МАЯТНИКОВЫЙ СКЛЕРОМЕТР С ЛАЗЕРНЫМ УСТРОЙСТВОМ
PENDULUM SCLEROMETER WITH LASER DEVICE

Изобретение относится к устройствам для оценки физико-механических свойств методом индентирования, а именно к прогнозированию эксплуатационных свойств изделий, выполненных из инструментальных материалов, методом маятникового скрайбирования с обеспечением возможности лазерного сканирования следа скрайбирования в исследуемом материале и сканирования индентора для управления процессом скрайбирования.
Известно решение [патент РФ №2147737, заявка №98113760/28 от 07.07.1998. Опубл. 20.04.2000, Бюл. №11], содержащее установленный на оси маятник с индентором, предметный столик с исследуемым образцом, средство наблюдения следа маятникового скрайбирования, датчик приема акустических сигналов взаимодействия индентора с образцом, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ для хранения и обработки результатов испытания. Недостатком решения являются ограниченные возможности регистрации результатов испытаний.
Наиболее близким к заявляемому объекту является решение [патент РФ №122772, заявка №2012100402/28 от 10.01.2012. Опубл. 10.12.2012, Бюл. №34], в котором устройство для скрайбирования включает в себя стойки с осью, несущей маятник с индентором, предметный столик для размещения исследуемого образца, оснащенный средствами перемещения в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях, оптическое средство контроля результатов взаимодействия индентора с исследуемым образцом, снабженное средством перевода его в рабочее положение и обратно. При этом устройство снабжено средством фиксации маятника в отведенном положении, средством юстирования оптического средства, средством отсчета линейных размеров на следе воздействия индентора на образец, средством документирования объекта визуального оптического наблюдения.
Указанное устройство не позволяет исследовать сам процесс взаимодействия индентора с материалом из-за того, что его оптическое средство регистрирует лишь результат их взаимодействия, т.е. размеры следа скрайбирования. Такой регистрации результатов взаимодействия недостаточно в тех случаях, когда необходимо наблюдать кинетику процесса скрайбирования. Более того, по мере эксплуатации индентора он претерпевает размерные изменения, например изнашивается, что тоже необходимо отслеживать и учитывать. Таким образом, обобщающим недостатком этого известного решения можно назвать ограниченные технические возможности маятникового склерометра.
Техническим результатом заявляемого решения является расширение технических возможностей маятникового склерометра. Технический результат достигается за счет того, что склерометр снабжен лазерным устройством или лазерными устройствами, контролирующими зону взаимодействия индентора с исследуемым материалом и непосредственно сам индентор. Лазерные устройства через накопитель базы данных (он же компаратор) связаны с компьютером, программное обеспечение которого позволяет через компаратор и обратную связь давать системам управления лазерными команды устройствами включать и выключать их, изменять их местоположение, режим сканирования и т.д.
Таким образом, заявляемое решение, как и прототип, содержит ось, несущую маятник с индентором, предметный столик для размещения исследуемого образца, средство контроля результатов взаимодействия индентора с исследуемым образцом.
Однако заявляемое решение отличается тем, что склерометр дополнительно снабжен лазерным устройством для контроля процесса указанного взаимодействия и параметров следа маятникового скрайбирования, а также лазерным устройством для контроля параметров индентора, при этом склерометр снабжен системой накопления результатов контроля, их анализа и выработки управляющих команд на изменение положения лазерного устройства или настроечных параметров маятника, в частности системой, состоящей из каналов прямой связи с процессором через накопитель базы данных и связь, а также из канала обратной связи с компаратором.
На фигурах 1 и 2 представлена принципиальная схема склерометра, на фигуре 3 - схема взаимодействия лазерных устройств.
Склерометр устроен следующим образом. Ось 1 качания (движение В1) маятника 2 установлена на стойках 3. Маятник 2 снабжен индентором 4 и грузом 5. Его исходным положением является нижнее вертикальное положение. Для задания ему движения В1 скрайбирования по дуге качания маятника сам маятник предварительно отводят в рабочее положение (как показано на фиг. 1). Чем больше угол отвода маятника от исходного положения, чем больше масса груза 5, чем больше длина маятника, чем дальше от оси 1 качания на маятнике закреплен груз 5, тем с большей энергией индентор 4 взаимодействует с материалом образца (изделия) 6, закрепленного на предметном столике 7, имеющем взаимоперпендикулярные перемещения П1 и П2 в горизонтальной плоскости. Эти перемещения могут быть осуществлены от соответствующих приводов или вручную (на фиг. 1 и 2 вращение В2 рукоятки 8 означает перемещение П1 нижней части предметного столика 7 вдоль стоек 3, вращение В3 рукоятки 9 - перемещение П2 поперек стоек 3). Лазерное устройство 10 для сканирования процесса взаимодействия индентора 4 с материалом образца 6 может быть установлено отдельно, или на оси 1, или, например, на одной из стоек 3. Ориентировано оно по отношению к направлению движения В1 скрайбирования может различным образом, на фиг. 1 это показано так, чтобы зона сканирования лазером была сфокусирована в центральной части образца 6, где будет максимальная глубина внедрения индентора в материал образца. Лазерное устройство 10 может быть снабжено приводами изменения своего положения (не показаны). Результат сканирования процесса взаимодействия индентора с образцом по каналу 11 прямой связи поступает в накопитель 12 базы данных и транслируется через связь 13 в процессор (компьютер) 14, где обрабатывается с помощью специального программного обеспечения. Если по результатам обработки требуется вмешательство в процесс сканирования (например, требуется изменить местоположение или ориентирование лазерного устройства), то из процессора 14 по связи 15 в компаратор 16 и далее через канал 17 обратной связи подается управляющий сигнал на лазерное устройство 10.
Работает заявленное решение следующим образом. Устанавливают образец 6 на предметный столик, закрепляют. Устанавливают индентор 4 в маятник 2, закрепляют. На маятнике 2 на том или ином расстоянии от оси 1 закрепляют груз 5 той или иной массы. Настраивают скрайбометр так (например, за счет изменения длины маятника 2 либо высоты предметного столика 7 и т.д.), чтобы при качании (вручную) маятника индентор касался поверхности (горизонтальной) образца 6. При этом вручную вращением рукояток 8 и 9 добиваются необходимого положения (влево, вправо, вперед, назад) образца по отношению к будущему рабочему ходу В1 маятника. Затем выставляют лазерное устройство 10 (или сразу несколько лазерных устройств) так, чтобы была возможность наблюдать (сканировать) желаемую зону взаимодействия индентора и образца либо результат этого взаимодействия. Включают процессор 14, лазерное устройство 10, накопитель 12, компаратор 16, проверяют и настраивают работу системы в целом и работу каналов 11 и 17, связей 13 и 15.
Затем маятник отводят в рабочее положение и задают (например, путем тонкой настройки длины маятника) желаемую глубину заглубления индентора во время его будущего рабочего движения В1. Запускают маятник. Он приближается к образцу, затем индентор вступает во взаимодействие с материалом образца, лазерное устройство передает (непрерывно либо циклично) результат сканирования в накопитель 12 и процессор 14. По мере движения В1 индентор заглубляется в тело образца, в нижнем вертикальном положении маятника индентор заглубляется максимально, затем при дальнейшем движении маятника величина заглубления индентора уменьшается и индентор выходит из образца. В конце такого хода В1 маятник фиксируют. Исследуют результаты сканирования лазерными устройствами (за счет программного обеспечения или индивидуально). По результатам исследования по связи 15 каналу 17 передают корректирующие управляющие команды на изменение положения лазерного устройства, на изменение глубины заглубления индентора при следующем рабочем ходе В1 маятника и т.д.
Приведенное здесь описание работы заявляемого объекта показывает достижения заявляемого технического результата, т.е. расширение технологических возможностей скрайбометра.
Заявляемый объект может быть также оснащен лазерным устройством 18 для наблюдения (контроля, измерения) за индентором, например за его целостностью и величиной износа. Для этого система аналогично должна быть оснащена каналом 19.
В этом случае заявляемый объект работает следующим образом. При отклонении (это регистрируется при каждом очередном рабочем ходе В1 маятника) размеров индентора от первоначальных (а они введены в программное обеспечение процессора как эталонное значение) процессор 14 выдаст управляющую команду на изменение (величины заглубления индентора, массы груза, его расположения или угла отвода индентора) параметра (параметров), ответственного за постоянство контролируемого критерия (энергии взаимодействия индентора с образцом, величины деформации материала образца, величины прогиба маятника, высоты валков по краям следа маятникового скрайбирования и т.д.). В общем виде можно это можно охарактеризовать как выработку управляющей команды на изменение настроечных параметров маятника.
Приведенный пример также показывает достижение заявляемого технического результата, т.е. еще большего расширения технических возможностей заявляемого объекта.