摘 要:全自動沖擊試驗機由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因,在進行夏比擺錘沖擊試驗時,測量設(shè)備狀態(tài)及 試驗的人工沖擊操作等降低了試驗效率和結(jié)果準確率.介紹了智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)的 構(gòu)造、試驗概述和優(yōu)勢,將自動沖擊與人工沖擊進行了對比分析.結(jié)果表明:智能機器人全自動沖 擊試驗系統(tǒng)按照夏比擺錘沖擊試驗標準設(shè)定,沖擊試驗時間恒定,保證了試驗節(jié)奏的一致性,得到 的試驗結(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結(jié)果的波動性,降低了試驗結(jié)果的 誤判和錯判的概率,提高了試驗效率和結(jié)果準確率.

關(guān)鍵詞:全自動沖擊試驗機;夏比擺錘沖擊;智能機器人;自動沖擊

中圖分類號:TG５０６ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７７５Ｇ０４

夏比擺錘沖擊試驗是將帶 U 形或 V 形缺口的 金屬試樣置于試驗機兩支座之間,用擺錘打擊試樣, 使其沿缺口沖斷,通過沖斷時擺錘重新升起的高度 差計算試樣的沖擊吸收能量[１Ｇ２],擺錘沖擊試驗?zāi)芊? 映材料的韌脆特性,對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 檢驗和科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用.夏比沖擊試驗采 用了在動態(tài)力下瞬間沖斷的方法,其試驗結(jié)果的影 響因素較多,主要包括人員要求、測量設(shè)備狀態(tài)、沖 擊試樣的制備、試驗操作的控制等[３Ｇ５].為保證試驗 結(jié)果的準確性和有效性,準確合理地控制這些因素 尤為重要.

近年來,國內(nèi)部分試驗室配備了進口或國產(chǎn)的 全自動沖擊試驗機,但全自動沖擊試驗機因結(jié)構(gòu)設(shè) 計方面的原因,在使用過程中存在制冷裝置易結(jié)霜 造成推送機構(gòu)常卡死、送樣過程易掉樣、沖擊試驗機 砧座毛刺影響試樣定位精度等問題.此外,該類試驗機由于在試驗過程中對氣體冷卻和液體冷卻識別 不明確易造成保溫時間設(shè)定分歧,而且由于其采用 的是端面定位的方式,對沖擊試樣的長度公差加工 要求由０．４２mm 增加到０．１６５mm,大幅降低了沖 擊試驗效率和試驗結(jié)果的準確性,使得全自動沖擊 試驗機目前仍難以被大規(guī)模的普及應(yīng)用.某公司自 主開發(fā)了基于視覺定位的智能機器人全自動沖擊試 驗系統(tǒng),從系統(tǒng)設(shè)計上避免了上述問題.筆者介紹 了該智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)的構(gòu)造、試驗 標準與方法以及優(yōu)勢等.

１ 智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)的構(gòu)造

智能機器人全自動沖擊系統(tǒng)集成了金屬材料力 學(xué)沖擊試驗機、自動控溫低溫槽、視覺定位、機器人、 分揀收集裝置及信息管理軟件等系統(tǒng),在人工進行 批量試樣的上料、組批及下達任務(wù)后,系統(tǒng)將自動進 行試樣的降溫、保溫、上料、沖擊,并在試驗完成后自 動上傳試驗數(shù)據(jù),實現(xiàn)了全自動沖擊試驗.

智能機器人全自動沖擊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 １ 所 示,由機器人對沖擊試樣的參數(shù)進行設(shè)定:試驗時間 (從冷卻環(huán)境到完成沖擊)小于４．５s;沖擊試樣缺口 對稱面偏離砧座中點不大于０．１mm(行業(yè)要求不大 于０．５mm).試驗完成后,系統(tǒng)會得出沖擊試樣是 否合格的結(jié)果.

智能機器人全自動沖擊系統(tǒng)提高了實驗室裝備 的智能化水平,可實現(xiàn)低溫槽的自動保溫控制,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, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動傳輸,增強了試驗操作的規(guī)范性,排 除了人為誤差,提高了試驗準確性與工作效率.

２ 智能機器人全自動沖擊試驗概述

２．１ 試驗標準

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

２．２ 試驗過程

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

３ 智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)的優(yōu)勢

３．１ 沖擊時間的恒定性

選取 A３６船板鋼為試驗材料.為避免因材料 不均勻和沖擊吸收能量的離散性對試驗結(jié)果的影 響,采用１００組尺寸為１０mm×１０mm×５５mm 的 沖擊試樣(每組有３個試樣,取平均值作為最終結(jié) 果),其中５０組由操作人員進行人工沖擊,５０組由 智能機器人系統(tǒng)進行自動沖擊.同時記錄沖擊時 間,人工沖擊采用秒表計時,自動沖擊采用自動計 時,試驗時間結(jié)果如圖２所示.可見人工沖擊每組 試樣的平均時間為３．６４s,自動沖擊每組試樣的平 均時間為４．３３s.雖然人工沖擊用時較短,但是由實際操作經(jīng)驗可知,隨著時間的延長,操作人員會產(chǎn) 生疲勞,無法長期準確控制沖擊節(jié)奏和時間,試驗前 后的時間控制會出現(xiàn)偏差,如果再加大試驗量,沖擊 時間將變長,試驗速度會下降.由于智能機器人不 會產(chǎn)生疲勞,沖擊時間基本恒定(輕微波動主要是由 保溫介質(zhì)液面波動和自動計時的操作誤差引起),不 會隨試驗時間的延長而變化,試驗全程節(jié)奏穩(wěn)定,提 高了試驗效率和試驗結(jié)果的準確性.

３．２ 沖擊試驗數(shù)據(jù)分布特性

采用智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)不會出現(xiàn) 由于人員的視覺和聽覺疲勞導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)錄入不規(guī) 范甚至錯誤的現(xiàn)象,保證了試驗結(jié)果的完整性、有效 性和規(guī)范性. 自動沖擊和人工沖擊測得的沖擊吸收能量數(shù)據(jù) 分析結(jié)果如圖３所示.可見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,

自動沖擊得到的 沖擊吸收能量的標準差小于人工沖擊得到的,這是 因為自動沖擊消除了大部分人為操作產(chǎn)生的誤差, 得到的試驗結(jié)果更準確.自動沖擊得到的沖擊吸收 能量數(shù)值范圍更集中.

自動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),自動沖 擊得到的沖擊吸收能量在相對真值(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真值的８４．１６％~ １１５．８４％范圍內(nèi),可見自動沖擊系統(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.

在智能機器人自動沖擊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％的概率分布在自動沖擊 ９５％置信區(qū)間外.故智能機器人自動沖擊結(jié)果準確 率提高了５．１％.

３．３ 試驗結(jié)果的準確率

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

(１)原始記錄具有原始性、客觀性,要求試驗人 員按要求在檢驗過程中及時填寫,不得事后憑記憶或隨意改動.

(２)試樣檢驗具有不間斷的溯源鏈且檢測結(jié)果 具有可溯源性.

(３)確認檢測標準和方法是否正確.

(４)確認不合格結(jié)果是否需要重復(fù)檢驗.

(５)原始記錄引用標準方法具有完整性和一 致性.

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

(７)現(xiàn)場檢測環(huán)境符合 GB/T２２９－２００７標準 的要求.

(８)試驗報告的時間不得出現(xiàn)邏輯性錯誤.

試驗人員按照試驗標準完成試驗后,人工讀取 表盤或顯示器數(shù)據(jù)時會存在誤差,此外,在試驗數(shù)據(jù) 的錄入過程中,試驗人員因疲勞或手誤會出現(xiàn)個別 數(shù)據(jù)錄入錯誤或者有效數(shù)字修約不規(guī)范的問題,導(dǎo) 致試驗結(jié)果存在偏差,需要重復(fù)試驗進行二次檢驗, 造成試驗周期的延長和試驗資源的浪費.表１是某 實驗室２０１７年沖擊試驗數(shù)據(jù)的人工錄入情況統(tǒng)計 表,可見該年度人工錄入的錯誤次數(shù)為１５８次,錯誤 率為０．０６％.在２０１８年采用智能機器人全自動沖 擊試驗系統(tǒng)后,該實驗室的沖擊試驗數(shù)據(jù)錄入的錯 誤率為０.由于智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)具 有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及記錄裝置,試驗完畢會及時記錄 試驗結(jié)果,且不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入錯誤的現(xiàn)象,避免了人為造成的數(shù)據(jù)誤判和錯判,進而避免了由此帶來 的二次檢測,縮短了試驗周期并減少了資源浪費,提 升了試驗效率和試驗結(jié)果的準確率.

３．４ 試驗結(jié)果的波動性

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

智能機器人全沖擊試驗系統(tǒng)采用智能化程序控 制試驗過程,在保證試驗時間恒定的前提下,通過溫 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),避免因溫度的波動導(dǎo)致試驗結(jié)果的波動. 同時由圖３和圖４可以看出,自動沖擊的試驗結(jié)果 分布區(qū)間更集中,偏差更小,避免了人為因素對試驗 結(jié)果的影響.

３．５ 試驗數(shù)據(jù)的臨界值

在夏比擺錘沖擊試驗結(jié)果中存在個別瀕臨合格 值的 臨 界 值,關(guān) 于 臨 界 值 的 處 理 在 GB/T２２９－ ２００７標準中有明確規(guī)定,智能機器人全自動沖擊試 驗系統(tǒng)嚴格按照試驗標準進行臨界值處理設(shè)置,未 出現(xiàn)因臨界值處理有誤導(dǎo)致試驗結(jié)果錯誤的現(xiàn)象. 圖６是１００組試樣的平均沖擊吸收能量變化情況, 可見自動沖擊和人工沖擊一樣會對試驗結(jié)果中的臨 界值進行辨別和處理.

４ 結(jié)語

智能機器人全自動沖擊試驗系統(tǒng)按照夏比擺錘沖擊試驗標準設(shè)定,沖擊試驗時間恒定,保證了試驗 節(jié)奏的一致性,得到的試驗結(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結(jié)果的波動性,降 低了試驗結(jié)果的誤判和錯判的概率,提高了試驗效 率和結(jié)果準確率.

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