专利名称：一种基于电火花成型原理的微小试样取样系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能从在役设备上挖取微小金属试样的系统，该系统利用了电火花成型原理，可挖取Imm厚度的薄试样用于小冲杆试验，同时对设备本身做到微损，表面热影响层小于10微米。
背景技术：
化工、石油化工、火电、核电等行业中存在着大量服役的压力容器和管道，对于这些设备，由于长期在特殊工况下服役，材料的性能会发生变化，要评价这些设备的安全性并想预测其剩余寿命，则必须较准确地得到其化学成分、金相组织及其力学性能(如屈服强度、抗拉强度、延伸率等)。这就需要从在役设备上取得尽可能小的试样，进行相关试验研小冲杆试验(small punch test)是20世纪80年代初提出的一种利用直径约IOmm 左右，厚约0.5mm薄片进行材料力学性能测试的新型实验方法。小冲杆试验技术已经发展的非常成熟，我国也正在研制相关国家标准，然而小冲杆试验研究所用的小圆片试样都是用机床加工出来的，无法直接从在役设备上取样。加拿大人Mercaldi在1989年发表了关于材料表面取样装置的专利，但该装置是利用其头部的一个高速旋转的半球形刀具从材料上切割下一块试样，但会在设备上留下一个半球形的凹坑，这种取样方法对设备的损伤较大且厚度不可控制。针对这一问题，本文提出并设计了一种以电火花成型技术为原理的在役设备微小试样取样机。设计了机器的整体机械机构和电火花放电的单片机控制箱，行程机构的控制精度可达0. 005mm，可挖取Imm厚度的薄试样用于小冲杆试验，表面热影响层小于10微米， 所以对设备的损伤可以减小的最低。

发明内容
本发明要解决的技术问题是设计并制作一种可以从在役设备上利用电火花成型技术割去一块微小试样，同时对设备本身做到微损，不改变割取的试样本身的力学性能，表面热影响层小于10微米。为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于电火花成型原理的微小试样取样系统，该取样系统包括电火花成型电源、电极、机械行程机构、信号检测单元和单片机控制单元，所述的电火花成型电源为电极提供脉冲电压；所述机械行程机构主要用于控制电极的运动，所述机械行程机构包括x向滑台、Z向滑台、滑台固定机构、滚珠丝杠、直线导轨、直线导轨副、步进电机、联轴器、电极夹持机构、电极、支架和机器底座；所述信号检测单元包括电流信号检测模块、电压信号检测模块和高频信号信号检测模块；所述单片机控制单元包括通信模块和步进电机的驱动模块，所述信号检测单元检测到的信号输入到所述单片机控制单元进行信号处理。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述微小试样取样系统的X-Z机械行程定位机构包括X向滑台、Z向滑台、滑台固定机构、导程Imm的滚珠丝杠、直线导轨、直线导轨副、步距角1. 8度步进电机、联轴器、电极夹持机构、电极、和机器底座。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述Z向滑台正面固定在所述的机器底座上，所述Z向滑台反面与所述的直线导轨和所述的滚珠丝杠联接，所述的直线导轨副与直线导轨相连，所述的直线导轨和滚珠丝杠固定在滑台固定机构的反面；所述X向滑台的反面与所述的直线导轨副和滚珠丝杠联接，所述的直线导轨副与直线导轨相联接，所述的直线导轨和滚珠丝杠固定在滑台固定机构的正面；所述电极夹持机构通过螺孔固定在所述的 X向滑台的正面，所述的电极通过螺钉装夹在电极夹持机构上；所述行程控制机构还包括X 方向步进电机，X方向电机支座，X方向弹簧联轴器，所述X方向电机支座的一端通过螺钉固定在所述的滑台固定机构的一端，所述的X方向支座的另一端固定在步进电机的端面上， 所述的步进电机的轴和所述的滚珠丝杠的轴端通过所述的弹簧联轴器相连接所述行程控制机构还包括Z向步进电机、Z向步进电机支座、Z向弹簧联轴器，其装配关系与X方向的装配结构相同。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述的信号检测单元和单片机控制单元包括82M-2计数器、74LS373锁存器、AT89C51单片机两块、4位共阴极数码管两块、ULN2004A 功率放大芯片两块；由所述信号检测电路检测到的三路信号分别接在82M-2的GATE0、 GATEl 和 GATE2 引脚上，8254-2 的 OUTO, OUTl 和 0UT2 引脚置空，8254-2 的 CLKO, CLKl 和 CLK2共同接在第二块AT89C51单片机的ALE引脚上，8254-2的D0-D7引脚通过74LS373与第一块单片机的PO 口相接，第一块单片机的P3.0、P3. 1、P3.2和P3. 4分别和第二块单片机的P3. 1、？3.0、？3.4和？3.2相接，第一块单片机的？1 口和第二块单片机的PO 口作为数据线与两块共阴极数码管相接。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述电极的形状为一 U型，直径为0.5mm， 宽度为1mm，材料为紫铜或者是铜钨合金。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述电源为电火花成型脉冲电源。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述电极放电时通过粗针头在放电部位喷洒煤油和去离子水作为工作介质。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述机器的底座带有磁性。根据本发明所述的取样系统，较好的是所述取样系统获的试样厚度大于1mm，热影响层小于10微米。本发明所述的微小试样的取样系统，可以从在役设备上利用电火花成型技术割去一块微小试样，同时对设备本身做到微损，不改变割取的试样本身的力学性能，表面热影响层小于10微米。


图1为本发明所述的基于电火花成型原理的微小试样取样系统的机械行程定位机构示意图；图2为图1所述取样系统中的信号检测电路、信号处理电路和步进电机单片机控制电路的电路图；图3为图1所述取样系统的电极运动切割过程结构示意图。
具体实施例方式以下，用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。本实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。实施例如图1所示，为本发明所述的基于电火花成型原理的微小试样取样系统的机械行程定位机构示意图。该取样系统包括电火花成型电源、电极、机械行程机构、信号检测单元和单片机控制单元，所述的电火花成型电源为电极提供脉冲电压；所述机械行程机构主要用于控制电极的运动，所述机械行程机构包括x向滑台、Z向滑台、滑台固定机构、滚珠丝杠、直线导轨、直线导轨副、步进电机、联轴器、电极夹持机构、电极、支架和机器底座；所述信号检测单元包括电流信号检测模块、电压信号检测模块和高频信号信号检测模块；所述单片机控制单元包括通信模块和步进电机的驱动模块，所述信号检测单元检测到的信号输入到所述单片机控制单元进行信号处理。所述微小试样取样系统的X-Z机械行程定位机构包括X向滑台12、Z向滑台7、滑台固定机构8、导程Imm的滚珠丝杠4和10、直线导轨6和9、直线导轨副15、步距角1. 8度步进电机1和2、联轴器、电极夹持机构13、电极14和机器底座5。如图2所示，为本发明所述微小试样取样系统的信号检测电路、信号处理电路和步进电机单片机控制电路。按下电源按钮后，单片机和步进电机开始上电工作。打开脉冲电源开关，然后调节脉宽，并打开最小输出电流0. 5A的按钮。按下Z向反向进给开关，Z向滑台带动电极逐渐靠近待取样设备，当目测还有 l-2mm时按下Z向反向加工开关，当出现火花发电时即表明电极已经到达设备表面并放电由于此时电流只有0. 5A并没有加工能力，以此位置为加工零点。当电极进入放电间隙时，电压检测电路、电流检测电路和高频信号检测电路就开始检测间隙信号，当间隙电压大于设定值时电压检测电路向三八译码器A引脚输出1否则输出0 ；当有电流流过时电流检测电路向三八译码器B引脚输出1否则输出0 ；当间隙电压存在高频信号时高频检测电路则向三八译码器C引脚输出1否则输出0。三八译码器根据三路信号得出任意时刻的放电状态是开路(进给)、火花放电(停止)、电弧放电还是短路信号。由于电弧放电和短路都需要回退，故通过或门将两路信号合为一路(回退)，然后将进给、停止和回退这三种信号输入到82M计数器的三个计数允许GATE门，当出现任何一种信号时，与此相连的该计数器便开始计数。上位机单片机A在一段时间内读取82M计数器三路的计数值，并将三路计数值的和做分母，每一路的计数值做分子，得出进给、停止和回退三路信号在一段时间内的比率，即前一段时间内间隙的放电状态。上位单片机A根据此比率向下位单片机B输出三种不同信号，下位单片机根据此信号控制步进电机前进、停止和后退即可控制电极和设备之间的距离，达到控制放电间隙的目的。与此同时，单片机B首先控制Z向步进电机反向加工，步进电机根据间隙的放电状态不断正转、反转，正转一步程序变量Countl++，反转一步Countl—，当Countl数值达到一定数值时即代表Z向已经加工过的距离。然后单片机B控制X向步进电机正向加工， 步进电机根据间隙的放电状态不断地正转、反转，正转一步程序变量Coimt2++，反转一步 Count2-,当Coimt2数值达到一定数值时即代表X向已经加工过的距离。最后单片机B控制Z向步进电机正向加工，步进电机根据间隙的放电状态不断地正转、反转，正转一步程序变量Count3++，反转一步C0unt3—，当Count3数值达到一定数值时即代表Z向已经加工过的距离，此时步进电机都已停止。当步进电机完成上述工作后，即可从设备上割取一块试样 (如图3所示)。单片机根据刚才走过的轨迹原路返回，回到初始位置。本发明所述的基于电火花成型原理的微小试样取样系统，不仅能够最大限度地得到样本的性能，而且取样过程对样本也不会有损伤。
权利要求
1.一种基于电火花成型原理的微小试样取样系统，该取样系统包括电火花成型电源、 电极、机械行程机构、信号检测单元和单片机控制单元，其特征在于所述的电火花成型电源为电极提供脉冲电压；所述机械行程机构主要用于控制电极的运动，所述机械行程机构包括x向滑台、Z向滑台、滑台固定机构、滚珠丝杠、直线导轨、直线导轨副、步进电机、联轴器、电极夹持机构、 电极、支架和机器底座；所述信号检测单元包括电流信号检测模块、电压信号检测模块和高频信号信号检测模块；所述单片机控制单元包括通信模块和步进电机的驱动模块，所述信号检测单元检测到的信号输入到所述单片机控制单元进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的取样系统，其特征在于所述微小试样取样系统的X-Z机械行程定位机构包括X向滑台(12)、Z向滑台(7)、滑台固定机构(8)、导程Imm的滚珠丝杠 (4,10)、直线导轨(6、9)、直线导轨副(15)、步距角为1. 8度的步进电机(1、2)、联轴器、电极夹持机构(13)、电极(14)和机器底座(5)。
3.根据权利要求1所述的取样系统，其特征在于所述Z向滑台正面固定在所述的机器底座上，所述Z向滑台反面与所述的直线导轨和所述的滚珠丝杠联接，所述的直线导轨副与直线导轨相连，所述的直线导轨和滚珠丝杠固定在滑台固定机构的反面；所述X向滑台的反面与所述的直线导轨副和滚珠丝杠联接，所述的直线导轨副与直线导轨相联接，所述的直线导轨和滚珠丝杠固定在滑台固定机构的正面；所述电极夹持机构通过螺孔固定在所述的X向滑台的正面，所述的电极通过螺钉装夹在电极夹持机构上；所述行程控制机构还包括X方向步进电机O)，X方向电机支座(11)，X方向弹簧联轴器，所述χ方向电机支座的一端通过螺钉固定在所述的滑台固定机构的一端，所述的χ方向支座的另一端固定在步进电机的端面上，所述的步进电机的轴和所述的滚珠丝杠的轴端通过所述的弹簧联轴器相连接；所述行程控制机构还包括Z向步进电机(1)、Z向步进电机支座( 、Z向弹簧联轴器， 其装配关系与X方向的装配结构相同。
4.根据权利要求1所述的取样系统，其特征在于所述的信号检测单元和单片机控制单元包括82M-2计数器、74LS373锁存器、AT89C51 单片机两块、4位共阴极数码管两块、ULN2004A功率放大芯片两块；所述信号检测电路检测到的三路信号分别接在82M-2的GATEO、GATEl和GATE2引脚上，8254-2的0UT0、0UT1和0UT2引脚置空，8254-2的CLK0、CLK1和CLK2共同接在第二块 AT89C51单片机的ALE引脚上，8254-2的D0-D7引脚通过74LS373与第一块单片机的PO 口相接，第一块单片机的P3. 0、P3. 1、P3. 2和P3. 4分别和第二块单片机的P3. 1、P3. 0、P3. 4 和P3. 2相接，第一块单片机的Pl 口和第二块单片机的PO 口作为数据线与两块共阴极数码管相接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的取样系统，其特征在于所述电极的形状为一U 型，直径为0. 5mm,宽度为1mm。
6.根据权利要求5所述的取样系统，其特征在于所述电极的材料为紫铜或铜钨合金。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的取样系统，其特征在于所述电源为电火花成型脉冲电源。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的取样系统，其特征在于所述电极放电时通过粗针头在放电部位喷洒煤油和去离子水作为工作介质。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的取样系统，其特征在于所述机器的底座带有磁性。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的取样系统，其特征在于所述取样系统获的试样厚度大于1mm，热影响层小于10微米。
全文摘要
一种基于电火花成型原理的微小试样取样系统，其包括电火花成型电源、电极、机械行程机构、信号检测单元和单片机控制单元，所述的电火花成型电源为电极提供脉冲电压；所述机械行程机构用于控制电极的运动；所述信号检测单元包括电流信号检测模块、电压信号检测模块和高频信号信号检测模块；所述单片机控制单元包括通信模块和步进电机的驱动模块，所述信号检测单元检测到的信号输入到所述单片机控制单元进行信号处理。本发明所述的微小试样的取样系统，可以从在役设备上利用电火花成型技术割去一块微小试样，同时对设备本身做到微损，不改变割取的试样本身的力学性能，表面热影响层小于10微米。
文档编号G01N1/04GK102419266SQ20101029317
公开日2012年4月18日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者惠虎, 李培宁, 沈睿 申请人:华东理工大学, 惠虎, 沈睿