專利名稱：一種基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能從在役設備上挖取微小金屬試樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了電火花成型原理，可挖取Imm厚度的薄試樣用于小沖桿試驗，同時對設備本身做到微損，表面熱影響層小于10微米。
背景技術：
化工、石油化工、火電、核電等行業(yè)中存在著大量服役的壓力容器和管道，對于這些設備，由于長期在特殊工況下服役，材料的性能會發(fā)生變化，要評價這些設備的安全性并想預測其剩余壽命，則必須較準確地得到其化學成分、金相組織及其力學性能(如屈服強度、抗拉強度、延伸率等)。這就需要從在役設備上取得盡可能小的試樣，進行相關試驗研小沖桿試驗(small punch test)是20世紀80年代初提出的一種利用直徑約IOmm 左右，厚約0.5mm薄片進行材料力學性能測試的新型實驗方法。小沖桿試驗技術已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，我國也正在研制相關國家標準，然而小沖桿試驗研究所用的小圓片試樣都是用機床加工出來的，無法直接從在役設備上取樣。加拿大人Mercaldi在1989年發(fā)表了關于材料表面取樣裝置的專利，但該裝置是利用其頭部的一個高速旋轉的半球形刀具從材料上切割下一塊試樣，但會在設備上留下一個半球形的凹坑，這種取樣方法對設備的損傷較大且厚度不可控制。針對這一問題，本文提出并設計了一種以電火花成型技術為原理的在役設備微小試樣取樣機。設計了機器的整體機械機構和電火花放電的單片機控制箱，行程機構的控制精度可達0. 005mm，可挖取Imm厚度的薄試樣用于小沖桿試驗，表面熱影響層小于10微米， 所以對設備的損傷可以減小的最低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是設計并制作一種可以從在役設備上利用電火花成型技術割去一塊微小試樣，同時對設備本身做到微損，不改變割取的試樣本身的力學性能，表面熱影響層小于10微米。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)，該取樣系統(tǒng)包括電火花成型電源、電極、機械行程機構、信號檢測單元和單片機控制單元，所述的電火花成型電源為電極提供脈沖電壓；所述機械行程機構主要用于控制電極的運動，所述機械行程機構包括x向滑臺、Z向滑臺、滑臺固定機構、滾珠絲杠、直線導軌、直線導軌副、步進電機、聯(lián)軸器、電極夾持機構、電極、支架和機器底座；所述信號檢測單元包括電流信號檢測模塊、電壓信號檢測模塊和高頻信號信號檢測模塊；所述單片機控制單元包括通信模塊和步進電機的驅(qū)動模塊，所述信號檢測單元檢測到的信號輸入到所述單片機控制單元進行信號處理。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述微小試樣取樣系統(tǒng)的X-Z機械行程定位機構包括X向滑臺、Z向滑臺、滑臺固定機構、導程Imm的滾珠絲杠、直線導軌、直線導軌副、步距角1. 8度步進電機、聯(lián)軸器、電極夾持機構、電極、和機器底座。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述Z向滑臺正面固定在所述的機器底座上，所述Z向滑臺反面與所述的直線導軌和所述的滾珠絲杠聯(lián)接，所述的直線導軌副與直線導軌相連，所述的直線導軌和滾珠絲杠固定在滑臺固定機構的反面；所述X向滑臺的反面與所述的直線導軌副和滾珠絲杠聯(lián)接，所述的直線導軌副與直線導軌相聯(lián)接，所述的直線導軌和滾珠絲杠固定在滑臺固定機構的正面；所述電極夾持機構通過螺孔固定在所述的 X向滑臺的正面，所述的電極通過螺釘裝夾在電極夾持機構上；所述行程控制機構還包括X 方向步進電機，X方向電機支座，X方向彈簧聯(lián)軸器，所述X方向電機支座的一端通過螺釘固定在所述的滑臺固定機構的一端，所述的X方向支座的另一端固定在步進電機的端面上， 所述的步進電機的軸和所述的滾珠絲杠的軸端通過所述的彈簧聯(lián)軸器相連接所述行程控制機構還包括Z向步進電機、Z向步進電機支座、Z向彈簧聯(lián)軸器，其裝配關系與X方向的裝配結構相同。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述的信號檢測單元和單片機控制單元包括82M-2計數(shù)器、74LS373鎖存器、AT89C51單片機兩塊、4位共陰極數(shù)碼管兩塊、ULN2004A 功率放大芯片兩塊；由所述信號檢測電路檢測到的三路信號分別接在82M-2的GATE0、 GATEl 和 GATE2 引腳上，8254-2 的 OUTO, OUTl 和 0UT2 引腳置空，8254-2 的 CLKO, CLKl 和 CLK2共同接在第二塊AT89C51單片機的ALE引腳上，8254-2的D0-D7引腳通過74LS373與第一塊單片機的PO 口相接，第一塊單片機的P3.0、P3. 1、P3.2和P3. 4分別和第二塊單片機的P3. 1、？3.0、？3.4和？3.2相接，第一塊單片機的？1 口和第二塊單片機的PO 口作為數(shù)據(jù)線與兩塊共陰極數(shù)碼管相接。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述電極的形狀為一 U型，直徑為0.5mm， 寬度為1mm，材料為紫銅或者是銅鎢合金。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述電源為電火花成型脈沖電源。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述電極放電時通過粗針頭在放電部位噴灑煤油和去離子水作為工作介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述機器的底座帶有磁性。根據(jù)本發(fā)明所述的取樣系統(tǒng)，較好的是所述取樣系統(tǒng)獲的試樣厚度大于1mm，熱影響層小于10微米。本發(fā)明所述的微小試樣的取樣系統(tǒng)，可以從在役設備上利用電火花成型技術割去一塊微小試樣，同時對設備本身做到微損，不改變割取的試樣本身的力學性能，表面熱影響層小于10微米。


圖1為本發(fā)明所述的基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)的機械行程定位機構示意圖；圖2為圖1所述取樣系統(tǒng)中的信號檢測電路、信號處理電路和步進電機單片機控制電路的電路圖；圖3為圖1所述取樣系統(tǒng)的電極運動切割過程結構示意圖。
具體實施例方式以下，用實施例結合附圖對本發(fā)明作更詳細的描述。本實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。實施例如圖1所示，為本發(fā)明所述的基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)的機械行程定位機構示意圖。該取樣系統(tǒng)包括電火花成型電源、電極、機械行程機構、信號檢測單元和單片機控制單元，所述的電火花成型電源為電極提供脈沖電壓；所述機械行程機構主要用于控制電極的運動，所述機械行程機構包括x向滑臺、Z向滑臺、滑臺固定機構、滾珠絲杠、直線導軌、直線導軌副、步進電機、聯(lián)軸器、電極夾持機構、電極、支架和機器底座；所述信號檢測單元包括電流信號檢測模塊、電壓信號檢測模塊和高頻信號信號檢測模塊；所述單片機控制單元包括通信模塊和步進電機的驅(qū)動模塊，所述信號檢測單元檢測到的信號輸入到所述單片機控制單元進行信號處理。所述微小試樣取樣系統(tǒng)的X-Z機械行程定位機構包括X向滑臺12、Z向滑臺7、滑臺固定機構8、導程Imm的滾珠絲杠4和10、直線導軌6和9、直線導軌副15、步距角1. 8度步進電機1和2、聯(lián)軸器、電極夾持機構13、電極14和機器底座5。如圖2所示，為本發(fā)明所述微小試樣取樣系統(tǒng)的信號檢測電路、信號處理電路和步進電機單片機控制電路。按下電源按鈕后，單片機和步進電機開始上電工作。打開脈沖電源開關，然后調(diào)節(jié)脈寬，并打開最小輸出電流0. 5A的按鈕。按下Z向反向進給開關，Z向滑臺帶動電極逐漸靠近待取樣設備，當目測還有 l-2mm時按下Z向反向加工開關，當出現(xiàn)火花發(fā)電時即表明電極已經(jīng)到達設備表面并放電由于此時電流只有0. 5A并沒有加工能力，以此位置為加工零點。當電極進入放電間隙時，電壓檢測電路、電流檢測電路和高頻信號檢測電路就開始檢測間隙信號，當間隙電壓大于設定值時電壓檢測電路向三八譯碼器A引腳輸出1否則輸出0 ；當有電流流過時電流檢測電路向三八譯碼器B引腳輸出1否則輸出0 ；當間隙電壓存在高頻信號時高頻檢測電路則向三八譯碼器C引腳輸出1否則輸出0。三八譯碼器根據(jù)三路信號得出任意時刻的放電狀態(tài)是開路(進給)、火花放電(停止)、電弧放電還是短路信號。由于電弧放電和短路都需要回退，故通過或門將兩路信號合為一路(回退)，然后將進給、停止和回退這三種信號輸入到82M計數(shù)器的三個計數(shù)允許GATE門，當出現(xiàn)任何一種信號時，與此相連的該計數(shù)器便開始計數(shù)。上位機單片機A在一段時間內(nèi)讀取82M計數(shù)器三路的計數(shù)值，并將三路計數(shù)值的和做分母，每一路的計數(shù)值做分子，得出進給、停止和回退三路信號在一段時間內(nèi)的比率，即前一段時間內(nèi)間隙的放電狀態(tài)。上位單片機A根據(jù)此比率向下位單片機B輸出三種不同信號，下位單片機根據(jù)此信號控制步進電機前進、停止和后退即可控制電極和設備之間的距離，達到控制放電間隙的目的。與此同時，單片機B首先控制Z向步進電機反向加工，步進電機根據(jù)間隙的放電狀態(tài)不斷正轉、反轉，正轉一步程序變量Countl++，反轉一步Countl—，當Countl數(shù)值達到一定數(shù)值時即代表Z向已經(jīng)加工過的距離。然后單片機B控制X向步進電機正向加工， 步進電機根據(jù)間隙的放電狀態(tài)不斷地正轉、反轉，正轉一步程序變量Coimt2++，反轉一步 Count2-,當Coimt2數(shù)值達到一定數(shù)值時即代表X向已經(jīng)加工過的距離。最后單片機B控制Z向步進電機正向加工，步進電機根據(jù)間隙的放電狀態(tài)不斷地正轉、反轉，正轉一步程序變量Count3++，反轉一步C0unt3—，當Count3數(shù)值達到一定數(shù)值時即代表Z向已經(jīng)加工過的距離，此時步進電機都已停止。當步進電機完成上述工作后，即可從設備上割取一塊試樣 (如圖3所示)。單片機根據(jù)剛才走過的軌跡原路返回，回到初始位置。本發(fā)明所述的基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)，不僅能夠最大限度地得到樣本的性能，而且取樣過程對樣本也不會有損傷。
權利要求
1.一種基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)，該取樣系統(tǒng)包括電火花成型電源、 電極、機械行程機構、信號檢測單元和單片機控制單元，其特征在于所述的電火花成型電源為電極提供脈沖電壓；所述機械行程機構主要用于控制電極的運動，所述機械行程機構包括x向滑臺、Z向滑臺、滑臺固定機構、滾珠絲杠、直線導軌、直線導軌副、步進電機、聯(lián)軸器、電極夾持機構、 電極、支架和機器底座；所述信號檢測單元包括電流信號檢測模塊、電壓信號檢測模塊和高頻信號信號檢測模塊；所述單片機控制單元包括通信模塊和步進電機的驅(qū)動模塊，所述信號檢測單元檢測到的信號輸入到所述單片機控制單元進行信號處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述微小試樣取樣系統(tǒng)的X-Z機械行程定位機構包括X向滑臺(12)、Z向滑臺(7)、滑臺固定機構(8)、導程Imm的滾珠絲杠 (4,10)、直線導軌(6、9)、直線導軌副(15)、步距角為1. 8度的步進電機(1、2)、聯(lián)軸器、電極夾持機構(13)、電極(14)和機器底座(5)。
3.根據(jù)權利要求1所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述Z向滑臺正面固定在所述的機器底座上，所述Z向滑臺反面與所述的直線導軌和所述的滾珠絲杠聯(lián)接，所述的直線導軌副與直線導軌相連，所述的直線導軌和滾珠絲杠固定在滑臺固定機構的反面；所述X向滑臺的反面與所述的直線導軌副和滾珠絲杠聯(lián)接，所述的直線導軌副與直線導軌相聯(lián)接，所述的直線導軌和滾珠絲杠固定在滑臺固定機構的正面；所述電極夾持機構通過螺孔固定在所述的X向滑臺的正面，所述的電極通過螺釘裝夾在電極夾持機構上；所述行程控制機構還包括X方向步進電機O)，X方向電機支座(11)，X方向彈簧聯(lián)軸器，所述χ方向電機支座的一端通過螺釘固定在所述的滑臺固定機構的一端，所述的χ方向支座的另一端固定在步進電機的端面上，所述的步進電機的軸和所述的滾珠絲杠的軸端通過所述的彈簧聯(lián)軸器相連接；所述行程控制機構還包括Z向步進電機(1)、Z向步進電機支座( 、Z向彈簧聯(lián)軸器， 其裝配關系與X方向的裝配結構相同。
4.根據(jù)權利要求1所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述的信號檢測單元和單片機控制單元包括82M-2計數(shù)器、74LS373鎖存器、AT89C51 單片機兩塊、4位共陰極數(shù)碼管兩塊、ULN2004A功率放大芯片兩塊；所述信號檢測電路檢測到的三路信號分別接在82M-2的GATEO、GATEl和GATE2引腳上，8254-2的0UT0、0UT1和0UT2引腳置空，8254-2的CLK0、CLK1和CLK2共同接在第二塊 AT89C51單片機的ALE引腳上，8254-2的D0-D7引腳通過74LS373與第一塊單片機的PO 口相接，第一塊單片機的P3. 0、P3. 1、P3. 2和P3. 4分別和第二塊單片機的P3. 1、P3. 0、P3. 4 和P3. 2相接，第一塊單片機的Pl 口和第二塊單片機的PO 口作為數(shù)據(jù)線與兩塊共陰極數(shù)碼管相接。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述電極的形狀為一U 型，直徑為0. 5mm,寬度為1mm。
6.根據(jù)權利要求5所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述電極的材料為紫銅或銅鎢合金。
7.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述電源為電火花成型脈沖電源。
8.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述電極放電時通過粗針頭在放電部位噴灑煤油和去離子水作為工作介質(zhì)。
9.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述機器的底座帶有磁性。
10.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的取樣系統(tǒng)，其特征在于所述取樣系統(tǒng)獲的試樣厚度大于1mm，熱影響層小于10微米。
全文摘要
一種基于電火花成型原理的微小試樣取樣系統(tǒng)，其包括電火花成型電源、電極、機械行程機構、信號檢測單元和單片機控制單元，所述的電火花成型電源為電極提供脈沖電壓；所述機械行程機構用于控制電極的運動；所述信號檢測單元包括電流信號檢測模塊、電壓信號檢測模塊和高頻信號信號檢測模塊；所述單片機控制單元包括通信模塊和步進電機的驅(qū)動模塊，所述信號檢測單元檢測到的信號輸入到所述單片機控制單元進行信號處理。本發(fā)明所述的微小試樣的取樣系統(tǒng)，可以從在役設備上利用電火花成型技術割去一塊微小試樣，同時對設備本身做到微損，不改變割取的試樣本身的力學性能，表面熱影響層小于10微米。
文檔編號G01N1/04GK102419266SQ20101029317
公開日2012年4月18日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權日2010年9月27日
發(fā)明者惠虎, 李培寧, 沈睿 申請人:華東理工大學, 惠虎, 沈睿