新型维氏显微硬度测量系统设计

　　0　引　　言

　　显微硬度测量系统的主要功能就是测量工件的显微硬度参数,广泛应用于科研、生产的各个方面,在机械制造、冶金、建材、化工等领域都有着普遍应用 [1]。维氏显微硬度测量系统是目前应用极为广泛的一种硬度测量系统,通过试验采用微小载荷并通过显微镜观察压痕来计算出试验材料的维氏显微硬度,尤其适 用于细小、纤薄的材料样品,以及氮化、渗碳、喷涂表面处理的试件和各种镀层的表面维氏显微硬度测试[2]。维氏显微硬度不受试验力大小的影响,对均质材 料,不同载荷测量出的维氏显微硬度值基本相同。因此,显微维氏试验在材料科学研究领域及机械电子工业中零件产品质量测试控制方面有广泛的用途。

　　维氏硬度试验法是用面角为136°的金刚石角锥体作压头,在一定的静负荷作用下,压入金属试样的表面,保持一定时间后,卸除负荷,测量恢复后的 压痕对角线长度,并据此计算出压痕凹印面积,求出单位面积上承受的负荷大小,即为维氏硬度值。维氏硬度值HV=0.1891×F/D2。

　　F:试验力,单位N。

　　D:压痕对角线长度D1和D2的算术平均值,单位mm。

　　目前,维氏显微硬度测量系统大多采用人工手动操作方式,操作过程繁琐、复杂,测量效率低,而且需要目测显微镜内的压痕对角线长度,试验工作效率 低、误差大、测量结果的稳定性和可重复性不高。因此,本系统的设计采用现有的数字图像采集处理技术,简化了维氏显微硬度测量系统的操作过程,提高了工作效 率、测量精度及稳定性。

　　1　系统结构设计

　　本系统主要由微控制器系统、CCD摄像头、USB图像采集卡、计算机以及测量软件组成,系统结构框图如图1所示。

　　1.1　微控制器系统

　　微控制器系统主要由微控制器[3],液晶显示屏,键盘,冷光源,光栅编码器,载荷编码器,打压马达,塔台马达,电动台马达,掉电存储器,实时时钟,串口通讯控制器组成,其构成如图2所示。

　　本系统采用华邦的W78E365微控制器作为核心控制部分,数据总线缓冲芯片采用三态锁存器74HC573;液晶显示器采用分辨率为128×64的LCD,型号为

　　HG1286402C-YF62L,全英文菜单式图形化界面,键盘采用中断方式输入,操作过程简单方便;冷光源由PWM信号控制,经场效应管驱 动,亮度可调;光栅编码器将实际位移转换成脉冲信号,输出的正交信号采用D触发器CD4013进行正反转脉冲信号分离,经过微控制器的计数器口进行计数; 载荷编码器直接由微控制器端口译码得到载荷大小;打压马达为交流电机,采用可控硅驱动,实现压头对工件的加载和去载,并按设定时间保载;塔台马达使用步进 电机[4],驱动芯片为ULN2004,实现物镜和压头间的切换;电动台马达使用两个步进电机,分别控制X轴和Y轴的位移,改变工件相对于物镜和压头位 置;存储芯片采用I2C接口的AT24C16,具有掉电保存功能,确保系统参数及测量结果不丢失;实时时钟芯片采用DS1302,带有备用电池供电,可以 在系统掉电时继续运行;串口通讯控制器采用RS-232接口芯片MAX232,实现与计算机的实时通讯。