專利名稱：高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，屬于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外高精度的標(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)力值加載系統(tǒng)大都采用砝碼靜重 方式實(shí)現(xiàn)，由此制作的標(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)力加載裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大、維護(hù)與操 作不方便、需定期校準(zhǔn)、工作效率低。而其他現(xiàn)有的硬度計(jì)中，電磁式 力值加載裝置可實(shí)現(xiàn)微力值調(diào)節(jié)，但難以實(shí)現(xiàn)布氏硬度試驗(yàn)所要求的最 大加載力值。電動式和液壓式力值加載結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大力值的快速加載，
但力值調(diào)節(jié)精度只能達(dá)到±1%，不能滿足作為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)土O. 1%的精度要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有產(chǎn)品中存在的不足而設(shè)計(jì)提供了一種高精 度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，它采用壓電陶瓷材料變形驅(qū)動來進(jìn)行試驗(yàn)
力的加載，使力值精度超過士O. 1%，同時具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
壓電陶瓷材料已廣泛應(yīng)用于微位移精密定位、超聲換能器以及力標(biāo) 準(zhǔn)機(jī)等領(lǐng)域，但利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)制成的高精度力值加載 調(diào)節(jié)裝置應(yīng)用于于標(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)，還沒有相關(guān)的報(bào)道。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
該種高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，包括機(jī)體、壓頭升降裝置、 工作平臺、工作平臺升降裝置和電機(jī)，壓頭升降裝置的上部連接力值傳 感器，其特征在于在該裝置的力值加載的中軸線上安裝由多片壓電陶 瓷疊加成的壓電陶瓷力值加載塊，多片壓電陶瓷的電路連接結(jié)構(gòu)為并聯(lián) 方式，其激勵電壓通過正負(fù)電極線由驅(qū)動器提供，驅(qū)動器由計(jì)算機(jī)控制；
壓電陶瓷(2)的片數(shù)由以下公式計(jì)算得出 尸
5 = -^3 — ./.w + w.c/33I7
式中5為在外電場作用下，壓電陶瓷加載塊(2)靜態(tài)輸出位移；& 為極化方向上陶瓷材料的柔順系數(shù)；P為輸出力；S為陶瓷片面積.，/為 單個陶瓷片厚度；n為陶瓷片層數(shù)；""為壓電應(yīng)變系數(shù)；U為施加電壓。隨著對壓電陶瓷技術(shù)的認(rèn)識逐步深入，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)， 將其應(yīng)用于大負(fù)載情況下的力值微小量調(diào)節(jié)，已經(jīng)得到應(yīng)用。然而，將 壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)應(yīng)用于硬度計(jì)力值加載系統(tǒng)的應(yīng)用研究還未有相 關(guān)報(bào)道。在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的應(yīng)用中，由于力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的加載整體結(jié)構(gòu)剛性較大， 變形量小，且力值加載過程中沒有超調(diào)量和加載時間的限制，只關(guān)心穩(wěn) 定后的力值指標(biāo)即可，因而易于進(jìn)行加載力值的調(diào)節(jié)與控制，往往加載 穩(wěn)控時間較長。而在硬度計(jì)力值加載過程中，由于硬度試驗(yàn)的特殊性， 在被測試樣存在較大的塑性變形情況下，不但要求實(shí)現(xiàn)力值的快速加載 (6s 8s內(nèi)完成)，而且要求超調(diào)量不允許超出規(guī)定值的土O. 1%，即硬度
計(jì)力值加載過程中的時間和超調(diào)量的指標(biāo)要求都比力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)有更為嚴(yán)格 的限制，因此將此種加力方式應(yīng)用于硬度計(jì)的力值加載領(lǐng)域尚屬首次。
因壓電陶瓷的伸縮位移極小，其單獨(dú)使用不足以完成力值的加載， 所以在力值加載結(jié)構(gòu)中采用電動和壓電陶瓷相互串聯(lián)的加載機(jī)構(gòu)。開始 時，計(jì)算機(jī)控制電機(jī)帶動絲杠傳動，實(shí)現(xiàn)測試力的一級加載，并通過力 傳感器實(shí)時監(jiān)測輸出，當(dāng)反饋力值接近期望值時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動并保持， 計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)而控制壓電陶瓷驅(qū)動源，完成剩余力值的加載和細(xì)微調(diào)節(jié)。由 于本發(fā)明技術(shù)方案采用粗細(xì)二級力值加載控制方式，調(diào)節(jié)精度很高。
圖1是本發(fā)明裝置中壓電陶瓷力值加載塊的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明裝置中壓電陶瓷力值加載塊安裝在工作平臺下方的結(jié)
構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明裝置中壓電陶瓷力值加載塊安裝在壓頭升降裝置上方
的結(jié)構(gòu)示意圖 具體實(shí)施方案
下面將根據(jù)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明裝置作進(jìn)一步地詳述 參見附圖1 3所示，該種高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，包括機(jī) 體6、壓頭升降裝置4、工作平臺8、工作平臺升降裝置1和電機(jī)7，壓 頭升降裝置4的上部連接力值傳感器5，在該裝置的力值加載的中軸線上 安裝由多片壓電陶瓷2疊加成的壓電陶瓷力值加載塊2，壓電陶瓷力值加 載塊2可以安裝在工作平臺3的下方，也可以安裝在壓頭升降裝置4的 上方，壓電陶瓷力值加載塊2是通過預(yù)緊螺栓11將上蓋板12、下蓋板13和多層壓電陶瓷片2固定在一起，多片壓電陶瓷2的電路連接結(jié)構(gòu)為
并聯(lián)方式，正負(fù)電極線8與驅(qū)動器9相連，其激勵電壓由驅(qū)動器9提供， 驅(qū)動器9由計(jì)算機(jī)10控制，壓電陶瓷力值加載塊2產(chǎn)生的力值變化通過 力值傳感器5將測量結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)10;
壓電陶瓷(2)的片數(shù)由以下公式計(jì)算得出
<5 =—乇3 — ./."+
式中S為在外電場作用下，壓電陶瓷加載塊2靜態(tài)輸出位移；^為 極化方向上陶瓷材料的柔順系數(shù)；P為輸出力；S為陶瓷片面積；/為單 個陶瓷片厚度；n為陶瓷片層數(shù)；""為壓電應(yīng)變系數(shù)；U為施加電壓。
在外電場作用下，用靜態(tài)輸出位移表示的上公式變形為
尸二( 〃-早
可以看出材料的特性參數(shù)如柔順系數(shù)、壓電應(yīng)變系數(shù)等以及尺寸參 數(shù)如陶瓷片面積、陶瓷片厚度都是輸出力的影響因素，通過控制激勵電
壓u便可控制驅(qū)動器的輸出力。
在工作過程中，工作平臺升降裝置1固定在剛度非常好的機(jī)體6的 剛架上，壓頭升降裝置4、工作平臺升降裝置1對工作平臺8上的試件3 施加初始壓力，這-一過程實(shí)現(xiàn)力值的粗調(diào)，計(jì)算機(jī)10及時采集力值傳感 器5檢測到的力值信號，計(jì)算機(jī)10根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行分析處 理后調(diào)節(jié)驅(qū)動器9的激勵電壓，壓電陶瓷力值加載塊2根據(jù)驅(qū)動器9所 提供的激勵電壓進(jìn)行對應(yīng)量的伸縮，進(jìn)行力值精調(diào)，由此保證了施加給 試件3的高精度力值。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，陶瓷片在3噸負(fù)荷下的膨脹 量大于30/^即可。
本發(fā)明技術(shù)方案可以適用于所有的靜態(tài)硬度計(jì)(洛氏、表面洛氏、 維氏、顯微等)的力值加載系統(tǒng)中。
本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比可以使力值加載的精度超過士 0.1%，同時具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，包括機(jī)體(6)、壓頭升降裝置(4)、工作平臺(3)、工作平臺升降裝置(1)和電機(jī)(7)，壓頭升降裝置(4)的上部連接力值傳感器(5)，其特征在于在該裝置的力值加載的中軸線上安裝由多片壓電陶瓷(2)疊加成的壓電陶瓷力值加載塊(2)，多片壓電陶瓷(2)的電路連接結(jié)構(gòu)為并聯(lián)方式，其激勵電壓通過正負(fù)電極線(8)由驅(qū)動器(9)提供，驅(qū)動器(9)由計(jì)算機(jī)(10)控制；壓電陶瓷(2)的片數(shù)由以下公式計(jì)算得出<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><msub> <mi>s</mi> <mn>33</mn></msub><mfrac> <mi>P</mi> <mi>S</mi></mfrac><mo>.</mo><mi>l</mi><mo>.</mo><mi>n</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo>.</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>33</mn></msub><mo>.</mo><mi>U</mi> </mrow>]]></math></maths>式中δ為在外電場作用下，壓電陶瓷加載塊(2)靜態(tài)輸出位移；s33為極化方向上陶瓷材料的柔順系數(shù)；P為輸出力；S為陶瓷片面積；l為單個陶瓷片厚度；n為陶瓷片層數(shù)；d33為壓電應(yīng)變系數(shù)；U為施加電壓。
全文摘要
本發(fā)明是一種高精度硬度計(jì)力值加載調(diào)節(jié)裝置，它包括一高剛度機(jī)體、壓頭升降裝置和工作平臺升降粗調(diào)裝置，在該裝置的力值加載的中軸線上安裝由多片壓電陶瓷疊加成的壓電陶瓷力值加載塊，多片壓電陶瓷的電路連接結(jié)構(gòu)為并聯(lián)方式，其激勵電壓通過正負(fù)電極線由驅(qū)動器提供，驅(qū)動器由計(jì)算機(jī)控制，本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比可以使力值加載的精度超過±0.1％，同時具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N3/00GK101587047SQ20091015807
公開日2009年11月25日 申請日期2009年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月20日
發(fā)明者于婭楠, 明 徐, 吾 曾, 李金穎, 王顯偉, 偉 石, 陶繼增 申請人:中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所