摘 要:全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因,在進(jìn)行夏比擺錘沖擊試驗(yàn)時(shí),測(cè)量設(shè)備狀態(tài)及 試驗(yàn)的人工沖擊操作等降低了試驗(yàn)效率和結(jié)果準(zhǔn)確率.介紹了智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的 構(gòu)造、試驗(yàn)概述和優(yōu)勢(shì),將自動(dòng)沖擊與人工沖擊進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明:智能機(jī)器人全自動(dòng)沖 擊試驗(yàn)系統(tǒng)按照夏比擺錘沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,沖擊試驗(yàn)時(shí)間恒定,保證了試驗(yàn)節(jié)奏的一致性,得到 的試驗(yàn)結(jié)果偏差小且數(shù)據(jù)分布更為集中,減少了人為誤差和試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性,降低了試驗(yàn)結(jié)果的 誤判和錯(cuò)判的概率,提高了試驗(yàn)效率和結(jié)果準(zhǔn)確率. 

關(guān)鍵詞:全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī);夏比擺錘沖擊;智能機(jī)器人;自動(dòng)沖擊 

中圖分類(lèi)號(hào):TG５０６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７７５Ｇ０４

夏比擺錘沖擊試驗(yàn)是將帶 U 形或 V 形缺口的 金屬試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間,用擺錘打擊試樣, 使其沿缺口沖斷,通過(guò)沖斷時(shí)擺錘重新升起的高度 差計(jì)算試樣的沖擊吸收能量[１Ｇ２],擺錘沖擊試驗(yàn)?zāi)芊? 映材料的韌脆特性,對(duì)于沖擊試樣因熱加工缺陷及 內(nèi)部夾雜物引起的材料脆化非常敏感,因而在產(chǎn)品 檢驗(yàn)和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用.夏比沖擊試驗(yàn)采 用了在動(dòng)態(tài)力下瞬間沖斷的方法,其試驗(yàn)結(jié)果的影 響因素較多,主要包括人員要求、測(cè)量設(shè)備狀態(tài)、沖 擊試樣的制備、試驗(yàn)操作的控制等[３Ｇ５].為保證試驗(yàn) 結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性,準(zhǔn)確合理地控制這些因素 尤為重要.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)部分試驗(yàn)室配備了進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的 全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī),但全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)因結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)方面的原因,在使用過(guò)程中存在制冷裝置易結(jié)霜 造成推送機(jī)構(gòu)?？ㄋ?、送樣過(guò)程易掉樣、沖擊試驗(yàn)機(jī) 砧座毛刺影響試樣定位精度等問(wèn)題.此外,該類(lèi)試驗(yàn)機(jī)由于在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)氣體冷卻和液體冷卻識(shí)別 不明確易造成保溫時(shí)間設(shè)定分歧,而且由于其采用 的是端面定位的方式,對(duì)沖擊試樣的長(zhǎng)度公差加工 要求由０．４２mm 增加到０．１６５mm,大幅降低了沖 擊試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,使得全自動(dòng)沖擊 試驗(yàn)機(jī)目前仍難以被大規(guī)模的普及應(yīng)用.某公司自 主開(kāi)發(fā)了基于視覺(jué)定位的智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試 驗(yàn)系統(tǒng),從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上避免了上述問(wèn)題.筆者介紹 了該智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造、試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn)與方法以及優(yōu)勢(shì)等. 

１ 智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)造 

智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊系統(tǒng)集成了金屬材料力 學(xué)沖擊試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)控溫低溫槽、視覺(jué)定位、機(jī)器人、 分揀收集裝置及信息管理軟件等系統(tǒng),在人工進(jìn)行 批量試樣的上料、組批及下達(dá)任務(wù)后,系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn) 行試樣的降溫、保溫、上料、沖擊,并在試驗(yàn)完成后自 動(dòng)上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)沖擊試驗(yàn).

智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 １ 所 示,由機(jī)器人對(duì)沖擊試樣的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定:試驗(yàn)時(shí)間 (從冷卻環(huán)境到完成沖擊)小于４．５s;沖擊試樣缺口 對(duì)稱(chēng)面偏離砧座中點(diǎn)不大于０．１mm(行業(yè)要求不大 于０．５mm).試驗(yàn)完成后,系統(tǒng)會(huì)得出沖擊試樣是 否合格的結(jié)果. 

智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊系統(tǒng)提高了實(shí)驗(yàn)室裝備 的智能化水平,可實(shí)現(xiàn)低溫槽的自動(dòng)保溫控制,提高 了上料節(jié)奏的穩(wěn)定性,確保試樣擺放位置的精確度, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸,增強(qiáng)了試驗(yàn)操作的規(guī)范性,排 除了人為誤差,提高了試驗(yàn)準(zhǔn)確性與工作效率.

２ 智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)概述 

２．１ 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 

智能機(jī)器 人 全 自 動(dòng) 沖 擊 試 驗(yàn) 系 統(tǒng) 按 照 GB/T ２２９－２００７«金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法»(或ISO １４８Ｇ１:２００６ Metallic Materials—Charpy PendulumImpactTest—Part１:TestMethod)和 ASTM E２３－２０１２cStandard Test Methodsfor Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials進(jìn)行沖擊試驗(yàn).其中,GB/T２２９－２００７ (或ISO１４８Ｇ１:２００６)適用于室溫以及高低溫下的 試驗(yàn),而 ASTM E２３－２０１２c 適 用 于 溫 度 高 于 －１９６ ℃的試驗(yàn).智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊系統(tǒng)按照 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求而研發(fā),在取放樣節(jié)奏、 放樣位置、試樣傳送、記錄和讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面都 進(jìn)行了嚴(yán)格的控制.

２．２ 試驗(yàn)過(guò)程 

在采用智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行沖 擊試驗(yàn)前需做好準(zhǔn)備工作,包括檢查設(shè)備的狀態(tài)和 試樣是否符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),如查看擺錘擺放是否到位、 沖擊刀刃與試樣間隙是否達(dá)標(biāo)、指針是否回零、沖擊 系統(tǒng)手 臂 擺 放 位 置 是 否 準(zhǔn) 確 等. 試 驗(yàn) 過(guò) 程 按 照 GB/T２２９－２００７(或ISO１４８Ｇ１:２００６)或者 ASTM E２３－２０１２c規(guī)定的方法進(jìn)行.

３ 智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 

３．１ 沖擊時(shí)間的恒定性 

 選取 A３６船板鋼為試驗(yàn)材料.為避免因材料 不均勻和沖擊吸收能量的離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影 響,采用１００組尺寸為１０mm×１０mm×５５mm 的 沖擊試樣(每組有３個(gè)試樣,取平均值作為最終結(jié) 果),其中５０組由操作人員進(jìn)行人工沖擊,５０組由 智能機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)沖擊.同時(shí)記錄沖擊時(shí) 間,人工沖擊采用秒表計(jì)時(shí),自動(dòng)沖擊采用自動(dòng)計(jì) 時(shí),試驗(yàn)時(shí)間結(jié)果如圖２所示.可見(jiàn)人工沖擊每組 試樣的平均時(shí)間為３．６４s,自動(dòng)沖擊每組試樣的平 均時(shí)間為４．３３s.雖然人工沖擊用時(shí)較短,但是由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),操作人員會(huì)產(chǎn) 生疲勞,無(wú)法長(zhǎng)期準(zhǔn)確控制沖擊節(jié)奏和時(shí)間,試驗(yàn)前 后的時(shí)間控制會(huì)出現(xiàn)偏差,如果再加大試驗(yàn)量,沖擊 時(shí)間將變長(zhǎng),試驗(yàn)速度會(huì)下降.由于智能機(jī)器人不 會(huì)產(chǎn)生疲勞,沖擊時(shí)間基本恒定(輕微波動(dòng)主要是由 保溫介質(zhì)液面波動(dòng)和自動(dòng)計(jì)時(shí)的操作誤差引起),不 會(huì)隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而變化,試驗(yàn)全程節(jié)奏穩(wěn)定,提 高了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

３．２ 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布特性 

采用智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn) 由于人員的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)疲勞導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入不規(guī) 范甚至錯(cuò)誤的現(xiàn)象,保證了試驗(yàn)結(jié)果的完整性、有效 性和規(guī)范性. 自動(dòng)沖擊和人工沖擊測(cè)得的沖擊吸收能量數(shù)據(jù) 分析結(jié)果如圖３所示.可見(jiàn)兩種沖擊方式得到的沖 擊吸收能量數(shù)值均符合正態(tài)分布,

自動(dòng)沖擊得到的 沖擊吸收能量的標(biāo)準(zhǔn)差小于人工沖擊得到的,這是 因?yàn)樽詣?dòng)沖擊消除了大部分人為操作產(chǎn)生的誤差, 得到的試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確.自動(dòng)沖擊得到的沖擊吸收 能量數(shù)值范圍更集中.

自動(dòng)沖擊和人工沖擊得到的沖擊吸收能量分布 概率圖如圖４所示,在９５％的置信區(qū)間內(nèi),自動(dòng)沖 擊得到的沖擊吸收能量在相對(duì)真值(即材料的平均 沖擊吸收能量)的８９．５６％~１１０．４４％范圍內(nèi);人工 沖擊得到的沖擊吸收能量在相對(duì)真值的８４．１６％~ １１５．８４％范圍內(nèi),可見(jiàn)自動(dòng)沖擊系統(tǒng)得到的沖擊吸 收能量分布區(qū)間更窄,離散程度更小,數(shù)據(jù)分布更集 中.分布區(qū)間越小,測(cè)試值與真值越接近,小的分布 區(qū)間比大的分布區(qū)間發(fā)生誤判的概率更低.

在智能機(jī)器人自動(dòng)沖擊９５％置信區(qū)間外,人工 沖擊結(jié)果的分布概率圖如圖５所示.概率分布圖顯 示,人工沖擊結(jié)果有１０．１％的概率分布在自動(dòng)沖擊 ９５％置信區(qū)間外.故智能機(jī)器人自動(dòng)沖擊結(jié)果準(zhǔn)確 率提高了５．１％.

３．３ 試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率 

根據(jù)多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn),沖擊試驗(yàn)結(jié)果的原始記 錄要求做到以下幾點(diǎn)[６]: 

(１)原始記錄具有原始性、客觀(guān)性,要求試驗(yàn)人 員按要求在檢驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)填寫(xiě),不得事后憑記憶或隨意改動(dòng). 

(２)試樣檢驗(yàn)具有不間斷的溯源鏈且檢測(cè)結(jié)果 具有可溯源性. 

(３)確認(rèn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法是否正確. 

(４)確認(rèn)不合格結(jié)果是否需要重復(fù)檢驗(yàn). 

(５)原始記錄引用標(biāo)準(zhǔn)方法具有完整性和一 致性. 

(６)法定計(jì)量單位與數(shù)據(jù)處理正確、規(guī)范,非法 定計(jì)量單位符號(hào)、字母大小寫(xiě)、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算正 確,有效數(shù)字修約規(guī)范. 

(７)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境符合 GB/T２２９－２００７標(biāo)準(zhǔn) 的要求. 

(８)試驗(yàn)報(bào)告的時(shí)間不得出現(xiàn)邏輯性錯(cuò)誤.

試驗(yàn)人員按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成試驗(yàn)后,人工讀取 表盤(pán)或顯示器數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)存在誤差,此外,在試驗(yàn)數(shù)據(jù) 的錄入過(guò)程中,試驗(yàn)人員因疲勞或手誤會(huì)出現(xiàn)個(gè)別 數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤或者有效數(shù)字修約不規(guī)范的問(wèn)題,導(dǎo) 致試驗(yàn)結(jié)果存在偏差,需要重復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行二次檢驗(yàn), 造成試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)和試驗(yàn)資源的浪費(fèi).表１是某 實(shí)驗(yàn)室２０１７年沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的人工錄入情況統(tǒng)計(jì) 表,可見(jiàn)該年度人工錄入的錯(cuò)誤次數(shù)為１５８次,錯(cuò)誤 率為０．０６％.在２０１８年采用智能機(jī)器人全自動(dòng)沖 擊試驗(yàn)系統(tǒng)后,該實(shí)驗(yàn)室的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入的錯(cuò) 誤率為０.由于智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)具 有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及記錄裝置,試驗(yàn)完畢會(huì)及時(shí)記錄 試驗(yàn)結(jié)果,且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤的現(xiàn)象,避免了人為造成的數(shù)據(jù)誤判和錯(cuò)判,進(jìn)而避免了由此帶來(lái) 的二次檢測(cè),縮短了試驗(yàn)周期并減少了資源浪費(fèi),提 升了試驗(yàn)效率和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率. 

３．４ 試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性 

夏比擺錘沖擊試驗(yàn)得到的試驗(yàn)結(jié)果(沖擊吸收 能量)存在著波動(dòng).在材料成分和爐次批次相同、生 產(chǎn)工藝一致的情況下,試驗(yàn)數(shù)值的波動(dòng)與機(jī)加工和 試驗(yàn)過(guò)程中的操作(如讀數(shù)等)有關(guān).機(jī)加工過(guò)程是 指從原材料取樣,并將其按照 GB/T２２９－２００７標(biāo) 準(zhǔn)加工成沖擊試樣,該過(guò)程中對(duì)試樣的尺寸和表面 粗糙度要求較高.對(duì)于機(jī)加工過(guò)程相同的試樣,試 驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性主要和試驗(yàn)過(guò)程的操作有關(guān).

智能機(jī)器人全沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)采用智能化程序控 制試驗(yàn)過(guò)程,在保證試驗(yàn)時(shí)間恒定的前提下,通過(guò)溫 度控制系統(tǒng)將試樣的溫度控制在規(guī)定溫度的±１ ℃ 范圍內(nèi),避免因溫度的波動(dòng)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng). 同時(shí)由圖３和圖４可以看出,自動(dòng)沖擊的試驗(yàn)結(jié)果 分布區(qū)間更集中,偏差更小,避免了人為因素對(duì)試驗(yàn) 結(jié)果的影響.

３．５ 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的臨界值

在夏比擺錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果中存在個(gè)別瀕臨合格 值的 臨 界 值,關(guān) 于 臨 界 值 的 處 理 在 GB/T２２９－ ２００７標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定,智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試 驗(yàn)系統(tǒng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臨界值處理設(shè)置,未 出現(xiàn)因臨界值處理有誤導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤的現(xiàn)象. 圖６是１００組試樣的平均沖擊吸收能量變化情況, 可見(jiàn)自動(dòng)沖擊和人工沖擊一樣會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中的臨 界值進(jìn)行辨別和處理.

４ 結(jié)語(yǔ) 

智能機(jī)器人全自動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)按照夏比擺錘沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,沖擊試驗(yàn)時(shí)間恒定,保證了試驗(yàn) 節(jié)奏的一致性,得到的試驗(yàn)結(jié)果偏差小且數(shù)據(jù)分布 更為集中,減少了人為誤差和試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性,降 低了試驗(yàn)結(jié)果的誤判和錯(cuò)判的概率,提高了試驗(yàn)效 率和結(jié)果準(zhǔn)確率.

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<文章來(lái)源 > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 11期 (pp:775-778)>