曲線(灰色曲線)為原始的測得數(shù)值，位于上方的一條曲線(黑色曲線)去除系統(tǒng)剛度后的P-h圖像。
[0043]本發(fā)明所述的壓痕測量裝置機械部分安裝可靠性高，而且便于后期維護，電氣部分安裝簡便，數(shù)據(jù)抗干擾性強，使用PC機上運行的“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”作為操作和觀察界面，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)壓痕的自動制造與測量，而且能夠獲得更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，為利用載荷-位移曲線評估材料力學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。
【主權(quán)項】
1.一種使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)中，計算機與伺服直線電機通過RS485進行串行通信，與載荷/位移傳感器通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器進行TCP/IP通信，其特征在于:該測量系統(tǒng)即為壓痕制造和測試裝置，包括伺服直線電機、中間連接板、壓頭、壓頭柄、載荷傳感器、位移傳感器和支撐板，其中: 所述伺服直線電機通過螺釘固定在中間連接板上，中間連接板中部開有孔，伺服直線電機的運動絲杠端部從中間連接板中部的孔中伸出，運動絲杠端部通過連接頭與載荷傳感器相連接； 所述載荷傳感器的下部與壓頭柄連接，壓頭柄上安裝壓頭，所述伺服直線電機絲杠的上下運動帶動壓頭作相應(yīng)運動，壓頭用于與被測材料接觸并制造壓痕； 所述支撐板的一端利用螺紋夾緊裝置固定在壓頭柄上，支撐板的另一端與位移傳感器的導(dǎo)桿連接； 所述位移傳感器用于測定壓頭運動的位移大小，位移傳感器固定于伺服直線電機外殼側(cè)壁上，位移傳感器的滑塊通過導(dǎo)桿與支撐板相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:該測量系統(tǒng)還包括下部底板，下部底板通過支柱與中間連接板進行連接固定;工作時，將被測金屬材料放于下部底板上，伺服直線電機驅(qū)動絲杠上下運動，就會帶動壓頭進行相應(yīng)運動，壓頭壓入放置于下部底板上的被測材料，從而實現(xiàn)壓痕的制造與載荷的測量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述伺服直線電機為一體化滾柱絲杠直線電動伺服執(zhí)行器，交流供電的伺服驅(qū)動器、數(shù)字定位控制器、無刷伺服電機、直線運動單元集成在一個完全密封的單元內(nèi)；該電機上還設(shè)有直線導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置的一端通過夾緊螺絲與電機絲杠固定，另一端與固定于電機一側(cè)的導(dǎo)向機構(gòu)連接，以保證絲杠直線運動，不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述壓頭為直徑為0.5-1.0mm的硬質(zhì)合金球形壓頭。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:該測量系統(tǒng)還包括電氣部分，所述電氣部分包括伺服電機驅(qū)動器、網(wǎng)關(guān)、SSI電子模塊、二通道模擬量輸入電子模塊和計算機;所述電氣部分中，計算機通過USB-RS485數(shù)據(jù)線向伺服直線電機驅(qū)動器發(fā)送MODBUS/TCP通訊指令，控制伺服直線電機運動;載荷傳感器和位移傳感器分別通過二通道模擬量輸入電子模塊和SSI電子模塊與網(wǎng)關(guān)相連，計算機通過網(wǎng)關(guān)獲得載荷和位移傳感器的實時數(shù)據(jù)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:計算機的控制功能是通過計算機分別與伺服電機驅(qū)動器和網(wǎng)關(guān)通信實現(xiàn)的，使用由編程軟件Delphi7開發(fā)的“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”作為操作界面。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用計算機控制的金屬材料壓入載荷-位移數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述“IBIS 2015載荷-位移數(shù)據(jù)采集程序”具有選擇串口的功能，具有選擇網(wǎng)關(guān)地址的功能，具有選擇使用壓力控制或位移控制的功能，具有實時顯示伺服直線電機和數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)的功能，具有能粗調(diào)定位的功能，具有自動判斷壓頭接觸材料表面的功能，具有通過網(wǎng)關(guān)讀取載荷和位移數(shù)據(jù)的功能，具有實時顯示載荷-位移關(guān)系曲線的功能，具有實時顯示載荷-時間和位移-時間關(guān)系曲線的功能。
【文檔編號】G01N3/02GK105842095SQ201610166188
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】陳懷寧, 趙帥捷, 李東旭, 闞盈, 陳靜
【申請人】中國科學(xué)院金屬研究所