电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

相较于传统砝码加载式硬度计,电子闭环控制系统的特性使其能极大的改善和提高操作的便利性和结果的准确性,稳定性,砝码式硬度计在稳定性,重复性和灵活性上均无法和新型电子闭环型硬度计相比。

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

在超过75年的时间里,工业上一直使用砝码加载的硬度计,砝码加载的优势很明显:1,成本低廉,2,能够满足现有工业测试要求的加载精度. 尽管如此:砝码硬度计在使用中始终有不可回避的问题:载荷必须通过压头加载到工件上,压头一般为金刚石或者钢球和硬质合金球. 砝码的重量无法直接施加到压头上, 比方说HRC标尺需要砝码具有150公斤的力,由于150kg对于砝码来说太大,所以需要通过杠杆把小质量的砝码力放大来达到要求的载荷. 杠杆系统会有支撑轴承,支架等一系列摩擦弹性件,这会产生一系列的摩擦力,大大增加载荷误差. 生产商们做了一系列卓越的工作来大大降低这些干扰误差, 但是误差依然存在,因为这些摩擦部件仍然存在。

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

在砝码加载系统中,最终施加的载荷很难控制. 为了施加载荷,砝码必须运动, 然后尽量快的停下来,不能有过载和振动. 许多老旧型号的硬度计使用缓冲器来控制载荷. 但是由于密封件老化和温度变化的影响,缓冲器本身又会使载荷产生误差, 所以新型砝码硬度计一般用电机来实现缓冲功能. 这样就解决了缓冲器的不稳定问题,但对电机速度的调试要求很高,依然解决不了过载和载荷不稳定的问题

开环和闭环控制系统

使用砝码加载系统的硬度计一般属于开环控制系统. 换句话说, 载荷由经过校准的砝码和杠杆产生, 生产商会在设备出厂前使用第三者设备进行整体校准 (校准设备一般都是电子载荷传感器), 在以后的整个设备寿命周期内都不能进行精确到校准. 因为事先假定砝码质量一定,施加的加载就不会变. 事实证明砝码系统在很多场合都能很好的工作,包括硬度计,但是由于砝码系统的先天性缺陷,使用砝码系统的设备始终无法实现性能的跨越,也就是说砝码系统的精度现在已经达到了其极限 (Fig. 1).

 

 

Fig 2 使用闭环控制系统的硬度计能始终保持载荷的稳定性,无任何的过载和不稳定现象

在上个世纪50年代, 闭环控制系统在拉力试验机上大量使用. 闭环控制系统和开环控制系统不同的是系统会始终监控测试过程中所施加的载荷,然后反馈给控制中心,控制中心根据反馈信息再控制施加的载荷动作(Fig. 2). 这些闭环控制系统当时获得了极大的成功,使试验机的精度跃升到了前所未有的高度,以至于几乎所有的试验机都运用了闭环控制系统

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

闭环控制系统也能解决一直困扰硬度计的难题

闭环控制系统能不间断的控制施加载荷,提供高精度,稳定的载荷,同时闭环控制系统要比砝码系统简单的多,系统的可靠性也大大提高. 之前提到过,砝码系统包含砝码,杠杆和其他一些会产生摩擦的器件 (Fig. 3). 压头,整个硬度计唯一和试样接触的部件, 被杠杆,减震器的部件和砝码分离。

 

相比较而言,闭环控制系统的主要部件是应力应变型传感器. 这个小巧紧凑的元器件会根据施加到它上面的力大小输出同比例的电信号.载荷传感器有很多种尺寸; 所以,硬度计就可以设计成压头直接连接到载荷传感器上 (Fig. 4).这种设计,压头和载荷发生装置之间存在的系统干扰和误差被彻底排除. 这种设计使用执行器加载, 执行器本身有齿轮和滑道, 这同样会存在干扰,但由于这些元器件在载荷传感器的上方,所以这些部件所产生的摩擦等最终的载荷没有影响.

打个比方, 如果执行器的摩擦很厉害导致施加到压头上载荷发生变化, 载荷发生器会报警并且不会显示读值. 所以系统会避免任何错误结果的产生. 所以系统会持续的监控自己直到正确的载荷施加到压头上. 由于闭环控制系统的存在,执行器可以很好的被控制.

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用
系统性能

评估硬度计性能最常用的的方法是GR&R技术 (重复性,重现性). 此方法中, 评价一台设备通过比较这台设备的不确定性和整个测试程序所产生的不确定性,结果以百分数表示,指的是设备在整个测试过程中所占产生误差的比重。百分数越低,设备性能越好. 通常情况下, 使用者想要达到10%或者更低的 GR&R 结果. 但是有些情况下30%也是可以接受的. 硬度计一般的GR&R值是30%,因为硬度计通常的不稳定性要高, 并且工件的不均匀性也增加了硬度计GR&R值.

取决于不同年代不同设计的硬度计, 砝码洛氏硬度计的GR&R值一般为12% to 25%. 在严格控制的理想环境下, 也可以达到 10%. 但是很不稳定. 同样的环境下, 闭环控制系统的硬度计能GR&R能达到低于7%. 严格控制的理想环境下可以达到 2%. (2% 通常被认为是能达到的最低值,因为被测材料本身具有不均质性.) 另外,载荷传感器系统能提供更加稳定的读值和测试。


性能提高所带来的好处

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

对系统精度的要去取决于测量结果有多重要. 如果您只是想核实工件是否被热处理过, GR&R 值是否低于10%似乎不重要. 但是如果您设置了很严格的容差, 高精度的测试结果能让你准确区别合格品和次品,能够使您节约成本. 高精度的硬度测试系统将能帮助您节省大量的金钱.

如今, "不确定性" 是最常被校准人员提及的词. 例如, 在 ISO 17025规则中,必须有对不确定性的相关描述,包含硬度. 另外客户可能突然有一天要求每个测试的不确定性报告. 那么硬度计的准确性将对不确定性报告的准确性产生重大影响. 硬度计准确性越高,那么报告的不确定性越低.

如今,闭环控制系统已经应用到硬度计领域,用于布氏,洛氏,维氏硬度测量,能提供更大范围的载荷控制. 载荷传感器一般的量程范围为100:1. 换句话说,最低力值10 kg, 最高力值1000 kg. 这比砝码硬度计的载荷范围要大得多. 另外,闭环控制系统可以实现在整个载荷范围内的任何载荷. 而砝码硬度计只能实现特定的几个载荷. 一些最新型的载荷传感器能实现大于100:1的载荷放大范围.

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

闭环系统的高适应性也是其一大优势. 由于载荷加载过程由微处理器控制, 所以可以轻松设置测试闭环. 这不仅能满足很多个性化测试要求, 也可以轻易满足任何新的或者更改过的新测试标准. 这一点非常有用, 例如, 您想让您的洛氏硬度计满足最新NIST (美国国家标准与技术研究院) 标准中对加载时间的要求,闭环系统可以轻松设定。

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

电子闭环自动化控制在硬度计领域的应用

闭环控制系统已经被证明是最好的硬度测试解决方案. 如果硬度测试结果对您很重要,那么电子闭环硬度计对您来说是必须的!.