專利名稱：測(cè)角器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)角器。 本發(fā)明還涉及一種用于移動(dòng)測(cè)角器的測(cè)量頭的方法。
本發(fā)明是一種可移動(dòng)的測(cè)角器或者有時(shí)稱作衍射計(jì)，用 于測(cè)量應(yīng)力和辨別微觀結(jié)構(gòu)。移動(dòng)的主要目的是使其能夠測(cè)量大型的 和復(fù)雜的零件或結(jié)構(gòu)，如曲軸、從幾毫米到幾米的齒輪、軸承、起落
裝置等。
背景技術(shù)：
最近幾年，對(duì)控制殘余應(yīng)力的需要幾乎成指數(shù)倍地增加， 至少我們從每年公開(kāi)的相關(guān)文獻(xiàn)看得出來(lái)。這種需求膨脹的主要驅(qū)動(dòng) 力是在不降低安全水平的情況下減輕結(jié)構(gòu)重量的需要。殘余應(yīng)力可以 對(duì)零件的性能-例如疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生有益的或有害的影響。通常，拉應(yīng) 力產(chǎn)生消極效果而壓縮表面應(yīng)力產(chǎn)生積極效果?？紤]到這些，如機(jī)加 工、磨削、焊接等的制造過(guò)程被設(shè)計(jì)(優(yōu)化)成可以使殘余拉應(yīng)力最 小化，同時(shí)在很多情況下可以增加額外的處理，如熱和/或化學(xué)表面硬 化、噴丸、拋光、超精研磨等。所形成的殘余應(yīng)力沿深度分布圖在零 件質(zhì)量規(guī)范中常常有嚴(yán)格的規(guī)定，同時(shí)具有不同應(yīng)力值的部件被認(rèn)為 是有缺陷的。這種狀況產(chǎn)生了對(duì)快速可靠的質(zhì)量控制的需要。有很多 種測(cè)量殘余表面應(yīng)力的方法。 一種最普通且已被時(shí)間證明的方法是X 射線衍射，通過(guò)X射線衍射可以測(cè)量晶格平面間距、原子之間的距離。 壓應(yīng)力使晶格間距減少而對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力使晶格間距增加。很多方向上 的晶格間距被測(cè)量出來(lái)與測(cè)量點(diǎn)的表面法線相比較。由于樣本表面的 應(yīng)力，晶格間距隨傾斜角度的函數(shù)的改變而改變。為了能在不同的傾 角下測(cè)量晶格間距，入射和衍射射束相對(duì)于測(cè)量表面的法線的角度需 要以一個(gè)已知的量進(jìn)行改變。在實(shí)驗(yàn)用衍射計(jì)中，上述改變通過(guò)傾斜 樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)。在便攜式衍射計(jì)中，分別包含X射線管和檢測(cè)器的測(cè)角 器被傾斜。在位置傳感檢測(cè)器中，所述檢測(cè)器與X射線管固定在一起， 在單頻道檢測(cè)器系統(tǒng)中，所述檢測(cè)器相對(duì)于X射線管移動(dòng)。
在使用X射線衍射方式測(cè)量殘余應(yīng)力中的兩個(gè)最重要的 因素是測(cè)量點(diǎn)與檢測(cè)器之間的距離保持恒定(erikoistapaus上的 tama)以及入射射束在每個(gè)傾斜位置精確撞擊測(cè)量點(diǎn)。傳統(tǒng)上，這通 過(guò)位于測(cè)量頭下方的支架(弧形)或在更現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)中使用線性軸 承和旋轉(zhuǎn)管來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種最新的解決方案比支架型解決方案具有更多 的自由。應(yīng)力是具有方向的矢量。系統(tǒng)的傾斜需要在幾個(gè)方向上進(jìn)行 以測(cè)量這些方向上的應(yīng)力。通常，在實(shí)驗(yàn)用系統(tǒng)中，樣本被旋轉(zhuǎn)，這 限制了樣本的最大尺寸不超過(guò)幾千克。在便攜式系統(tǒng)中，也會(huì)旋轉(zhuǎn)測(cè) 角器。這些解決方案都是復(fù)雜的設(shè)計(jì)并難于改型，但由于復(fù)雜的樣本 幾何形狀，又需要經(jīng)常進(jìn)行改型。并且，通常一個(gè)測(cè)量點(diǎn)是不夠的。 需要測(cè)量焊縫上的分布或矩陣型分布。在大部分情況下，這些操作通 過(guò)用x/y工作臺(tái)四處移動(dòng)樣本來(lái)實(shí)現(xiàn)，在某些情況下，通過(guò)用x/y工 作臺(tái)四處移動(dòng)測(cè)角器來(lái)實(shí)現(xiàn)。再一次地，所有這些結(jié)構(gòu)都是復(fù)雜的并 限制了能夠被測(cè)量的可行幾何形狀。 從US6064717中可知一種測(cè)量裝置，其具有附接至兩個(gè) 不同樞轉(zhuǎn)機(jī)械臂的X射線管和檢測(cè)器。由于多個(gè)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)間不可避免的 沖突，復(fù)雜的樞轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)非常難于構(gòu)建成足夠精確以用于X射線衍射 測(cè)量中。正確的對(duì)齊是非常困難的；而兩個(gè)獨(dú)立的移動(dòng)臂需要互相對(duì) 齊且與測(cè)量點(diǎn)對(duì)齊。即使這些問(wèn)題可以被最大程度地減少到可接受的 程度，其花費(fèi)也是非常高的。這種方案也不是便攜的或可移動(dòng)的。 本發(fā)明基于使用一種裝置，該裝置中的X射線管和檢測(cè) 器位于能夠三維移動(dòng)的自動(dòng)裝置中且測(cè)量目標(biāo)位于不可移動(dòng)的基座 上。


圖3示出了

圖1中所示的測(cè)角器在另一種測(cè)量方向上的
圖4示出了圖3中所示的測(cè)角器的立體圖。
圖5示出了圖1中所示的測(cè)角器在第三種測(cè)量方向上的
圖6示出了圖5中所示的測(cè)角器的立體圖。 圖7示意性地示出了測(cè)量點(diǎn)的法線的確定。 圖8示出了作為測(cè)量目標(biāo)的焊縫的立體圖。 圖9示出了一個(gè)測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。 圖IO示出了另一個(gè)測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
0034] 在隨后對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中，將用到下列術(shù)語(yǔ): 1測(cè)角器的基座 3第一旋轉(zhuǎn)接頭 4第一臂 5第二傾斜接頭 7第三傾斜接頭 8第四臂 9第三旋轉(zhuǎn)接頭 1U企測(cè)器弧 14基座調(diào)節(jié) 16第二旋轉(zhuǎn)接頭 17第三臂 18旋轉(zhuǎn)基座元件 20測(cè)量平面 [(JOSS]21測(cè)量平面的法線
22測(cè)量點(diǎn)
2 3校準(zhǔn)點(diǎn) 根據(jù)圖1，用于測(cè)量應(yīng)力的測(cè)角器1包括具有六個(gè)接頭的 自動(dòng)裝置，六個(gè)接頭包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭和三個(gè)傾斜接頭。因此，X射線 管支架10可以自由地在三維空間中移動(dòng)。 更詳細(xì)地，測(cè)角器包括其上連接有基座元件2的基座1。 基座元件2包括用于旋轉(zhuǎn)第一旋轉(zhuǎn)接頭3上的旋轉(zhuǎn)基座元件18的電動(dòng) 機(jī)(未示出)。第一臂4通過(guò)第一傾斜接頭15連接到旋轉(zhuǎn)基座元件上 且相應(yīng)地第二臂6通過(guò)第二傾斜接頭5連接到第一臂4上。進(jìn)一步地， 第二臂6通過(guò)第二旋轉(zhuǎn)接頭16連接到第三臂17上。第三臂17通過(guò)第 三傾斜接頭連接到第四臂8上，第四臂8最終通過(guò)第三旋轉(zhuǎn)接頭9連 接到形成測(cè)量頭12的X射線管支架10上。X射線管支架10包括X射 線管、檢測(cè)器弧11和瞄準(zhǔn)儀19。自然地，為實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，所有接頭 都包括獨(dú)立的可控電動(dòng)機(jī)。 在圖2和3中，測(cè)量頭l2在測(cè)量過(guò)程中在一個(gè)方向上傾 斜并且相應(yīng)地在圖5和6中向另一個(gè)方向傾斜。 具有檢測(cè)器(一個(gè)或多個(gè)，通常為兩個(gè))的X射線管頭 IO連接到自動(dòng)裝置上，如上所述。自動(dòng)裝置被編程以測(cè)量手動(dòng)顯示或 通過(guò)命令輸入的一個(gè)點(diǎn)。自動(dòng)裝置通過(guò)用瞄準(zhǔn)儀觸碰或例如使用激光 測(cè)距系統(tǒng)的 一些其它方法找到測(cè)量點(diǎn)的合適距離。自動(dòng)裝置使測(cè)量沿 著諸如軸向的限定方向進(jìn)行并在諸如周向的其它方向上重復(fù)進(jìn)行測(cè) 量。然后，該自動(dòng)裝置能夠根據(jù)命令測(cè)量下一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)。
0063] 根據(jù)本發(fā)明的測(cè)角器進(jìn)行工作，使得測(cè)量頭精確地沿著 圍繞測(cè)量點(diǎn)的預(yù)先確定的圓形路徑移動(dòng)。通過(guò)瞄準(zhǔn)^U旨向測(cè)量點(diǎn)的X 射線束總是準(zhǔn)確地撞擊在正確的位置，即使當(dāng)上下或水平移動(dòng)以及傾 斜時(shí)。0064]除測(cè)量頭的精確傾斜外，測(cè)量點(diǎn)與檢測(cè)器之間距離的精 確度需要在所有傾斜位置優(yōu)于0. 05mm。自動(dòng)裝置的移動(dòng)需要被控制， 使得所述X射線管頭總是沿圓形路徑移動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)重要實(shí)施 方式中，測(cè)角器的半徑可以通過(guò)軟件在自動(dòng)裝置的范圍內(nèi)被改變，因 此不需要附加的旋轉(zhuǎn)單元和x/y單元。 下文中在圖7的幫助下描述了測(cè)量點(diǎn)22的法線方向20 的確定 測(cè)量點(diǎn)附近的至少三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)23已通過(guò)自動(dòng)裝置用瞄準(zhǔn) 儀19觸碰或其它方式被測(cè)量。這給出了包括測(cè)量點(diǎn)在內(nèi)的所述點(diǎn)在自 動(dòng)裝置坐標(biāo)系統(tǒng)中的相對(duì)位置。 使用線性或非線性最小二乘擬合法可以找到平面公式的 系數(shù)。這確定了該平面，該平面代表測(cè)量點(diǎn)所在的平面。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)角器進(jìn)行工作，使得測(cè)量頭精確地沿著 圍繞測(cè)量點(diǎn)的預(yù)先確定的圓形路徑移動(dòng)。所述圓形路徑由自動(dòng)裝置形 成。通過(guò)瞄準(zhǔn)儀指向測(cè)量點(diǎn)的X射線束總是準(zhǔn)確地撞擊在正確的位置， 即使當(dāng)上下或水平移動(dòng)以及傾斜時(shí)。除測(cè)量頭的精確傾斜外，測(cè)量點(diǎn)與檢測(cè)器之間距離必須以優(yōu)于0. 05mm的精確度被測(cè)量。通過(guò)所有三個(gè)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)需要是同步的，使得測(cè)量頭12總是沿圓形路徑移動(dòng)。所述同步和控制通過(guò)內(nèi)部控制單元(未示出)或外部控制單元來(lái)實(shí)施，所述外部控制單元可以是裝有合適控制程序的普通桌面電腦，所述控制程序用于控制每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)控制目的同樣可以組合使用內(nèi)部和外部控制單元。 對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式而言必要的是，測(cè)角器的半徑可以通過(guò)軟件在自動(dòng)裝置的范圍內(nèi)自由改變。并且，在不同方向上進(jìn)行測(cè)量而不需要附加旋轉(zhuǎn)單元進(jìn)行繪圖同樣也是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 圖8示出了典型的測(cè)量目標(biāo)， 一個(gè)焊縫，而圖9和10表示相應(yīng)的兩個(gè)測(cè)量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量應(yīng)力和辨別粒子微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)角器，包括-基座(1)；和-測(cè)量頭(12)，該測(cè)量頭包括X射線管和檢測(cè)器弧(11)，該測(cè)量頭通過(guò)能夠三維運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)裝置可移動(dòng)地適配到所述基座(1)；其特征在于-該自動(dòng)裝置具有用于在測(cè)量過(guò)程中與旋轉(zhuǎn)接頭(5、7、15)和傾斜接頭(3、16、9)一起產(chǎn)生所述測(cè)量頭(12)的弧形運(yùn)動(dòng)的裝置。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其特征在于，該測(cè)角器包括用于通過(guò)測(cè)量測(cè)量點(diǎn)(22)周?chē)闹辽偃齻€(gè)點(diǎn)來(lái)確定所述測(cè)量點(diǎn)(22)的法線(20)的裝置。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，該測(cè)角器包括用于通過(guò)用所述測(cè)角器的瞄準(zhǔn)儀(19)碰觸表面來(lái)確定所述法線(20)的裝置。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，該測(cè)角器包括使用線性或非線性最小二乘擬合法來(lái)尋找平面的下列公式的系數(shù)的裝置，所述平面代表測(cè)量點(diǎn)(22)周?chē)钠矫?n),f (x， y， z) =ax+by+cz+d并且該測(cè)角器包括用于通過(guò)下列公式確定所述測(cè)量點(diǎn)(22)的法線(20)的裝置，其中V/表示傾斜度。
5. —種用于測(cè)量應(yīng)力和辨別粒子微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)角器的控制方法，所述方法包括下述步驟-使用自動(dòng)裝置在三維空間中移動(dòng)包括X射線管和檢測(cè)器弧(11)的測(cè)量頭(12),其特征在于-在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭(5、 7、 15)和傾斜接頭(3、 16、 9)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量頭(12)的弧形運(yùn)動(dòng)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過(guò)測(cè)量測(cè)量點(diǎn)(22) 周?chē)闹辽偃齻€(gè)點(diǎn)來(lái)確定所述測(cè)量點(diǎn)(22)的法線(20)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過(guò)用所述測(cè)角器的瞄 準(zhǔn)儀(19)碰觸表面來(lái)確定所述法線(20)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，使用線性或非線性最 小二乘擬合法來(lái)尋找平面的下列公式的系數(shù)，所述平面代表所述測(cè)量 點(diǎn)(22)周?chē)钠矫?21)，<formula>formula see original document page 3</formula>以及通過(guò)下列公式確定所述測(cè)量點(diǎn)(22)的法線(20),<formula>formula see original document page 3</formula>其中v/表示傾斜度,
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量應(yīng)力及辨別粒子微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)角器和方法。所述測(cè)角器包括基座(1)和測(cè)量頭(12)，所述測(cè)量頭包括X射線管和檢測(cè)器弧(11)，所述測(cè)量頭通過(guò)能夠三維運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)裝置可移動(dòng)地適配到基座(1)。根據(jù)本發(fā)明，所述自動(dòng)裝置具有用于在測(cè)量過(guò)程中與旋轉(zhuǎn)接頭(5、7、15)和傾斜接頭(3、16、9)一起產(chǎn)生測(cè)量頭(12)的弧形運(yùn)動(dòng)的裝置。
文檔編號(hào)G01N23/20GK101680849SQ200780052463
公開(kāi)日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者L·索米南 申請(qǐng)人:壓力技術(shù)公司