一种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种使用计算机控制的金属材料压入载荷?位移数据测量系统，属于材料力学性能测试技术领域。该测量系统包括机械部分和电气控制部分，机械部分负责提供压力制造压痕，电气控制部分负责控制直线电机运动和采集、处理数据。直线电机运动带动压头制造压痕，载荷传感器和位移传感器分别测量施加于压头的载荷和压头移动的位移，载荷和位移数据分别通过二通道模拟量输入电子模块和SSI电子模块传输到网关。通过由编程软件Delphi 7开发的“IBIS2015载荷?位移数据采集程序”，使计算机能够与伺服直线电机、位移传感器、载荷传感器通过网关进行串行通信，完成控制电机运动的控制和相关数据的采集工作。
【专利说明】
一种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统
技术领域
[0001]本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统。
【背景技术】
[0002]目前测定金属材料常规力学性能(如弹性模量、加工硬化指数、屈服强度、抗拉强度、硬度等)包括直接法和间接法两大类，这两大类方法中又涉及到多种不同的材料性能测试或估算方法。在直接法中包括有破坏型和无损型两大类。破坏型包括利用标准拉伸试样测量、利用微型拉伸试样测量、利用微剪切(单孔型或双孔型)测量、利用微冲压测量;无损型主要是利用示值压痕技术(Instrumented indentat1n technique，也称仪器化压痕技术)测量。间接法中包括实验和模拟两大类，实验型的可以利用裂纹、韧性、腐蚀来测量，模拟型的则利用物理模拟或者数值模拟方法来测量。
[0003]在上述方法中，示值压痕技术由于对结构的非破坏性而受到重视，本发明涉及的压痕测试装置即是基于上述方法中的无损型微米级压痕技术，通过测量压头压入过程中施加的载荷大小和压入深度，获得相应的压入载荷-位移曲线，进而可通过合适的数学模型和算法计算出材料的压痕硬度、弹性模量、屈服强度等力学性能指标。
[0004]基于纳米压痕技术的纳米压痕仪压入深度一般控制在纳米级别，主要用于涂层和薄膜材料的性能测试，由于对样品表面状态、工作环境等要求十分严格，纳米压痕完全不适合现场应用，同时高昂的价格也限制了纳米压痕仪的广泛应用。
[0005]基于微米级压痕技术的压痕测试装置不需要苛刻的工作环境，对试样表面的粗糙度要求低，更容易制样，单次的测试时间和数据分析仅需要几分钟就能完成。本发明相比现有的力学性能压痕测试装置，具有测量系统更加可靠，精度更高，控制功能更加丰富等特点。
[0006]申请号为201020299023.4的中国专利公开了一种便携性的压痕测试系统，可以直接应用于现场测试，但是上述压痕测试系统存在一定的问题。例如:采用LVDT位移传感器易于受温度和电磁的干扰，影响其测量精度；由于过于注重设备的便携性，直线电机的性能较差，没有间隙消除功能，同时加载时间稍长就会产生高温;在数据采集方面，只能采集载荷-位移图像或载荷-时间和位移-时间图像，不能满足国家标准有关压痕测试的要求。
[0007]申请号为02814373.6的中国专利公开了一种利用FEA方法评价材料性能的压痕系统。上述压痕测试系统存在一定的问题。例如:步进电机在低速时易出现低频振动现象，而本测试过程就是需要在低速下测量，很容易造成测量的误差，选用伺服电机就能避免这个问题;步进电机的速度响应要比伺服电机差很多，在下压停止时，步进电机速度响应慢会使得测得的位移值偏大，影响精度;上述系统将步进电机直线运动转换机构和消除间隙机构安装与电机外部，安装的精度会直接影响电机的直线性能，而在本发明中选用伺服直线电机，并将直线运动单元和间隙消除单元直接集成与电机内部，不仅安装简便，而且精度更高。上述系统选用量程为4mm的激光位移传感器，上述量程过小，对被测材料的尺寸有很大的限制，而在本发明中选用量程为10mm的电感式直线位移传感器，能满足不同尺寸材料和试样的测量要求。
【发明内容】
[0008]针对现有金属材料力学性能测量装置中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，该测量系统在实验室环境下使用。
[0009]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0010]—种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，计算机与伺服直线电机通过RS485进行串行通信，与载荷/位移传感器通过协议转换器(网关)进行TCP/IP通信;该测量系统即为压痕制造和测量装置，是由机械部分和电气部分组成;所述机械部分包括伺服直线电机、中间连接板、压头、压头柄、载荷传感器、位移传感器和支撑板，其中:
[0011]所述伺服直线电机通过螺钉固定在中间连接板上，中间连接板中部开有孔，伺服直线电机的运动丝杠端部从中间连接板中部的孔中伸出，运动丝杠端部通过连接头与载荷传感器相连接;所述伺服直线电机为一体化滚柱丝杆直线电动伺服执行器，交流供电的伺服驱动器、数字定位控制器、无刷伺服电机、直线运动单元集成在一个完全密封的单元内；该电机上还设有直线导向装置，导向装置的一端通过夹紧螺丝与电机丝杠固定，另一端与固定于电机一侧的导向机构连接，以保证丝杠直线运动，不会发生旋转。
[0012]所述载荷传感器的下部与压头柄连接，压头柄上安装压头，所述伺服直线电机丝杠的上下运动带动压头作相应运动，压头用于与被测材料接触并制造压痕;所述压头为直径为0.5-1.0mm的硬质合金球形压头。
[0013]所述支撑板的一端利用螺纹夹紧装置固定在压头柄上，支撑板的另一端与位移传感器的导杆连接；
[0014]所述(电感式)位移传感器用于测定压头运动的位移大小，位移传感器固定于伺服直线电机侧壁上，位移传感器的滑块通过导杆穿过中间连接板上的孔并与支撑板相连。
[0015]该测量系统还包括下部底板，下部底板通过四个支柱与中间连接板进行连接固定;工作时，将被测金属材料放于下部底板上，伺服直线电机驱动丝杠上下运动，就会带动压头进行相应运动，压头压入放置于下部底板上的被测材料，从而实现压痕的制造与载荷的测量。
[0016]该测量系统的电气部分包括伺服电机驱动器(集成于伺服电机内部)、网关、SSI电子模块、二通道模拟量输入电子模块和计算机;计算机通过USB-RS485数据线向伺服直线电机驱动器发送M0DBUS/TCP通讯指令，控制伺服直线电机运动;位移传感器和载荷传感器分别通过SSI电子模块和二通道模拟量输入电子模块与网关相连，计算机发送命令并通过网关获得位移和载荷传感器的实时数据。同时计算机也是数据处理的工具。
[0017]计算机的控制功能是通过计算机分别与伺服电机驱动器和网关通信实现的，使用由编程软件Delphi7开发的“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”作为操作界面。
[0018]所述“IBIS2015载荷-位移数据采集程序”具有选择串口的功能，具有选择网关地址的功能，具有选择使用压力控制或位移控制的功能，具有实时显示伺服直线电机和数据记录状态的功能，具有能调整电机下压速度的功能，具有自动判断压头接触材料表面的功能，具有通过网关读取载荷和位移数据的功能，具有实时显示载荷-位移关系曲线的功能，具有实时显示载荷和位移随时间变化的功能。
[0019]本发明具有如下的积极效果及优点:
[0020]1.本发明采用了一体化的伺服直线电机，结构紧凑，电机不会受到外部环境的影响，同时电机采用了滚柱丝杠机构代替滚珠丝杠机构，精度更高，传力更加稳定。
[0021]2.伺服直线电机的直线导向装置采用夹紧螺丝，安装可靠，拆卸简单，利于装配与维护。
[0022]3.电感式位移传感器读数精度为Ιμπι，不受温度和电磁干扰，传感器滑块安装简便，利于后期维护。
[0023]4.采用了分布式控制系统，数据的可靠性和抗干扰性进一步提高，而且在维护的时候操作更加简便。
[0024]5.软件“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”具有自动识别串口的功能和输入网关地址的功能，用户可以根据实际需要选择控制方式，操作简单。
[0025]6.软件“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”具有显示伺服直线电机、载荷传感器、位移传感器工作状态的功能，由于伺服电机、位移传感器和载荷传感器的响应时间并不一样，工作状态的实时显示能减少数据读取上的错误。
[0026]7.软件“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”具有自动控制整个测试过程的功能，压头与被测试样接触判断，最大压力或者位移判断，达到最大试验力后保持一定时间，自动卸载等。
【附图说明】
[0027]图1为本发明机械部分结构示意图；
[0028]图2为本发明电器原理框图；
[0029]图3为某次试验显示的程序软件控制界面。
[0030]图中:1-伺服直线电机;2-直线导向装置;3-导向机构;4-连接头;5-载荷传感器；6-球形压头;7-压头柄;8-支撑板;9-导杆;10-滑块;11-位移传感器；12-固定板;13-中间连接板;14_下部底板;15-支柱。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0032]本发明为使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移曲线压痕测试系统，如图1-2所示。该测试系统包括机械部分和电气部分，计算机分别与伺服直线电机进行RS485串行通信和与载荷/位移传感器通过协议转换器(网关)进行TCP/IP通信。
[0033]机械部分包括伺服直线电机(I)、球形压头(6)、压头柄(7)、载荷传感器(5)和位移传感器(11)。
[0034]伺服直线电机(I)为美国EXLAR公司的TritexII AC T2M075型一体化滚柱丝杠直线电动伺服执行器，此伺服直线电机将交流供电的伺服驱动器、数字定位控制器、无刷伺服电机、直线运动单元集成在一个完全密封的单元内。该电机上设置有直线导向装置(2)，所述直线导向装置的一端通过夹紧螺丝与伺服直线电机丝杠端部固定，另一端与固定于伺服直线电机一侧的导向机构(3)连接，以保证丝杠直线运动，不会发生周向运动。
[0035]伺服直线电机(I)通过螺钉与中间连接板(13)连接，实现固定。中间连接板(13)中部开有孔，可以让伺服直线电机(I)的丝杠端部伸出，丝杠端部可以通过连接头(4)与载荷传感器(5)相连接，本实施例中载荷传感器(5)为美国CELTR0N公司的PSD-1TSJTT型载荷传感器，最大载荷10KN。
[0036]载荷传感器(5)的下部与压头柄(7)连接，压头柄的一端安装有压头(6)，用于与被测材料接触制造压痕，支撑板(8) —端利用螺纹夹紧装置固定在压头柄(7)上，另一端用于与位移传感器的导杆(9)连接。
[0037]位移传感器(11)为德国TURCK公司的Li_Q25L型电感式直线位移传感器，量程为100mm，分辨率为lum。位移传感器固定于伺服直线电机侧壁上的固定板(12)上，滑块(10)通过导杆(9)穿过中间连接板(13)上的孔与连接在压头柄(7)上的支撑板(8)相连，用于测定压头运动的位移大小。
[0038]该测量系统还包括下部底板，下部底板通过四个支柱15与中间连接板13进行连接固定;工作时，将被测材料放于下部底板(14)上，伺服直线电机(I)驱动丝杠上下运动，就会带动压头上下运动，压入放于底板上的被测材料，从而实现压痕的制造与载荷-位移的测量。
[0039]电气部分由伺服电机驱动器(集成于电机内部)、网关、SSI电子模块、二通道模拟量输入电子模块、计算机等组成。
[0040]计算机通过USB-RS485数据线向伺服直线电机驱动器发送M0DBUS/TCP通讯指令，可以控制伺服直线电机运动，包括快速下压、加载、卸载、停止等多种运动形式。
[0041 ] 位移传感器通过TURCK公司的BL20-SSI电子模块与网关连接。载荷传感器先通过LASCAUX公司的DT70数字式重量变送器将应变片变形转化为电流信号，然后再通过与TURCK公司的BL20-2A1-1 二通道模拟量输入电子模块与网关连接。计算机可以通过双绞线与网关连接，通过发送MODBUS通讯指令实现载荷和位移传感器实时数据的获取。
[0042]图3为某次实验结束后显示的载荷-位移曲线示意图。从图中可以看出，通过本发明所测的压入载荷-位移曲线采集点数满足计算要求，无延迟。在p-h图中，位于下方的一条曲线(灰色曲线)为原始的测得数值，位于上方的一条曲线(黑色曲线)去除系统刚度后的P-h图像。
[0043]本发明所述的压痕测量装置机械部分安装可靠性高，而且便于后期维护，电气部分安装简便，数据抗干扰性强，使用PC机上运行的“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”作为操作和观察界面，不仅能够实现压痕的自动制造与测量，而且能够获得更加准确可靠的数据，为利用载荷-位移曲线评估材料力学性能奠定基础。
【主权项】
1.一种使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，该测量系统中，计算机与伺服直线电机通过RS485进行串行通信，与载荷/位移传感器通过协议转换器进行TCP/IP通信，其特征在于:该测量系统即为压痕制造和测试装置，包括伺服直线电机、中间连接板、压头、压头柄、载荷传感器、位移传感器和支撑板，其中: 所述伺服直线电机通过螺钉固定在中间连接板上，中间连接板中部开有孔，伺服直线电机的运动丝杠端部从中间连接板中部的孔中伸出，运动丝杠端部通过连接头与载荷传感器相连接； 所述载荷传感器的下部与压头柄连接，压头柄上安装压头，所述伺服直线电机丝杠的上下运动带动压头作相应运动，压头用于与被测材料接触并制造压痕； 所述支撑板的一端利用螺纹夹紧装置固定在压头柄上，支撑板的另一端与位移传感器的导杆连接； 所述位移传感器用于测定压头运动的位移大小，位移传感器固定于伺服直线电机外壳侧壁上，位移传感器的滑块通过导杆与支撑板相连。2.根据权利要求1所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:该测量系统还包括下部底板，下部底板通过支柱与中间连接板进行连接固定;工作时，将被测金属材料放于下部底板上，伺服直线电机驱动丝杠上下运动，就会带动压头进行相应运动，压头压入放置于下部底板上的被测材料，从而实现压痕的制造与载荷的测量。3.根据权利要求1所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:所述伺服直线电机为一体化滚柱丝杠直线电动伺服执行器，交流供电的伺服驱动器、数字定位控制器、无刷伺服电机、直线运动单元集成在一个完全密封的单元内；该电机上还设有直线导向装置，导向装置的一端通过夹紧螺丝与电机丝杠固定，另一端与固定于电机一侧的导向机构连接，以保证丝杠直线运动，不会发生旋转。4.根据权利要求1所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:所述压头为直径为0.5-1.0mm的硬质合金球形压头。5.根据权利要求1所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:该测量系统还包括电气部分，所述电气部分包括伺服电机驱动器、网关、SSI电子模块、二通道模拟量输入电子模块和计算机;所述电气部分中，计算机通过USB-RS485数据线向伺服直线电机驱动器发送MODBUS/TCP通讯指令，控制伺服直线电机运动;载荷传感器和位移传感器分别通过二通道模拟量输入电子模块和SSI电子模块与网关相连，计算机通过网关获得载荷和位移传感器的实时数据。6.根据权利要求5所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:计算机的控制功能是通过计算机分别与伺服电机驱动器和网关通信实现的，使用由编程软件Delphi7开发的“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”作为操作界面。7.根据权利要求6所述的使用计算机控制的金属材料压入载荷-位移数据测量系统，其特征在于:所述“IBIS 2015载荷-位移数据采集程序”具有选择串口的功能，具有选择网关地址的功能，具有选择使用压力控制或位移控制的功能，具有实时显示伺服直线电机和数据记录状态的功能，具有能粗调定位的功能，具有自动判断压头接触材料表面的功能，具有通过网关读取载荷和位移数据的功能，具有实时显示载荷-位移关系曲线的功能，具有实时显示载荷-时间和位移-时间关系曲线的功能。
【文档编号】G01N3/02GK105842095SQ201610166188
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】陈怀宁, 赵帅捷, 李东旭, 阚盈, 陈静
【申请人】中国科学院金属研究所