专利名称：测角器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测角器。 本发明还涉及一种用于移动测角器的测量头的方法。
本发明是一种可移动的测角器或者有时称作衍射计，用 于测量应力和辨别微观结构。移动的主要目的是使其能够测量大型的 和复杂的零件或结构，如曲轴、从几毫米到几米的齿轮、轴承、起落
装置等。
背景技术：
最近几年，对控制残余应力的需要几乎成指数倍地增加， 至少我们从每年公开的相关文献看得出来。这种需求膨胀的主要驱动 力是在不降低安全水平的情况下减轻结构重量的需要。残余应力可以 对零件的性能-例如疲劳强度产生有益的或有害的影响。通常，拉应 力产生消极效果而压缩表面应力产生积极效果。考虑到这些，如机加 工、磨削、焊接等的制造过程被设计(优化)成可以使残余拉应力最 小化，同时在很多情况下可以增加额外的处理，如热和/或化学表面硬 化、喷丸、抛光、超精研磨等。所形成的残余应力沿深度分布图在零 件质量规范中常常有严格的规定，同时具有不同应力值的部件被认为 是有缺陷的。这种状况产生了对快速可靠的质量控制的需要。有很多 种测量残余表面应力的方法。 一种最普通且已被时间证明的方法是X 射线衍射，通过X射线衍射可以测量晶格平面间距、原子之间的距离。 压应力使晶格间距减少而对应的拉应力使晶格间距增加。很多方向上 的晶格间距被测量出来与测量点的表面法线相比较。由于样本表面的 应力，晶格间距随倾斜角度的函数的改变而改变。为了能在不同的倾 角下测量晶格间距，入射和衍射射束相对于测量表面的法线的角度需 要以一个已知的量进行改变。在实验用衍射计中，上述改变通过倾斜 样本来实现。在便携式衍射计中，分别包含X射线管和检测器的测角 器被倾斜。在位置传感检测器中，所述检测器与X射线管固定在一起， 在单频道检测器系统中，所述检测器相对于X射线管移动。
在使用X射线衍射方式测量残余应力中的两个最重要的 因素是测量点与检测器之间的距离保持恒定(erikoistapaus上的 tama)以及入射射束在每个倾斜位置精确撞击测量点。传统上，这通 过位于测量头下方的支架(弧形)或在更现代化的设计中使用线性轴 承和旋转管来实现。这种最新的解决方案比支架型解决方案具有更多 的自由。应力是具有方向的矢量。系统的倾斜需要在几个方向上进行 以测量这些方向上的应力。通常，在实验用系统中，样本被旋转，这 限制了样本的最大尺寸不超过几千克。在便携式系统中，也会旋转测 角器。这些解决方案都是复杂的设计并难于改型，但由于复杂的样本 几何形状，又需要经常进行改型。并且，通常一个测量点是不够的。 需要测量焊缝上的分布或矩阵型分布。在大部分情况下，这些操作通 过用x/y工作台四处移动样本来实现，在某些情况下，通过用x/y工 作台四处移动测角器来实现。再一次地，所有这些结构都是复杂的并 限制了能够被测量的可行几何形状。 从US6064717中可知一种测量装置，其具有附接至两个 不同枢转机械臂的X射线管和检测器。由于多个枢转点间不可避免的 冲突，复杂的枢转臂结构非常难于构建成足够精确以用于X射线衍射 测量中。正确的对齐是非常困难的；而两个独立的移动臂需要互相对 齐且与测量点对齐。即使这些问题可以被最大程度地减少到可接受的 程度，其花费也是非常高的。这种方案也不是便携的或可移动的。 本发明基于使用一种装置，该装置中的X射线管和检测 器位于能够三维移动的自动装置中且测量目标位于不可移动的基座 上。
图3示出了
图1中所示的测角器在另一种测量方向上的
图4示出了图3中所示的测角器的立体图。
图5示出了图1中所示的测角器在第三种测量方向上的
图6示出了图5中所示的测角器的立体图。 图7示意性地示出了测量点的法线的确定。 图8示出了作为测量目标的焊缝的立体图。 图9示出了一个测量的测量结果。 图IO示出了另一个测量的测量结果。
具体实施例方式
0034] 在随后对本发明的详细描述中，将用到下列术语: 1测角器的基座 3第一旋转接头 4第一臂 5第二倾斜接头 7第三倾斜接头 8第四臂 9第三旋转接头 1U企测器弧 14基座调节 16第二旋转接头 17第三臂 18旋转基座元件 20测量平面 [(JOSS]21测量平面的法线
22测量点
2 3校准点 根据图1，用于测量应力的测角器1包括具有六个接头的 自动装置，六个接头包括三个旋转接头和三个倾斜接头。因此，X射线 管支架10可以自由地在三维空间中移动。 更详细地，测角器包括其上连接有基座元件2的基座1。 基座元件2包括用于旋转第一旋转接头3上的旋转基座元件18的电动 机(未示出)。第一臂4通过第一倾斜接头15连接到旋转基座元件上 且相应地第二臂6通过第二倾斜接头5连接到第一臂4上。进一步地， 第二臂6通过第二旋转接头16连接到第三臂17上。第三臂17通过第 三倾斜接头连接到第四臂8上，第四臂8最终通过第三旋转接头9连 接到形成测量头12的X射线管支架10上。X射线管支架10包括X射 线管、检测器弧11和瞄准仪19。自然地，为实现三维运动，所有接头 都包括独立的可控电动机。 在图2和3中，测量头l2在测量过程中在一个方向上倾 斜并且相应地在图5和6中向另一个方向倾斜。 具有检测器(一个或多个，通常为两个)的X射线管头 IO连接到自动装置上，如上所述。自动装置被编程以测量手动显示或 通过命令输入的一个点。自动装置通过用瞄准仪触碰或例如使用激光 测距系统的 一些其它方法找到测量点的合适距离。自动装置使测量沿 着诸如轴向的限定方向进行并在诸如周向的其它方向上重复进行测 量。然后，该自动装置能够根据命令测量下一个或多个点。
0063] 根据本发明的测角器进行工作，使得测量头精确地沿着 围绕测量点的预先确定的圓形路径移动。通过瞄准^U旨向测量点的X 射线束总是准确地撞击在正确的位置，即使当上下或水平移动以及倾 斜时。0064]除测量头的精确倾斜外，测量点与检测器之间距离的精 确度需要在所有倾斜位置优于0. 05mm。自动装置的移动需要被控制， 使得所述X射线管头总是沿圆形路径移动。在本发明的一个重要实施 方式中，测角器的半径可以通过软件在自动装置的范围内被改变，因 此不需要附加的旋转单元和x/y单元。 下文中在图7的帮助下描述了测量点22的法线方向20 的确定 测量点附近的至少三个校准点23已通过自动装置用瞄准 仪19触碰或其它方式被测量。这给出了包括测量点在内的所述点在自 动装置坐标系统中的相对位置。 使用线性或非线性最小二乘拟合法可以找到平面公式的 系数。这确定了该平面，该平面代表测量点所在的平面。
根据本发明的测角器进行工作，使得测量头精确地沿着 围绕测量点的预先确定的圆形路径移动。所述圓形路径由自动装置形 成。通过瞄准仪指向测量点的X射线束总是准确地撞击在正确的位置， 即使当上下或水平移动以及倾斜时。除测量头的精确倾斜外，测量点与检测器之间距离必须以优于0. 05mm的精确度被测量。通过所有三个电动机实现的移动需要是同步的，使得测量头12总是沿圆形路径移动。所述同步和控制通过内部控制单元(未示出)或外部控制单元来实施，所述外部控制单元可以是装有合适控制程序的普通桌面电脑，所述控制程序用于控制每个运动单元的电动机。当然，为了实现控制目的同样可以组合使用内部和外部控制单元。 对本发明的实施方式而言必要的是，测角器的半径可以通过软件在自动装置的范围内自由改变。并且，在不同方向上进行测量而不需要附加旋转单元进行绘图同样也是本发明的一个优点。 图8示出了典型的测量目标， 一个焊缝，而图9和10表示相应的两个测量结果。
权利要求
1.一种用于测量应力和辨别粒子微观结构的测角器，包括-基座(1)；和-测量头(12)，该测量头包括X射线管和检测器弧(11)，该测量头通过能够三维运动的自动装置可移动地适配到所述基座(1)；其特征在于-该自动装置具有用于在测量过程中与旋转接头(5、7、15)和倾斜接头(3、16、9)一起产生所述测量头(12)的弧形运动的装置。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，该测角器包括用于通过测量测量点(22)周围的至少三个点来确定所述测量点(22)的法线(20)的装置。
3. 如权利要求2所述的设备，其特征在于，该测角器包括用于通过用所述测角器的瞄准仪(19)碰触表面来确定所述法线(20)的装置。
4. 如权利要求3所述的设备，其特征在于，该测角器包括使用线性或非线性最小二乘拟合法来寻找平面的下列公式的系数的装置，所述平面代表测量点(22)周围的平面(n),f (x， y， z) =ax+by+cz+d并且该测角器包括用于通过下列公式确定所述测量点(22)的法线(20)的装置，其中V/表示倾斜度。
5. —种用于测量应力和辨别粒子微观结构的测角器的控制方法，所述方法包括下述步骤-使用自动装置在三维空间中移动包括X射线管和检测器弧(11)的测量头(12),其特征在于-在测量过程中通过旋转接头(5、 7、 15)和倾斜接头(3、 16、 9)来实现测量头(12)的弧形运动。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过测量测量点(22) 周围的至少三个点来确定所述测量点(22)的法线(20)。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过用所述测角器的瞄 准仪(19)碰触表面来确定所述法线(20)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，使用线性或非线性最 小二乘拟合法来寻找平面的下列公式的系数，所述平面代表所述测量 点(22)周围的平面(21)，<formula>formula see original document page 3</formula>以及通过下列公式确定所述测量点(22)的法线(20),<formula>formula see original document page 3</formula>其中v/表示倾斜度,
全文摘要
本发明涉及用于测量应力及辨别粒子微观结构的测角器和方法。所述测角器包括基座(1)和测量头(12)，所述测量头包括X射线管和检测器弧(11)，所述测量头通过能够三维运动的自动装置可移动地适配到基座(1)。根据本发明，所述自动装置具有用于在测量过程中与旋转接头(5、7、15)和倾斜接头(3、16、9)一起产生测量头(12)的弧形运动的装置。
文档编号G01N23/20GK101680849SQ200780052463
公开日2010年3月24日 申请日期2007年4月3日 优先权日2007年4月3日
发明者L·索米南 申请人:压力技术公司