金宏平

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰442002）

壓痕硬度在線測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金宏平

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰442002）

針對傳統(tǒng)硬度測量誤差大、效率低的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了壓痕硬度在線測量系統(tǒng)。選用合適的電動缸與傳感器實(shí)現(xiàn)了自動加載與數(shù)據(jù)采集，利用Labview軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的測量與控制軟件，實(shí)現(xiàn)了硬度在線自動檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)有效提高了硬度測量的準(zhǔn)確性。

壓痕；硬度；在線測量

硬度是材料對外界物體機(jī)械作用局部抵抗能力的一種表現(xiàn)，是衡量材料軟硬的判據(jù)和評價(jià)材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。測試硬度的主要方法有靜壓法、劃痕法、回跳法等。目前大多數(shù)傳統(tǒng)的測量方法是采用普通的光學(xué)讀數(shù)顯微鏡，人工測量出殘余壓痕的大小，然后根據(jù)相應(yīng)的硬度計(jì)算公式手動求出硬度值。該測量方法簡單、方便，在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用；但該方法的工作效率較低，而且在測量過程中，人工測量殘余壓痕尺寸的誤差較大，導(dǎo)致硬度值的準(zhǔn)確性較低，且其殘余壓痕尺寸較大，對構(gòu)件的表面結(jié)構(gòu)及性能有一定的影響，限制了其在表面完整性要求較高場合的使用。

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)在硬度測量中被廣泛使用。由于微納米材料的迅猛發(fā)展，其性能的測量與評價(jià)也日益受到重視。而20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的壓痕技術(shù)，其測試精度高、殘余壓痕小、效率高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于微納制造、薄膜材料等力學(xué)性能的測量［1-5］。

在機(jī)械制造中，硬度測量是保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了提高生產(chǎn)效率，硬度在線測量成為生產(chǎn)線上的一道重要工序。因此，利用壓痕技術(shù)設(shè)計(jì)出實(shí)用可行的宏觀硬度在線測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬度的在線自動檢測，對機(jī)械零件的性能提高具有重大意義。

1　壓痕硬度的測量原理

壓痕硬度測量與傳統(tǒng)硬度測量過程完全相同。在整個(gè)的試驗(yàn)過程中，壓痕硬度測量需要采集載荷和位移信息，然后根據(jù)相應(yīng)的理論和方法對采集到的載荷—位移曲線進(jìn)行處理與計(jì)算，獲得壓痕的接觸面積，由此計(jì)算材料的壓痕硬度值。典型的載荷—位移曲線如圖1所示。圖1中Fm為最大載荷；hm為最大壓入深度；hr為殘余壓痕深度；S為初始卸載斜率。

圖1　典型的壓痕載荷—位移曲線

目前，在計(jì)算壓痕面積的方法中應(yīng)用最廣的是Oliver-Pharr方法［1］，由于其快捷方便，且易于實(shí)現(xiàn)，在工程上得到了廣泛應(yīng)用。Oliver等［1］通過研究拋物面形狀壓頭的接觸深度、壓痕深度和卸載后的殘余壓痕深度的關(guān)系，根據(jù)彈性接觸理論，提出了接觸深度hc的計(jì)算公式：

式中：β與壓頭形狀有關(guān)，對于球形壓頭，取0.75。假定球壓頭是剛性的，根據(jù)球形壓痕的幾何形狀，壓痕硬度H的計(jì)算公式為

式中：R為球形壓頭的半徑。從式（2）中可以看出：為了獲得壓痕硬度值，只需測量最大載荷Fm、最大壓入深度hm，以及根據(jù)卸載曲線計(jì)算初始卸載斜率，不需要人工用顯微鏡來測量殘余壓痕的面積，這樣能大大減小人為的干擾因素，能有效提高壓痕硬度的精度和準(zhǔn)確性。

2　壓痕硬度在線測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

壓痕硬度在線測量系統(tǒng)主要包括加載機(jī)構(gòu)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理4個(gè)模塊，其功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　壓痕在線測量系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1加載機(jī)構(gòu)模塊

根據(jù)壓痕硬度測試量的需要以及在線測試的要求，設(shè)計(jì)的加載機(jī)構(gòu)如圖3所示。伺服電機(jī)通過同步帶減速器拖動滾珠絲杠進(jìn)行上升與下降的直線運(yùn)動，在絲杠末端安裝力傳感器，壓頭通過夾緊裝置與力傳感器相聯(lián)接，位移傳感器安裝在壓頭上方，以便減小加載機(jī)構(gòu)的柔度帶來的影響。

根據(jù)試驗(yàn)的需要，選用力姆泰克伺服電動缸，其采用的松下伺服電機(jī)型號為IMB20-05-100，絲杠的導(dǎo)程為5 mm。設(shè)定伺服電機(jī)每圈的脈沖數(shù)為20 000個(gè)，以滿足試驗(yàn)臺的最小加載速度要求。

圖3　在線測量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2參數(shù)設(shè)置模塊

在參數(shù)設(shè)置模塊中，主要包括傳感器的標(biāo)定參數(shù)、PID控制器參數(shù)以及試驗(yàn)方式等參數(shù)的設(shè)置。

在線測量系統(tǒng)中的力傳感器和位移傳感器的精度直接影響到測試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，因此，每隔一段時(shí)間需要對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以保證測量結(jié)果的可靠性。

在壓痕硬度的在線測量中，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)加載速度的高精高效控制，因此為了適應(yīng)不同狀態(tài)的控制要求，需要對PID控制器的3個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整：在初始加載和卸載階段，增加比例系數(shù)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)；在加載和卸載末段，則減小比例系數(shù)，適當(dāng)增大積分和微分系數(shù)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

根據(jù)壓痕測試原理，在壓痕測試過程中，可以采用載荷控制方式、位移控制方式、以及多段控制方式來進(jìn)行試驗(yàn)，因此在實(shí)驗(yàn)前需要對壓痕測試的控制方式進(jìn)行選擇，以確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。為了保證測量的準(zhǔn)確性，測試速度限定在0.1～0.5 μm·s-1。

2.3數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理的框圖如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)采集與處理框圖

數(shù)據(jù)采集是壓痕硬度在線測量系統(tǒng)中最重要的部分，直接關(guān)系到結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。根據(jù)系統(tǒng)需要，力傳感器選用中國航天空氣動力技術(shù)研究院的BK-1A拉壓式力傳感器，量程為200 kg，精度為0.1 N；位移傳感器選用西安新敏電子公司的WYDC-1位移傳感器，量程為±0.5 mm，精度達(dá)到0.01 μm。由于測量信號中夾雜著干擾信號，選用一階巴特沃茲低通濾波器去除一些干擾信號。

USB總線AD采集模塊選用北京雙諾測控技術(shù)有限公司的MP422E。該采集卡是一款USB2.0總線多功能16位高速采集模塊，內(nèi)置8 M Byte DFIFO提供8 s的采集數(shù)據(jù)緩沖。通過它直接與計(jì)算機(jī)的USB接口連接，構(gòu)成測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)。

試驗(yàn)完成后，系統(tǒng)自動進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算出所需要的最大載荷Fm、最大壓入位移hm、初始卸載斜率S，然后根據(jù)式（1）～（2）可計(jì)算出試樣的壓痕硬度。

根據(jù)GB/T231-2002《金屬布氏硬度試驗(yàn)》的要求，試驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容包括試驗(yàn)名稱、試樣號、溫度、濕度、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)人等幾項(xiàng)內(nèi)容。系統(tǒng)自動將相應(yīng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到試驗(yàn)報(bào)告的相應(yīng)位置，并采用自動填充的方法，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)填充到指定的表格中。

3　基于Labview的測控軟件開發(fā)

3.1軟件的設(shè)計(jì)思路與方法

測控軟件服務(wù)于硬度的在線測量，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過友好的交互界面以最大限度地實(shí)現(xiàn)硬度測量的方便與快捷。壓痕硬度在線測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、伺服電機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

基于Labview性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少、無縫集成等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)的測控軟件設(shè)計(jì)平臺選擇Labview 2013軟件，并采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)獨(dú)立模塊來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5　在線測量系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

在線測量系統(tǒng)通過定時(shí)與MP422E采集卡通信，實(shí)現(xiàn)加載機(jī)構(gòu)的控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。利用MP422E產(chǎn)生指定頻率和指定個(gè)數(shù)的方波信號，實(shí)現(xiàn)測控軟件對伺服電機(jī)的控制，如圖6所示。

圖6　伺服電機(jī)控制模塊

為了減少程序?qū)τ?jì)算機(jī)CPU的占用，設(shè)置數(shù)據(jù)的保存與顯示的周期為200 ms。由于采集的數(shù)據(jù)量較大，因此采用數(shù)據(jù)隊(duì)列的方式來減少對計(jì)算機(jī)內(nèi)存的消耗，如圖7所示。

3.2人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

根據(jù)壓痕硬度測量的需要，在開始試驗(yàn)前，可以人工或自動確定傳感器的零點(diǎn)以及調(diào)整壓頭的位置。對加載方式和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集到的載荷—位移曲線并對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。圖形顯示窗口的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的最大值能根據(jù)載荷—位移曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。試驗(yàn)結(jié)束后，可以對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和試驗(yàn)報(bào)告的預(yù)覽和打印。壓痕硬度在線測量系統(tǒng)的主界面如圖8所示。

圖7　數(shù)據(jù)顯示與保存模塊

圖8　壓痕硬度的在線測量系統(tǒng)的主界面

3.3數(shù)據(jù)采集與控制

根據(jù)試驗(yàn)方式的不同，計(jì)算機(jī)需要對伺服電機(jī)進(jìn)行載荷或位移的自動控制，試驗(yàn)流程圖見圖9。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集載荷與位移值。在加載過程中，實(shí)時(shí)判斷是否達(dá)到試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定的載荷或位移值，并判斷是否超過測量系統(tǒng)的規(guī)定量程。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值，則轉(zhuǎn)入卸載階段。在卸載過程中，根據(jù)載荷是否小于某一微小值來判斷壓頭是否與試樣表面脫離接觸。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測行程開關(guān)信號來判斷是否超過滾珠絲杠的行程范圍，若超過滾珠絲杠的行程范圍，則停機(jī)報(bào)警。

圖9　采集與控制流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10顯示了某零件分別在5種不同載荷下的在線測量的載荷—位移曲線。從圖10中可以看出：在加載階段，5種曲線基本重合；而初始卸載階段的曲線均呈現(xiàn)直線特性，并且斜率基本相同。這表明壓痕硬度在線測量系統(tǒng)的重復(fù)性較好，能夠滿足零件硬度的在線測量需要。

圖10　在線測量的載荷—位移曲線

分別對某零件在5種載荷級別下進(jìn)行了10次壓痕試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的面積法進(jìn)行了對比。圖11反映了2種不同測試方法獲得的某零件壓痕硬度值的變化。其中，面積法是采用顯微鏡直接測量殘余壓痕的直徑來計(jì)算殘余壓痕的投影面積，然后用最大壓入載荷與該面積的比值作為壓痕硬度。Ol?iver-Pharr法是采用式（2）計(jì)算。從圖11中可以看出：兩者之間的誤差不超過5%?？梢姡瑝汉塾捕仍诰€測量系統(tǒng)滿足了工程測試的要求。

圖11　不同方法獲得的壓痕硬度值的比較

5　結(jié)論

根據(jù)壓痕技術(shù)測試原理，選用合適的電動缸與傳感器設(shè)計(jì)了壓痕硬度在線測量系統(tǒng)，利用Lab?view軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的測量與控制軟件。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能有效提高硬度測量的準(zhǔn)確性與精度，能夠滿足在線生產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)機(jī)械測量的智能化有著重要的意義，滿足了先進(jìn)制造的需求。

［1］Oliver W C，Pharr G M.An Improved Technique for De? termining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments［J］.Jour?nal of Materials Research，1992（7）：1564-1580.

［2］劉美華，李鴻琦，計(jì)宏偉，等.壓痕硬度測試法的主要研究內(nèi)容及其應(yīng)用［J］.理化檢驗(yàn)（物理分冊），2008 （44）：485-490.

［3］譚孟曦.利用納米壓痕加載曲線計(jì)算硬度——壓入深度關(guān)系及彈性模量［J］.金屬學(xué)報(bào)，2005（41）：14-18.

［4］金宏平.基于能量法的壓痕硬度和殘余應(yīng)力測試原理、方法和實(shí)驗(yàn)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［5］高怡斐.儀器化壓痕試驗(yàn)法測定金屬材料的硬度與材料參數(shù)［J］.物理測試，2003（5）：1-3+10.

［6］金宏平，程建國.材料性能和壓入深度對球壓痕堆積/沉陷的影響［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27（1）：42-47.

Design and Implementation of Online Measurement System for Indentation Hardness

Jin Hongping
（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

To overcome the disadvantages of traditional hardness measurement systems such as large er?ror and low efficiency，an online measurement system for indentation hardness was designed.A linear actuator and sensors were chosen to achieve automatic loading and data acquisition.Using Labview soft?ware，a measurement and control software system was designed to achieve an online automatic hardness measurement.The results of test show the accuracy of measurement of hardness is effectively improved using the indentation hardness measurement system.

indentation；hardness；online measurement

TB938.2

A

1008-5483（2016）02-0036-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.009

2016-05-23

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFB623）；湖北汽車工業(yè)學(xué)院博士基金項(xiàng)目（BK201303）

金宏平（1973-），男，湖北仙桃人，博士，副教授，從事測試技術(shù)及應(yīng)用研究。E-mail：hp_jin@163.com