表面样品收集工具的制作方法
【专利摘要】一种用于从基板(112)去除表面部分的采样装置(10)。所述装置包括框架结构(16)和刀具头组件(12)。刀具头组件(12)包含：枢轴体(32)，具有支撑在框架结构上的枢轴点(108)处的第一端(42)；以及刀具，绕旋转轴线旋转地支撑在枢轴体(32)的第二端(46)处。刀具具有半椭圆形形状(70)，并且驱动电机可活动地连接到刀具(70)。枢轴点(108)相对于旋转轴线(AB)间隔定位。刀具(70)是可操作的，以绕枢轴点(108)在枢转运动期间切削基板(112)的表面部分。
【专利说明】表面样品收集工具
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于采集材料样品的装置，并且更具体地涉及用于去除基体材料的一部分表面用作测试样品的装置。
【背景技术】
[0002]常常需要通过去除一部分结构进行测试来分析结构的物理特性。特别是，包含了恶劣环境的、比如可设置在发电厂中的系统常常暴露于机械应力和热应力，其可能导致包含例如发电厂涡轮部件和管道等部件的劣化。
[0003]有必要提供一种用于确定各部件材料的条件以便于评估是否需要维护操作并且预测部件的有用寿命的手段。另外，有必要提供一种用于从部件中获得材料样品同时降低可能由材料的去除导致的不利影响的手段。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一方面，提供了一种用于从基板去除表面部分的采样装置。所述装置包括框架结构和刀具头组件。刀具头组件包括:枢轴体，具有支撑在框架结构上的枢轴点处的第一端；以及刀具，绕旋转轴线旋转地支撑在枢轴体的第二端处。刀具包括通过旋转具有圆形切削端的锥体而限定的形状。驱动电机可活动地连接到刀具，并且枢轴点相对于旋转轴线间隔定位。刀具是可操作的，以绕枢轴点在枢转运动期间切削基板的表面部分。
[0005]刀具的形状可包括半椭圆形形状，适于从基板去除椭圆形的表面部分。
[0006]枢轴点离开旋转轴线的距离可大于圆形切削端的半径。
[0007]驱动电机可相对于框架结构在纵向方向上移动，并且联接件可设置在驱动电机和枢轴体之间，联接件将驱动电机的纵向运动传递成枢轴体的枢转运动。
[0008]驱动轴可延伸为与联接件相邻，用于将旋转运动从驱动电机传递到刀具。
[0009]步进电机可活动地联接到驱动电机，以在纵向方向上移动驱动电机。
[0010]可提供调整构件，调整构件可相对于框架结构移动，以限定使刀具穿透基板的可调整预定深度。
[0011]可提供夹具构件，夹具构件包括安装到框架结构用于与基板接合的磁体。
[0012]框架结构可包含具有侧部的壳体组件，并且夹具构件可沿侧部可滑动地定位。可提供锁定构件，锁定构件适于将夹具构件沿侧部锁定至预定位置。
[0013]根据本发明的另一方面，提供了一种用于从基板去除表面部分的采样装置。所述装置包括框架结构，框架结构包含基侧。提供的刀具机构包含刀具，刀具可在竖直方向上移动，以从基侧延伸成与基板接合。多个高度调整构件从基侧延伸，以接合基板。高度调整构件可相对于框架结构以及相对于刀具移动，以限定使刀具穿透基板的可调整预定深度。多个包括磁体的夹具构件被安装到框架结构，用于与基板接合以保持框架结构相对于基板处于预定高度位置，这由高度调整构件限定。
[0014]框架结构可包含具有侧部的壳体组件，并且夹具构件可安装到侧部，夹具构件沿侧部在竖直方向上可调整到对应于预定高度位置的位置。
[0015]锁定构件可与每个夹具构件相关联，并且锁定构件可适于在预定高度位置将夹具构件锁定至侧部。
[0016]夹具构件可支撑为相对于框架结构枢转地移动，并且磁体可包括可切换磁体。
[0017]刀具机构可包含在刀具头组件中，刀具头组件包括:枢轴体，具有支撑在框架结构上的枢轴点处的第一端；以及刀具，绕旋转轴线旋转地支撑在枢轴体的第二端处。刀具可包括通过旋转具有圆形切削端的锥体而限定的形状，并且可提供驱动电机，驱动电机可活动地连接到刀具，以在旋转运动时驱动刀具。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]虽然本说明书与结尾的权利要求特别指出并清楚地要求保护本发明，但应相信，根据以下结合附图作出的描述，将更好地理解本发明，其中相同的标号表示类似的元件，并且其中:
[0019]图1示出了根据本发明一方面的采样装置的部分分解图；
[0020]图2是用于采样装置的刀具头组件的放大分解图；
[0021]图3是采样装置的横截面图，示出了处于描绘部分剖切通过基板的位置中的刀具头组件的刀具；
[0022]图4是去除样品后的基板以及从基板去除的样品的透视图；
[0023]图5是框架结构的分解图，并示出了用于采样装置的高度调整结构；
[0024]图6是用于采样装置的夹具构件的分解图；以及
[0025]图7是类似于图3的视图，并示出了刀具位于切削操作前的位置的刀具头组件。【具体实施方式】
[0026]在优选实施例的以下详细描述中，参考了构成本文一部分的附图，并且在附图中通过例证的方式而不是通过限制的方式示出了可实践本发明的特定优选实施例。应理解，可以利用其它实施例，并且可以进行改变而不脱离本发明的精神和范围。
[0027]参照图1，示出了根据本发明一方面的采样装置10，用于从基板去除表面部分。采样装置10总体包含刀具头组件12、主驱动组件14、罩组件或框架结构16以及多个夹紧组件或夹具构件18。
[0028]框架结构16包含前横向构件20以及与前横向构件20沿纵向间隔开的后横向构件22。前后横向构件20、22可包括块体，诸如金属块体，形成构造为提供对采样装置10各部件的支撑的刚性横跨构件，这在下面进一步描述。包括板结构的第一和第二侧部24、26限定了纵向延伸构件，该纵向延伸构件刚性地紧固至前后横向构件20、22的侧面，以形成框架结构16作为基本刚性的盒状结构。此外，可设置上盖28，由附接螺钉29将之附接至横向构件20以及侧部24、26，以闭合框架结构16的敞开上侧27，而框架结构16的下侧或基侧30 —般仍是敞开的。侧部24、26和上盖28形成采样装置10的壳体组件。
[0029]应注意，诸如横向、上、下或底部和竖直等相对方向及类似术语的使用参考了如附图所示的采样装置10的取向。然而，如根据本文所提供的说明将显而易见的，采样装置可用在各种方位中，并且本发明的范围并不打算由用于描述采样装置10而选定的具体定向的约定所限制。
[0030]参照图2，刀具头组件12包含支撑在前横向构件20上的枢轴体32。枢轴体32安装成用于在延伸通过枢轴体32第一端42处的孔40的枢轴杆34上枢转地移动，并在前横向构件20的一对竖直臂36、38之间延伸，如图1中看到的。枢轴体32包含从枢轴体32第二端46延伸的刀具轴壳体44。在刀具轴壳体44的相对侧，轴的轴承48、推力轴承组件50和垫片52位于开口 54(仅示出一个)中。驱动轴56延伸通过刀具轴壳体44，并由轴的轴承48支撑在枢轴体32上。驱动轴56被支撑为绕旋转轴线Ak旋转，旋转轴线Ak延伸驱动轴56的长度，并基本上垂直于由枢轴体32限定的大致竖直平面取向。
[0031]刀具安装件58位于驱动轴56的前端60。刀具安装件58由销62联接以与驱动轴
56一起旋转，销62延伸通过刀具安装件58中的孔58a并通过孔56a，孔56a延伸通过驱动轴56的前端60。刀具安装件58包含D形安装部分64，用于与形成在刀具70的中心毂68中的D形孔66接合，使得刀具70受到约束而与刀具安装件58 —起旋转。锁紧螺母72螺纹地接合驱动轴56的前端60，以将刀具70保留在刀具安装件58上。刀具70 —般是“碗”形的一即，以具有圆形切削端71的锥体旋转，并在下面更详细地描述。
[0032]刀具70可由中等碳含量的钢形成。切削端71由研磨切削表面73限定，研磨切削表面73在与刀具70边缘75相邻的内外表面周围延伸。例如，切削端71可由立方氮化硼材料涂层来限定，立方氮化硼材料涂层从边缘75沿刀具70的内外表面延伸约3/8英寸。由于研磨涂层材料的厚度，相比刀具70的其余部分，研磨切削端71包括稍大直径的刀具70外表面和稍小直径的刀具70。另外，研磨切削表面73进行操作来切削材料，以很小的作用力去除样品114来执行切削，不会造成材料的塑性变形，从而由于由刀具70施加的应力而基本上避免改动样品114的物理特性。
[0033]参照图3，驱动轴56连接到传送轴组件74，传送轴组件74包括传送轴75。特别是，驱动轴56在第一接头76处连接到传送轴75，而传送轴75在第二接头82处连接到电动机80的输出轴78。第一和第二接头76、82可包括等速万向节。例如，传送轴组件74可包括Traxxas驱动轴型号4951R,购自德克萨斯州的普莱诺的Traxxas。另外，第二接头82可包括狗骨式接头(dog bone joint)，狗骨式接头在允许第二接头82前部82a相对于第二接头82后部82b纵向移动的同时传递旋转运动。传送轴组件74和驱动轴56向刀具70传递旋转驱动运动，这在下面进一步描述。
[0034]参照图1，电机80在其前端处刚性地安装到前电机板84，并在其后端处刚性地安装到后电机板86，以限定电机组件81。前电机板84包含一对前轴承88，而后电机板86包含一对后轴承90。框架结构16还包含一对细长导轨92。导轨92在前后横向构件20、22之间延伸并由前后横向构件20、22支撑，并且每个导轨92延伸通过相应的一对前后轴承88、90。因此，电机80支撑在轴承88、90处，用于沿导轨92在纵向方向上滑动地移动。
[0035]前电机板84还包含位于前轴承88之间的螺纹块94。螺纹轴或螺杆轴96从步进电机98上方的位置延伸，穿过后电机板86中的孔口 100并与由螺纹块94限定的螺纹孔口102螺纹接合。步进电机98安装到后横向构件22，并可以以预定量控制螺杆轴96的旋转。驱动带95将步进电机98的驱动带轮97连接到安装至螺杆轴96端部的从动带轮99，以将旋转驱动运动从步进电机98传递到螺杆轴96。螺杆轴96的旋转影响到螺纹块94相对于框架结构16的纵向运动。特别是，螺杆轴96的旋转可造成电机组件81沿导轨92相对于框架结构16向前或向后驱动。
[0036]参照图1和2，由一对枢轴连杆104限定的联接件在电机组件81和刀具头组件12之间延伸。在第一枢轴点，每个枢轴连杆104的第一端枢转地附接至枢轴体32，与枢轴体32的第二端46相邻；在第二枢轴点，每个枢轴连杆104的第二端枢转地附接至连杆支架106，连杆支架106安装到前电机板84。第一和第二枢轴点可由相应的台肩螺栓108、110限定。因此，枢轴连杆104可将电机组件81的纵向运动一这通过致动步进电机98而实现一传送成枢轴体32绕由枢轴杆34限定的枢轴点或枢转轴线Ap的枢转运动。
[0037]另外参照图3，传送轴组件74的第一和第二接头76、82大致纵向定位，并分别与第一和第二枢轴点108、110竖直对准。传送轴组件74的传送轴75基本上平行于枢轴连杆104延伸。因此，所提供的枢轴连杆104传送用于枢转枢轴体32的力，而所提供的传送轴75用于在枢轴体32的枢转运动期间将旋转运动传送到驱动轴56和刀具70。
[0038]参照图3，可以看出，用于枢轴体32的枢转轴线Ap相对于驱动轴56的旋转轴线Ak间隔定位，并且刀具70的表面限定了曲率为R。的从切削端71延伸到与毂68相邻的位置的大致恒定半径，其中心处于枢转轴线AP。特别是，枢转轴线Ap与旋转轴线K隔开的距离大于圆形切削端71的半径Re。
[0039]如上所述，刀具70的形状由曲率Rc的半径限定。如通过在纵向方向上延伸的刀具70的中心的横截面看到的，刀具70的形状包括半椭圆形形状或部分椭圆形形状。半椭圆形刀具70适于去除基体材料或基板112的椭圆形表面部分，以形成收集样本114，如图4所示。具体地说，刀具70的半椭圆构造允许刀具70以这种方式从基板112切出细长样品114，即:可以执行浅的切口 113切入基板112，同时在样品114中提供了大量的材料，原因在于样品114形成有细长的尺寸，即:主要尺JD1基本上大于较小尺寸D2，并可具有大致椭圆的形状。
[0040]参照图5，所提供的高度调整结构包括多个高度调整构件116，本文中示出为四个高度调整构件116。每个高度调整构件116包含调整夹具118，调整夹具118比如由紧固件119安装到第一和第二侧部24、26之一的内表面上。在U形板120、122之间的接合点，每个调整夹具118包含一对U形板120、122和螺纹孔口 124。螺纹杆126通过螺纹孔口 124接合。旋钮128固定到杆126的上端，并且调平脚130安装在杆126的下端。调平脚130可包括球窝接头或类似的接头，以允许脚130相对于杆126枢转，从而容纳不规则或倾斜表面。
[0041]杆126可在旋钮128处手动旋转，以相对于框架结构16竖直地移动杆126和相应的脚130。因此，可操作调整构件116来调整框架结构116的高度，因此使刀具70相对于基板112来控制由刀具70执行的采样切口 113的深度。锁紧螺钉134可延伸通过每个调整夹具118中的U形板120的螺纹孔口 136，以朝向U形板122拉动U形板120，以便相对于调整夹具118在选定的位置锁定杆126。
[0042]参照图6，示出了一个夹具构件18，并且其包含的U形安装支架138包括基板140和一对安装臂142、144。磁体组件146支撑在安装臂142、144之间，并包含磁体148以及由螺钉154安装到磁体148任一侧的第一和第二磁体支架150、152。磁体支架150、152由台肩螺栓156枢转地支撑到安装臂142、144，台肩螺栓156延伸通过位于安装臂142、144孔口142a、144a中的衬套158。磁体支架150、152的枢转安装允许磁体组件146相对于框架结构16的枢转运动，以适应基板表面在磁体148局部区域中的各种取向。[0043]安装板140包含一对槽140a、140b，其中每一个接收螺钉160。螺钉160接合侧部24、26之一中的螺纹孔口 162，用于将安装支架138固定到相应的侧部24、26。螺钉160作为可释放的锁定构件而操作，可松开以允许夹具构件18相对于框架结构16竖直地调整，这在下面进一步描述。
[0044]磁体148最好包括可切换磁体并包含手柄164，手柄164可旋转以增加或减少磁体148的外部磁场，允许附接至基板表面和从基板表面分离。磁体148可包括由科罗拉多州利特尔顿的Magswitch Technology公司以商品名MagSquare销售的可切换磁体。
[0045]在使用采样装置10的采样操作中，采样装置10可定位在基板112的表面166(图3)上，从中采集样品。在采样装置10的一个构思应用中，样品可取自包括磁性材料诸如镍铬合金?的基板。上面使用了采样装置10的表面166的构造或形状并不局限于任何特定的轮廓，并且可以是例如管的内表面、管的外表面或平坦表面。
[0046]由采样装置10从基板中获得的样品厚度可通过调整高度调整构件116来控制。特别是，高度调整构件116的螺纹杆126上的旋钮128可旋转到使每个调平脚130与表面166接合的位置，并在定位每个调平脚130时可旋转到使框架结构16离开表面166预定距离的位置。高度调整构件116的个别调整便于采样装置10的精确竖直定位，例如，以补偿不规则表面或表面的曲率。
[0047]在建立框架结构16相对于表面166的高度之后，夹具构件18可相对于框架结构16的侧部24、26竖直定位。也就是说，可松开螺钉160，使得每个夹具构件18的基板140可沿着由槽140a、140b所限定的范围移动，以定位每个磁体148的与一部分表面166接合的底表面。在竖直调整夹具构件18期间，磁体支架150、152可在台肩螺栓156处枢转，使得磁体148可定位为基本上平放在表面166的相邻部分上。在磁体148因此处于表面166上的合适位置的情况下，可紧固螺钉160，可旋转磁体手柄164以经由通过磁体148施加的外部磁场将采样装置10固定在基板112上的合适位置中基本不动。磁体148最好可提供大约600磅的结合保持力，向采样装置10提供稳固的静止定位。
[0048]如图7所示，通过首先在向前枢转位置定位刀具70由刀具70执行切削操作，并且最好在将采样装置固定至基板112之前定位在这个位置中。致动电机80来驱动刀具70的旋转运动，致动步进电机98来旋转螺杆轴96以向后拉动电机组件81。随着电动机组件81向后移动，造成切削端71接合基板112并以弧状移动通过基板112，该弧由枢轴体32和刀具70的直径限定并在基侧30下面延伸。特别是，枢轴连杆104提供的力随电机组件81的向后运动而向后枢转枢轴体32。随着刀具70沿着该弧到达切口的相对端或退出端，刀具端71去除足够的材料，以提供用于刀具70其余部分的间隙。图3示出了通过切削操作使刀具70处于大约半程的位置。
[0049]可以指出，刀具轴壳体44可以设置有磁体168 (图2)，位于刀具轴壳体44的下部。磁体168被定位成在它从基板112进行切削时与样品114相邻，并在切削操作结束且样品114从基板112释放时可吸引和保持样本114。
[0050]切削端71跟踪椭圆路径穿过基板112，以切出大致形状为椭圆形的样品114，如图
4所示。可由本采样装置10从基板112去除的椭圆形样品114提供了大量在测试基板112材料中使用的采样材料，同时提供切入基板112的更浅的切口 113。也就是说，用于刀具70路径的相对较长的弧相对于其厚度允许用于样品114的更长长度尺寸，同时相应地降低了由于去除材料带来的冲击。因此，由采样装置10产生的任何有害结构影响(诸如在去除材料时的结构弱化)可相对于用于去除样品的现有装置有所减少。
[0051]另外，步进电机98以相对慢的速度进行操作，使得刀具70以缓慢的速度扫过基板，允许热量通过刀具70和基板112消散，避免样品114的可以以其它方式变更材料晶粒结构的温度升高，并且最好维持样品114的温度低于约200°C。在特定实例中，刀具70可用于在超过90分钟的时间段内切削具有约45mm长度尺寸的样品114，使得刀具每分钟推进约
0.5mm。为刀具70提供了缓慢的推进速度，且避免高温有助于在基本上不变更其物理特性的情况下确保去除样品114，以提供用于测试的基板112材料的精确表示。此外，刀具的缓慢推进速度以及用于样品114的相关联的低温使本采样装置10能够在没有冷却液诸如冷却流体的情况下进行操作，最大限度地降低了采样装置10的大小，以便于在较小的空间内操作。
[0052]虽然已经图示和描述了本发明的具体实施例，但对本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种其它的改变和修改。因此，期望将落入本发明范围内的所有这样的改变和修改涵盖在所附权利要求中。
【权利要求】
1.一种用于从基板去除表面部分的采样装置，所述装置包括: 框架结构； 刀具头组件，所述刀具头组件包括: 枢轴体，具有支撑在所述框架结构上的枢轴点处的第一端； 刀具，绕旋转轴线旋转地支撑在所述枢轴体的第二端处，所述刀具包括通过旋转具有圆形切削端的锥体而限定的形状； 驱动电机，可活动地连接到所述刀具；以及 所述枢轴点相对于所述旋转轴线间隔定位，并且所述刀具是可操作的，以绕所述枢轴点在枢转运动期间切削基板的表面部分。
2.根据权利要求1所述的采样装置，其中，所述刀具的所述形状包括半椭圆形形状，适于从所述基板去除椭圆形的表面部分。
3.根据权利要求2所述的采样装置，其中，所述枢轴点离开所述旋转轴线的距离大于所述圆形切削端的半径。
4.根据权利要求1所述的采样装置，其中，所述驱动电机可相对于所述框架结构在纵向方向上移动，并且包含位于所述驱动电机和所述枢轴体之间的联接件，所述联接件将所述驱动电机的纵向运动传递成所述枢轴体的枢转运动。`
5.根据权利要求4所述的采样装置，包含驱动轴，所述驱动轴延伸成与所述联接件相邻，用于将旋转运动从所述驱动电机传递到所述刀具。
6.根据权利要求4所述的采样装置，包含步进电机，所述步进电机可活动地联接到所述驱动电机，以在所述纵向方向上移动所述驱动电机。
7.根据权利要求1所述的采样装置，包含调整构件，所述调整构件可相对于所述框架结构移动，以限定使所述刀具穿透所述基板的可调整预定深度。
8.根据权利要求1所述的采样装置，包含夹具构件，所述夹具构件包括安装到所述框架结构的用于与所述基板接合的磁体。
9.根据权利要求8所述的采样装置，其中，所述框架结构包含具有侧部的壳体组件，所述夹具构件可沿所述侧部可滑动地定位，并包含锁定构件，所述锁定构件适于将所述夹具构件沿所述侧部锁定至预定位置。
10.一种用于从基板去除表面部分的采样装置，所述装置包括: 包含基侧的框架结构； 包含刀具的刀具机构，所述刀具可在竖直方向上移动，以从所述基侧延伸成与所述基板接合； 从所述基侧延伸以接合所述基板的多个高度调整构件，所述高度调整构件可相对于所述框架结构以及相对于所述刀具移动，以限定使所述刀具穿透所述基板的可调整预定深度；以及 多个夹具构件，包括安装到所述框架结构的磁体，用于与所述基板接合以保持所述框架结构相对于所述基板处于预定高度位置，所述预定高度位置由所述高度调整构件限定。
11.根据权利要求10所述的采样装置，其中，所述框架结构包含具有侧部的壳体组件，并且所述夹具构件安装到所述侧部，所述夹具构件沿所述侧部在所述竖直方向上可调整到对应于所述预定高度位置的位置。
12.根据权利要求11所述的采样装置，包含锁定构件，所述锁定构件与每个所述夹具构件相关联，所述锁定构件适于在所述预定高度位置将所述夹具构件锁定至所述侧部。
13.根据权利要求11所述的采样装置，其中，所述夹具构件支撑为相对于所述框架结构枢转地移动。
14.根据权利要求10所述的采样装置，其中，所述磁体包括可切换磁体。
15.根据权利要求10所述的采样装置，其中，所述刀具机构包含在刀具头组件中，所述刀具头组件包括: 枢轴体，具有支撑在所述框架结构上的枢轴点处的第一端； 刀具，绕旋转轴线旋转地支撑在所述枢轴体的第二端处，所述刀具包括通过旋转具有圆形切削端的锥体而确定的形状；并且 包含驱动电机，所述驱动电机可活动地连接到所述刀具，以在旋转运动时驱动所述刀具。
16.根据权利要求15所述的采样装置，其中，所述刀具的所述形状包括半椭圆形形状，适于从所述基板去除椭圆形的表面部分。
17.根据权利要求16所述的采样装置，其中，所述枢轴点相对于所述旋转轴线间隔定位，并限定用于所述刀具的表面的曲率中心。
18.根据权利要求17所述的采样装置，其中，所述枢轴点离开所述旋转轴线的距离大于所述圆形切削端的半径。
19.根据权利要求15所述的采样装置，其中，所述驱动电机可相对于所述框架结构在纵向方向上移动，并且包含位于所述驱动电机和所述枢轴体之间的联接件，所述联接件将所述驱动电机的纵向运动传递成所述枢轴体的枢转运动。
【文档编号】G01N1/04GK103620368SQ201280028853
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年3月29日 优先权日:2011年4月19日
【发明者】M.R.文德勒, R.H.洛维特 申请人:西门子能量股份有限公司