專利名稱：一種使用pc機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及材料力學性能的測試裝置，具體為一種使用PC機控制的金屬材料載荷-位移曲線壓痕測試裝置。
背景技術：
目前測定金屬材料常規力學性能(如彈性模量、加工硬化指數、屈服強度、抗拉強度、硬度等)包括直接和間接法兩大類，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類型，現有技術領域中金屬材料力學性能檢測方法如圖4所示。在上述方法中，示值壓痕技術由于對結構的非破壞性而受到重視，本實用新型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，通過測量壓頭壓入過程中施加的載荷大小和壓入深度，獲得準確的載荷-位移曲線，進而通過合適的力學模型計算得到材料的壓痕硬度、彈性模量、屈服強度等力學性能指標。基于納米壓痕技術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、工作環境等要求十分嚴格，納米壓痕儀很難直接應用于工程現場。另外，高昂的價格也限制了納米壓痕儀的推廣應用。基于微米級壓痕技術的壓痕測試裝置不需要苛刻的工作環境，但是現有的一些力學性能壓痕測試裝置通常存在體積龐大、重量重、成本高等特點，不適合現場應用和工業推廣。中國專利申請號為201020299023. 4描述了一種便攜型壓痕性能測試系統，可以直接應用于工程現場。但該壓痕測試系統也存在一些問題。例如①所述壓痕測試系統使用觸摸屏作為操作界面，無法實時觀察載荷-位移曲線，數據在可編程控制器和觸摸屏之間的傳遞會引起數據失真現象，零點只能人工判斷，增大了人為因素對實驗過程的影響所述壓痕測試系統的機械部分位移傳感器暴漏在外面，位移傳感器測量桿與壓頭平齊，實驗過程中容易受到磕碰影響位移傳感器的穩定；③機械部分用于導向的滑塊和導向柱之間存在摩擦力，對載荷傳感器的測量有不利影響。
實用新型內容針對現有技術中存在的上述不足之處，本實用新型要解決的問題在于提供了一種使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置。本實用新型采用如下的技術方案一種使用PC機控制的金屬材料載荷-位移曲線壓痕測試裝置，包括機械部分和控制部分，該機械部分與控制部分通過數據傳輸線連接，其特征在于所述機械部分包括壓力傳感器和位移傳感器，機械部分的一端部設置有壓頭，所述壓頭固定在一壓頭柄的一端并穿過機械部分的底板，壓頭柄的另一端連接有壓力傳感器；所述機械部分的一端部設置有步進電機，所述步進電機通過電機的絲杠下端與壓力傳感器連接；[0011]位移傳感器通過L型位移傳感器支架與壓頭柄相平行相連，位移傳感器的測量桿位于機械部分的底板以上并與底板接觸，用于測定壓頭壓入被測材料表面的位移大小。進一步地，所述控制部分包括步進電機驅動器、可編程序控制器和PC機。其中可編程序控制器的輸出端連接所述步進電機驅動器的輸入端，所述步進電機驅動器的輸出端與所述機械部分的步進電機輸入端連接，驅動步進電機的運行，所述PC機與可編程序控制器通過數據線連接并互通信號，同時PC機也是數據處理工具。 所述機械部分的壓力傳感器與位移傳感器分別通過A/D數模轉化模塊與可編程序控制器的輸入端相連，并將轉換后的數據傳遞至可編程序控制器內。進一步地，所述PC機與可編程序控制器之間的數據線采用USB-RS232數據線。進一步地，所述步進電機為兩相混合式直線型步進電機，該電機上設置有導向裝置，所述導向裝置緊貼在步進電機下方并與步進電機連接成一體，步進電機的絲杠上有沿軸向的半圓形凹槽，導向裝置內與電機絲杠接觸部分有一半徑與絲杠上半圓形凹槽半徑相同的圓柱形銅條卡入半圓形凹槽內，二者配合防止電機周向轉動，實現電機導向。進一步地,所述半圓形凹槽的半徑為O. 5mm。進一步地，所述壓頭為直徑小于等于Imm的金剛石球形壓頭。進一步地，底板下面固定連接有磁性表座或固定支架，將該測試裝置機械部分固定在被測材料表面。經過重新設計的壓痕測試裝置分為機械部分和電氣部分，命名為“IBIT-2壓痕性能測試系統”，該機械部分與該電氣部分通過數據傳輸線連接。所述可編程控制器的RS-232端口與普通PC機的RS-232串口的針腳定義不完全相同，其中主要差別是普通PC機的RS-232串口為5號針接地，而所述可編程序控制器的RS-232端口為9號針接地，本實用新型中所用的數據線需要能夠將兩種不同的串口進行轉換，另外由于一些常用的便攜式PC機沒有RS-232串口，本實用新型選用了 USB-RS232的數據線，以利用普通PC機的USB 口進行串行通信。本實用新型具有如下的積極效果及優點1.位移傳感器安裝在壓痕測試裝置機械部分內部，每次試驗時挪動機械裝置都不會影響位移傳感器測量桿，位移傳感器穩定性更好，位移傳感器測量桿位于機械部分底板以上并與底板接觸，避免了位移傳感器受到外部影響。2.本實用新型壓痕測試裝置機械部分取消了現有技術中實際使用效果不大的定位裝置的使用，采用兩相混合式直線型步進電機，該步進電機上安裝了導向裝置，代替了“ IBIT-1壓痕測試系統(申請號為201020299023. 4)”中的導向柱和滑塊；步進電機自帶的導向裝置取代了原有的四根導向柱和套在導向柱上的滑塊，使得整個機械部分體積更小，提聞了便攜性。3. PC機在后續的數據處理過程中必不可少，使其作為可編程控制器的上位機，控制所述壓痕測試裝置，避免了觸摸屏的使用，降低了設備成本。4.使用PC機作為可編程序控制器的上位機，PC機借助開發的“Ρ-h數據采集程序”可以自動判斷壓頭接觸材料表面這一時刻的零點，相比之前的人工判斷，基本消除了由于操作人員反應時間等引起的判斷滯后現象，零點判斷更加準確。5.使用PC機作為可編程序控制器的上位機，直接從可編程序控制器內存區采集載荷、位移數據，避免了數據在可編程序控制器內存區和觸摸屏CF卡之間的傳遞，數據來源更加準確。6.使用PC機作為可編程序控制器的上位機，PC機可以利用開發的“P-h數據采集程序”實時顯示載荷-位移曲線，清楚觀察壓頭壓入和離開被測材料整個過程的壓力和位移變化。
圖1為本實用新型機械部分結構示意圖；圖2為本實用新型電氣原理框圖；圖3為使用觸摸屏作為人機界面時，不同的數據采集方式得到的載荷(P)、位移值(h)的比較，其中PLC (數據標志為三角形)代表可編程序控制器內存區中的數據，CF (數據標志為圓形)代表采自觸摸屏中的數據；圖4為現有技術領域中金屬材料力學性能檢測方法示意圖；圖5為某次試驗結束后直接導出的載荷-位移曲線示意圖。其中101、步進電機；102、絲杠；103、導向裝置；104、轉接頭；105、中間連接板；106、壓力傳感器；107、位移傳感器；108、L型位移傳感器支架；109、底板；110、壓頭柄；111、壓頭；112、磁性表座；113、凹槽。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行詳細的說明使用PC機控制的金屬材料載荷-位移曲線壓痕測試裝置，包括機械部分和控制部分，該機械部分與控制部分通過數據傳輸線連接。如圖1所示，機械部分包括壓力傳感器106和位移傳感器107，機械部分的一端部設置有壓頭111，壓頭111固定在一壓頭柄Iio的一端并穿過機械部分的底板109，壓頭柄110的另一端連接有壓力傳感器106 ;機械部分的另一端部設置有步進電機101，步進電機101通過電機的絲杠102下端與壓力傳感器106連接；步進電機101驅動絲杠的上下運動，帶動壓頭壓入被測材料表面。位移傳感器107通過L型位移傳感器支架108與壓頭柄110相平行相連，位移傳感器的測量桿位于機械部分的底板109以上并與底板109接觸，位移傳感器伴隨壓頭上下運動，可以測量壓頭壓入被測材料表面的位移大小。步進電機為兩相混合式直線型步進電機，該電機上設置有導向裝置103，所述導向裝置103緊貼在步進電機下方并與步進電機連接成一體，絲杠102穿過導向裝置103，步進電機的絲杠102上沿軸向設置有半圓形凹槽113，導向裝置內與絲杠接觸部分有一半徑與絲杠上半圓形凹槽半徑相同的圓柱形銅條(圖中未顯示)卡入半圓形凹槽內，當絲杠上下運動時，銅條卡在凹槽內相對滑動，二者配合防止電機周向轉動，實現電機導向。步進電機101固定在中間連接板105之上實現與機械部分的固定，本實施例中，絲杠102上沿軸向的半圓形凹槽半徑為O. 5mm,與導向裝置103內突起的一條半徑為O. 5mm的圓柱形銅條相配合，二者共同起到導向作用。絲杠102直徑為8mm，下端通過轉接頭104與壓力傳感器106相連接，本實施例中壓力傳感器的型號為NS-TH17型壓力傳感器，最大載荷200kg，分辨率10g，壓力傳感器106通過L型位移傳感器支架108與位移傳感器107相連，壓力傳感器106下端連接有壓頭柄110，位移傳感器107測量桿下端頭與底板109接觸，壓頭柄110穿過底板109，下端安裝有直徑小于等于1_的金剛石壓頭，底板下方可以固定有磁性表座112。工作時，最大吸力120Kg的磁性表座105將所述壓痕測試裝置機械部分固定在被測材料表面上，步進電機101運動通過壓頭柄110帶動壓頭111上下運動，實現加載、卸載目的，壓力傳感器106和位移傳感器107實時獲取載荷、位移數據。如果被測試材料是非磁性材料時，需要將磁性表座112更換為固定支架以達到固定機械部分的目的。如圖3所示，控制部分包括步進電機驅動器、可編程序控制器和PC機。其中可編程序控制器的輸出端連接步進電機驅動器的輸入端，步進電機驅動器的輸出端與所述機械部分的步進電機輸入端即負載連接，驅動步進電機的運行，PC機與可編程序控制器通過數據線進行串行通訊；機械部分的壓力傳感器與位移傳感器分別通過A/D數模轉化模塊與可編程序控制器的輸入端相連，并將轉換后的數據傳遞至可編程序控制器內。可編程序控制器將數據傳遞給PC機，在PC機的程序上經過數據處理。本實施例中可編程序控制器采用Omron公司CPlH-XA型，PC機與可編程序控制器通過數據線采用USB-RS232數據線連接。普通PC機的RS-232串口為5號針接地，而本實用新型的可編程控制器的RS-232端口為9號針接地，二者針腳定義不完全相同，所用數據線能夠實現這二者的轉換，同時本實用新型中使用的PC機沒有RS-232串口，選用USB-RS232數據線，以利用PC機的USB 口進行串行通信。如圖3所示，為使用觸摸屏作為人機界面時，不同的數據采集方式得到的載荷、位移值的比較，其中PLC (數據標志為三角形)代表可編程控制器內存區數據，CF (數據標志為圓形)代表觸摸屏CF卡中的數據；通過比較可知，采用本實用新型進行的數據采集方式得到的載荷、位移值比采用觸摸屏作為人機界面時，數值反應快，測量精度高。圖5為某次試驗結束后直接導出的載荷-位移曲線示意圖。從圖中可以看出，通過本實用新型所測的載荷-位移曲線無外界干擾，精度高，響應快。本實用新型所述壓痕測試裝置機械部分體積小、重量輕，并且使用PC機上運行的“P-h數據采集程序”作為操作和觀察界面，不僅增強了所述壓痕測試系統在工程現場的適應性，而且能夠獲得更加準確的數據，有利于所述壓痕測試系統更好更快地推廣應用。
權利要求1.一種使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，包括機械部分和控制部分，該機械部分與控制部分通過數據傳輸線連接，其特征在于所述機械部分包括壓力傳感器和位移傳感器，機械部分的一端部設置有壓頭，所述壓頭固定在一壓頭柄的一端并穿過機械部分的底板，壓頭柄的另一端連接有壓力傳感器；所述機械部分的另一端部設置有步進電機，所述步進電機通過電機的絲杠下端與壓力傳感器連接；步進電機驅動絲杠的上下運動，帶動壓頭壓入被測材料表面；位移傳感器通過L型位移傳感器支架與壓頭柄相平行相連，位移傳感器的測量桿位于機械部分的底板以上并與底板接觸，用于測定壓頭壓入被測材料表面的位移大小。
2.按照權利要求1所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，所述控制部分包括步進電機驅動器、可編程序控制器和PC機；其中可編程序控制器的輸出端連接所述步進電機驅動器的輸入端，所述步進電機驅動器的輸出端與所述機械部分的步進電機輸入端連接，驅動步進電機的運行，所述PC機與可編程序控制器通過數據線進行串行通訊；所述機械部分的壓力傳感器與位移傳感器分別通過A/D數模轉化模塊與可編程序控制器的輸入端相連，并將轉換后的數據傳遞至可編程序控制器內。
3.按照權利要求2所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，所述PC機與可編程序控制器之間的數據線采用USB-RS232數據線。
4.按照權利要求1所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，所述步進電機為兩相混合式直線型步進電機，該電機上設置有導向裝置，所述導向裝置緊貼在步進電機下方并與步進電機連接成一體，步進電機的絲杠上有沿軸向的半圓形凹槽，導向裝置內與電機絲杠接觸部分有一半徑與絲杠上半圓形凹槽半徑相同的圓柱形銅條卡入半圓形凹槽內，二者配合防止電機周向轉動，實現電機導向。
5.按照權利要求4所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，所述半圓形凹槽的半徑為O. 5mm。
6.按照權利要求1所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，所述壓頭為直徑小于等于Imm的金剛石球形壓頭。
7.按照權利要求1所述的使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，其特征在于，底板下面固定連接有磁性表座或固定支架，將該測試裝置機械部分固定在被測材料表面。
專利摘要本實用新型涉及材料力學性能測試裝置，具體為一種使用PC機控制的載荷-位移曲線壓痕測試裝置，包括機械部分和控制部分，機械部分負責制造壓痕，控制部分負責控制電機運動和采集、處理數據。電機運動帶動壓頭制造壓痕，壓力傳感器和位移傳感器分別測量施加于壓頭的壓力和壓頭移動的位移，數據經過A/D轉換傳輸到可編程控制器。PC機能夠與可編程控制器進行串行通信，完成控制電機運動和采集數據的工作。使用PC機控制的壓痕測試裝置能夠獲得更加準確的數據，并且具有很好的便攜性，可以直接應用于工程現場。
文檔編號G01N3/08GK202869895SQ201220515340
公開日2013年4月10日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者程建強, 陳懷寧, 李東旭, 陳靜, 劉貴新 申請人:中國科學院金屬研究所, 沈陽消應爆破工程有限公司