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專利名稱：輕巧便攜適于現(xiàn)場測量的x射線應(yīng)力測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用X射線衍射原理無損地測定多晶材料應(yīng)力的儀器。
各種機(jī)械構(gòu)件在制造時(shí)往往會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，以致使構(gòu)件變形、開裂造成損壞。在無損測定殘余應(yīng)力的各種方法中，普遍認(rèn)為X射線法是比較可靠和實(shí)用的。它可適用于各種金屬材料(甚至陶瓷材料)經(jīng)過各種工藝過程(如鑄造、焊接、鍛壓、車削、磨削、噴丸、熱處理及各種表面處理)制成的構(gòu)件。因而在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。
現(xiàn)有的X射線應(yīng)力測定儀，主要由測量頭和支架兩大部分構(gòu)成，其缺點(diǎn)是笨重龐大，功能差，不適于現(xiàn)場測量。從結(jié)構(gòu)上看有以下不合理之處1)ψ、2θ導(dǎo)軌是兩個(gè)單件，分別安裝在測量頭基體的左右，基體在中部有一拐彎(形成臺階)，2θ導(dǎo)軌以基體的拐彎部位為依托。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，一是基體帶有拐彎部位會增加測量頭的重量，二是ψ、2θ導(dǎo)軌單件加工裝配，保證二者同心度十分困難，組裝工藝復(fù)雜；2)X射線管呈懸臂狀固定在基體下部的右面，受力不合理；3)ψ扇形蝸輪與支架的連接方式不合理。基于測試功能的需要，支架與ψ扇形蝸輪的連接應(yīng)能夠保證后者繞ψ回轉(zhuǎn)中心在一定角度范圍內(nèi)變動(dòng)。為此，目前的X射線應(yīng)力測定儀是在ψ扇形蝸輪外附加一個(gè)T型導(dǎo)槽作為與支架的連接部位，這樣做也使測量頭的重量增加；4)測量頭支架不適于現(xiàn)場實(shí)際測量。目前的支架主要有兩種形式，一種是座式的，測量頭以懸臂狀態(tài)安裝在與底座垂直的方形立柱上，其缺點(diǎn)是受力狀態(tài)不合理，升降調(diào)整困難。另一種是橫梁三腳式的，測量頭懸掛于橫梁之下，這種形式雖然受力狀況較好，但高度、垂直度的調(diào)整和換點(diǎn)測試時(shí)平移調(diào)整都比較困難。此外兩種形式的支架只能適用大型工件朝上的平面或曲率半徑較大的弧面上各點(diǎn)的測試，適用范圍較小。
本實(shí)用新型的目的是提供一種輕巧便攜適用現(xiàn)場測量的高性能的X射線應(yīng)力測定儀。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括X射線管、探測器、基體、2θ傳動(dòng)系統(tǒng)、ψ傳動(dòng)系統(tǒng)和三腳支架，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，2θ導(dǎo)軌與ψ導(dǎo)軌為一整體件。基體為一平板，中部有一開口圓弧槽，2θ導(dǎo)軌、ψ導(dǎo)軌與基體垂直交叉，兩導(dǎo)軌之間部分插進(jìn)基體的開口圓弧槽中并加以緊固。X射線管插在基體下部的通孔中，固緊位置在X射線管的中部。ψ扇形蝸輪體上開有一弧形通孔，連接柱穿過通孔將ψ扇形蝸輪與三維平移機(jī)構(gòu)的連接板連接起來。三腳支架的橫梁上安裝有三維平移機(jī)構(gòu)，三腳支架的立柱螺栓腳下裝有電控永磁吸盤，電控永磁吸盤與立柱螺栓采用萬向節(jié)式連接。
本實(shí)用新型還可以下述方式實(shí)現(xiàn)三維平移機(jī)構(gòu)的X向平移機(jī)構(gòu)由燕尾導(dǎo)軌、燕尾槽和絲杠、絲母組成，絲母固定在燕尾槽之上，燕尾導(dǎo)軌固定在橫梁上，絲母、燕尾槽可在絲杠的作用下沿燕尾導(dǎo)軌平移；Y向、Z向平移機(jī)構(gòu)分別由絲杠、圓柱導(dǎo)桿和圓筒導(dǎo)軌組成。X向平移機(jī)構(gòu)燕尾槽與Z向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體；Z向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與Y向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體；Y向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與連接板連接，連接板上固定有連接柱。
電控永磁吸盤主要由殼體、可逆磁極、線圈、主磁極組成，可逆磁極位于線圈的芯部，主磁極位于線圈的下面。
本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1)重量輕，便于攜帶。測量頭基體形狀的改變以及對ψ扇形蝸輪與連接柱連接方式的改進(jìn)，節(jié)省了材料，使測量頭重量減少35％。2)測量精度高。2θ導(dǎo)軌與ψ導(dǎo)軌為一整體件，在車床上可一次加工成型，確保了二者的同心度；增加三維平移機(jī)構(gòu)使測試時(shí)可方便地進(jìn)行微調(diào)，基于上述兩點(diǎn)，使測量精度大大提高。3)適用范圍廣。立柱螺栓腳下增加電控永磁吸盤及三腳支架立柱螺栓與電控永磁吸盤萬向節(jié)式的連接，使得支架既靈活又穩(wěn)固，不僅可應(yīng)用于大型工件朝上的平面或曲率半徑較大的弧面上各點(diǎn)的測試，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對曲率半徑較小的弧面及對大型試件立面、仰面的測試。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)說明

圖1本實(shí)用新型立體圖圖2基體圖3整體的2θ導(dǎo)軌——ψ導(dǎo)軌圖4基體與整體的2θ導(dǎo)軌——ψ導(dǎo)軌裝配圖圖5基體與整體的2θ導(dǎo)軌——ψ導(dǎo)軌及X射線管裝配圖圖6ψ扇形蝸輪與連接柱裝配圖圖7電控永磁吸盤結(jié)構(gòu)圖(一)測應(yīng)力原理簡述本實(shí)用新型是依據(jù)X射線衍射原理測定材料應(yīng)力的。當(dāng)一束具有一定波長入的X射線照射到多晶體上時(shí)，會在一定角度2θ(衍射角)上接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值，這便是X射線衍射現(xiàn)象。X射線波長入，衍射晶面間距d和衍射角2θ之間遵從著名的布拉格定律2dsinθ＝nλ(n＝1，2，3……)測試時(shí)，將一定波長的X射線分若干次以不同入射角照射到多晶材料表面，每次分別用探測器進(jìn)行掃描以接收反射的X射線，便可得到與反射強(qiáng)度極大值相對應(yīng)的衍射角2θ。如果這些衍射角2θ在一定誤差范圍內(nèi)大體相等，即不隨入射角的改變而規(guī)律改變，則表明被測材料表面元應(yīng)力；反之，如果衍射角2θ隨入射角有規(guī)律地變化，則表明有應(yīng)力，變化越大，應(yīng)力也越大。
根據(jù)這樣的原理，應(yīng)力測定儀的測量頭應(yīng)當(dāng)具備如下兩種運(yùn)動(dòng)一是探測器相對于人射X射線在一定接收角范圍內(nèi)的掃描；一是改變X射線入射方向。如此才能做到在不同的入射角的情況分別得到衍射角2θ。至此，測應(yīng)力的問題將轉(zhuǎn)變?yōu)樵诓煌肷浣乔闆r下測定衍射角2θ的問題。
(二)結(jié)構(gòu)本實(shí)用新型可分為測量頭、三維平移機(jī)構(gòu)、三腳支架、電控永磁吸盤等幾部分。
1、測量頭包括X射線管7、探測器11、基體12和ψ傳動(dòng)系統(tǒng)、2θ傳動(dòng)系統(tǒng)。ψ傳動(dòng)系統(tǒng)由ψ導(dǎo)軌13、ψ蝸桿14、ψ扇形蝸輪15及步進(jìn)電機(jī)組成；2θ傳動(dòng)系統(tǒng)由2θ導(dǎo)軌8、2θ扇形蝸輪9、2θ蝸桿10及步進(jìn)電機(jī)組成。ψ導(dǎo)軌13與2θ導(dǎo)軌8為一整體件。基體12為一平板件，中部有一開口圓弧槽。2θ導(dǎo)軌8、ψ導(dǎo)軌13與基體12垂直交叉，兩導(dǎo)軌之間部分插進(jìn)基體12的開口圓弧槽中并加以緊固。X射線管7插在基體下部的通孔中，固緊位置在X射線管的中部。ψ扇形蝸輪15體上開有一弧形通孔，連接柱16穿過通孔將ψ扇形蝸輪15與三維平移機(jī)構(gòu)6的連接板連接起來。由于測量頭重量減輕，連接柱16僅用兩根Φ16×60mm的雙頭螺栓，連接板尺寸用60×45×10mm的即可。
工作原理當(dāng)2θ蝸桿10在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它帶動(dòng)2θ扇形蝸輪9沿2θ導(dǎo)軌8運(yùn)動(dòng)，于是，與2θ扇形蝸輪連在一起的探測器便做掃描。所滑掃描，即是逐步改變探測器軸線與X射線管7發(fā)出的X射線的夾角。在掃描過程中，探測器11接收各角度上的反射X射線，這是應(yīng)力測量必需的動(dòng)作之一。
當(dāng)ψ蝸桿14在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下做自轉(zhuǎn)時(shí)，它同時(shí)也沿ψ扇形蝸輪15作圓弧運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)整個(gè)測量頭在ψ扇形蝸輪15上運(yùn)動(dòng)。整個(gè)測量頭的運(yùn)動(dòng)的作用在于改變X射線對于試樣表面的入射角，這是應(yīng)力測量必需的又一動(dòng)作。
2、三維平移機(jī)構(gòu)和連接柱三維平移機(jī)構(gòu)6包括X向平移機(jī)構(gòu)、Y向平移機(jī)構(gòu)、Z向平移機(jī)構(gòu)、連接板。X向平移機(jī)構(gòu)由燕尾導(dǎo)軌、燕尾槽和絲杠、絲母組成。絲母固定在燕尾槽上，燕尾導(dǎo)軌固定在橫梁上，絲母、燕尾槽可在絲杠的作用下沿燕尾導(dǎo)軌平移。Y向、Z向平移機(jī)構(gòu)分別由絲杠、圓柱導(dǎo)桿和圓筒導(dǎo)軌組成。X向平移機(jī)構(gòu)的燕尾槽與Z向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體，Z向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與Y向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體，Y向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與連接板連接，連接板上固定有連接柱16。
Z向平移機(jī)構(gòu)的作用是精確較準(zhǔn)測量頭至測試點(diǎn)的距離。在一個(gè)點(diǎn)測試完畢后，如需在小范圍內(nèi)改換測試點(diǎn)，可利用X、Y向平移機(jī)構(gòu)。例如，需要X向移動(dòng)測量頭時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，燕尾槽即帶動(dòng)Z向、Y向平移機(jī)構(gòu)和整個(gè)測量頭一起在X向平移。
3、三腳支架三腳支腳5由三條立柱螺栓、兩個(gè)橫梁及固定螺母組成。其作用是支承測量頭，使測量頭相對于測試點(diǎn)保持一定的距離和角度。轉(zhuǎn)動(dòng)立柱螺栓，第一可以粗略調(diào)整測量頭至被測試件表面的距離(精確調(diào)整由三維平移機(jī)構(gòu)完成)，第二可以校準(zhǔn)測量頭相對于試件表面的垂直度。
4、電控永磁吸盤它包括殼體1、可逆磁極2、線圈3、主磁極4及附件。主磁極4采用新型強(qiáng)永磁材料釹鐵硼，可逆磁極2采用矯頑力較低的鋁鎳鈷材料。可逆磁極2可用通電的線圈改變極性。電控永磁吸盤具體結(jié)構(gòu)參見圖7，在殼體1內(nèi)部裝有線圈3，可逆磁極2位于線圈3的芯部，主磁極4位于線圈3的下面。當(dāng)主磁極4與可逆磁極2的磁力線恰成閉合狀態(tài)時(shí)，整個(gè)吸盤對外不顯磁性。給線圈3通電，使可逆磁極極性轉(zhuǎn)換，這時(shí)主磁極與可逆磁極極性相同而相疊加，吸盤對外呈現(xiàn)很強(qiáng)的磁性。而且在此之后切斷電源并不影響磁力。如需退磁，則要再給線圈以反向通電，使可逆磁極的極性再次轉(zhuǎn)換，吸盤恢復(fù)對外無磁的狀態(tài)。
電控永磁吸盤安裝于三腳支架5的三個(gè)立柱螺栓腳部，采用萬向節(jié)式連接方式，即立柱螺栓腳制成球形，電控永磁吸盤上有一窩臼，二者裝配可有很大的自由度。這樣可保證三腳支架在曲率半徑較小的弧形的試樣及大型工件立面、仰面上穩(wěn)固而靈活地調(diào)整的需要。
此外，使用本實(shí)用新型測定材料應(yīng)力時(shí)，還需配備計(jì)算機(jī)和開關(guān)電源。操作者可通過計(jì)算機(jī)的鍵盤以人機(jī)對話的方式選擇測量條件，按動(dòng)測量鍵后，即可按操作者的意圖自動(dòng)控制測量全過程，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，最后打印出測量結(jié)果。開關(guān)電源分低壓、高壓兩部分，低壓箱產(chǎn)生5V供計(jì)算機(jī)，24V供步進(jìn)電機(jī)。高壓部分由控制箱和油箱組成，主要為X射線管提供高穩(wěn)定度的15—30KV電壓，為探測器的正比計(jì)數(shù)管提供1000--1500V電壓。
權(quán)利要求1.一種輕巧便攜適于現(xiàn)場測量的X射線應(yīng)力測定儀，包括X射線管(7)、探測器(11)、基體(12)、2θ傳動(dòng)系統(tǒng)、ψ傳動(dòng)系統(tǒng)和三腳支架(5)，其特征是2θ導(dǎo)軌(8)與ψ導(dǎo)軌(13)為一整體件；基體(12)為一平板，中部有一開口圓弧槽；2θ導(dǎo)軌(8)、ψ導(dǎo)軌(13)與基體(12)垂直交叉，兩導(dǎo)軌之間部分插進(jìn)基體的開口圓弧槽中并加以緊固；X射線管(7)插在基體(12)下部的通孔中，固緊位置在X射線管的中部；ψ扇形蝸輪(15)體上開有一弧形通孔，連接柱(16)穿過通孔將ψ扇形蝸輪(15)與三維平移機(jī)構(gòu)(6)的連接板連接起來；三腳支架(5)的橫梁上安裝有三維平移機(jī)構(gòu)(6)，三腳支架(5)的立柱螺栓腳下裝有電控永磁吸盤，電控永磁吸盤與立柱螺栓采用萬向節(jié)式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線應(yīng)力測定儀，其特征是三維平移機(jī)構(gòu)(6)的X向平移機(jī)構(gòu)由燕尾導(dǎo)軌、燕尾槽和絲杠、絲母組成，絲母固定在燕尾槽之上，燕尾導(dǎo)軌固定在橫梁上，絲母、燕尾槽可在絲杠的作用下沿燕尾導(dǎo)軌平移；Y向、Z向平移機(jī)構(gòu)分別由絲杠、圓柱導(dǎo)桿和圓筒導(dǎo)軌組成；X向平移機(jī)構(gòu)的燕尾槽與Z向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體，Z向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與Y向平移機(jī)構(gòu)的圓筒導(dǎo)軌連為一體，Y向平移機(jī)構(gòu)的圓柱導(dǎo)桿與連接板連接，連接板上固定有連接柱(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射應(yīng)力測定儀，其特征是電控永磁吸盤主要由殼體(1)、可逆磁極(2)、線圈(3)、主磁極(4)組成，可逆磁極(2)位于線圈(3)的芯部，主磁極(4)位于線圈(3)的下面。
專利摘要一種利用X射線衍射原理無損測量材料應(yīng)力的儀器，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，測量頭的2θ導(dǎo)軌與ψ導(dǎo)軌為一整體件，它們與基體垂直交叉固定，X射線管的中部緊固在基體下部通孔中；ψ扇形蝸輪體上有一弧形通孔，連接柱直接與ψ扇形蝸輪緊固；三腳支架橫梁上裝有三維平移機(jī)構(gòu)，立柱螺栓腳下裝有電控永磁吸盤。本實(shí)用新型輕巧便攜，測量精度高，適用范圍廣，既可在實(shí)驗(yàn)室使用，又可用于大型工件的現(xiàn)場測量。
文檔編號G01L1/26GK2227331SQ9424522
公開日1996年5月15日 申請日期1994年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月9日
發(fā)明者李邯保, 呂克茂, 貞宇亮, 戴玲, 杜淑敏 申請人:邯鄲高新技術(shù)發(fā)展總公司愛斯特研究所