物体表面涂层耐划痕性的检测装置及其检测方法和应用与流程

本发明涉及一种物体表面涂层耐划痕质量或表面耐划痕质量的检验与评定装置，属于涂料和颜料工业领域。

背景技术：

物体表面耐划痕的质量，需要通过表面耐划痕性试验进行检验与评定。通常的试验装置是：1)负荷恒定装置，2)负荷改变装置，两种装置之一进行检验与评定。负荷恒定装置的划针与试板垂直，将固定负荷的砝码放在划针上，通过改变砝码质量实现负荷的改变；或将固定负荷的砝码沿带刻度与划针垂直的负载横梁滑动实现负荷的改变，测试负荷范围1n～20n，增量是0.5n，划针运行速度(35±5)mm/s，并且划痕长度最少为40mm(gb/t9279.1-2015/iso1518-1:2011)。负荷改变装置的划针与试板垂直，划针安放在配衡梁上，配衡梁上加载固定负荷的砝码，通过配衡梁上砝码的移动实现负荷的连续增加，同时可将固定负荷的砝码放在划针上扩展负荷的范围，划针运行速度10mm/s(gb/t9279.2-2015/iso1518-2:2011)。

上述两种装置的缺陷是：采用负荷恒定或改变进行测量时需要在两种装置上分别进行。每次测量前需要调节平衡砝码，使划针刚好接触试板时，划针上的负荷为零。每次测量前需要调节划针的高度，适应不同厚度的试板位置。需要进行大量重复性的工作，检验与评定效率低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，为此提供一种物体表面涂层耐划痕性的检测装置，在同一装置上实现负荷恒定装置和负荷改变装置的检验与评定功能；每次测量时，划针刚好接触试板时，划针上的负荷为零或需要的初始负荷；划针的高度自主适应不同厚度的试板位置。避免进行大量重复性的工作，提高检验与评定效率。

本发明的具体技术方案是：物体表面涂层耐划痕性的检测装置包括数控模块、检测平台和移动机构。

数控模块包括控制箱与显示器，采用keilc++编译，显示器实现触摸屏液晶显示，具有语音提示功能。显示器可显示的内容包括环境温度、环境湿度；x向、y向、z向坐标；划针起点压力和终点压力；划针运行速度和长度。具有数据输出功能和通讯功能，可以打印日期、温度湿度等各项试验参数；通过usb口或串口输出实验数据；也可以进行扩展实现互联网无线传输数据；可以远距离升级用户程序。

移动机构还包括位于检测平台一侧的由z轴驱动机构驱动的z轴移动机构，所述z轴移动机构的中部滑动配合有由x轴驱动机构驱动的x轴移动机构，所述x轴移动机构的上表面固接有远离z轴移动机构的上平台，所述上平台的自由端上设置有压力传感器，所述x轴移动机构的下表面固接有远离z轴移动机构的下平台，所述下平台的自由端适配有沿z轴分布的直线轴承，所述直线轴承的顶部通过弹簧顶杆与压力传感器抵触，所述直线轴承的底部固接有穿过下平台的划针，所述z轴驱动机构、x轴驱动机构、压力传感器与数控模块信号连接。

检测平台上装配可滑动的y轴移动机构，y轴移动机构的上表面突出于检测平台之上，y轴移动机构带动检测平台上的固定检测试板的移动机构，调整检测试板的y向位置。

上述方案中所述数控模块包括固接在z轴移动机构上的控制箱和显示器，所述控制箱包括单片机和电源，所述单片机与显示器、z轴驱动机构、x轴驱动机构和压力传感器信号连接。控制箱内还包括与单片机信号连接的温湿度传感器。

上述方案中所述z轴驱动机构和x轴驱动机构采用伺服电机。

上述方案中所述z轴移动机构包括纵梁和适配于纵梁内的z轴滚珠丝杆，所述z轴滚珠丝杆通过联轴器与z轴驱动机构传动连接；所述x轴移动机构包括横梁和适配于横梁内的x轴滚珠丝杆，所述x轴滚珠丝杆通过联轴器与x轴驱动机构传动连接。

上述方案中所述压力传感器的工作参数如下：量程50n，灵敏度1±0.1mv/v、非线性0.03％f.s，128增益放大、24位ad转换。可依据需要增加量程和灵敏度等控制参数条件。

物体表面涂层耐划痕性的检测装置的使用方法，它包括以下步骤：将检测平台1调整呈水平状态，将被检测试板14放在检测平台1上且位于安装划针的压杆11的划针下方。启动控制箱12电源，通过显示器13输入x向、y向、z向坐标；划针起点压力和终点压力；划针运行速度和长度等控制参数；控制箱12给x轴驱动机构4和z轴驱动机构驱2动信号，x轴驱动机构4和z轴驱动机构2同时移动，划针将与待测量物体表面接触，并将z轴方向的压力传递给弹簧顶杆10，弹簧顶杆10将压力信号传递给控制箱12，通过控制箱12控制z轴移动机构的移动幅度来控制被检测试板14受到的压力，随着划针在被检测试板14表面的直线移动产生的划痕程度来确定耐划痕性能，得到定量的检验与评定结果。

本发明的有益效果是将负荷恒定装置和负荷改变装置的功能有机结合，通过数控耐划痕性检测装置的应用,定量化的检测物体表面耐划痕压力的大小，用于快速确定和比较不同物体表面质量的优劣，检测过程中无需人工调整干预，降低了工作量，提高了检验与评定效率。

附图说明

图1是本发明的数控耐划痕性检测装置示意图；

图2是本发明的数控耐划痕性检测装置数控模块原理框图；

图3是本发明的测试示意图。

物体表面涂层耐划痕性的检测装置的构成是，检测平台1，z轴驱动机构2，z轴移动机构3，x轴驱动机构4，x轴移动机构5，上平台6，压力传感器7，下平台8，直线轴承9，弹簧顶杆10，安装划针的压杆11，控制箱12，显示器13，被检测试板14，y轴移动机构15。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明的物体表面涂层耐划痕性的检测装置，它包检测平台1，检测平台1上安装y轴移动机构15。y轴移动机构15上固定被检测试板14，并可沿y轴方向移动调整检测位置。检测平台一侧的由z轴驱动机构2驱动的z轴移动机构3。z轴移动机构3的中部滑动配合有由x轴驱动机构4驱动的x轴移动机构5。x轴移动机构5的上表面固接有远离z轴移动机构3的上平台6，上平台6的自由端上设置有压力传感器7；x轴移动机构5的下表面固接有远离z轴移动机构3的下平台8。下平台的自由端适配有沿z轴分布的直线轴承9，直线轴承9的顶部通过弹簧顶杆10与压力传感器7抵触；直线轴承9的底部固接有穿过下平台的安装划针的压杆11。控制箱12采用数控模块控制z轴驱动机构2、x轴驱动机构4、y轴移动机构15、压力传感器7的信号，在显示器13上显示并可修改参数。

控制箱12内还包括与cpu连接的温湿度传感器,cpu为ramcortexm3或可兼容的其它型号的cpu；湿度传感器的湿度误差±3％、温度误差±0.3℃。压力传感器7的量程50n、灵敏度1±0.1mv/v、非线性0.03％f.s，128增益放大、24位ad转换。z轴移动机构3包括纵梁和适配于纵梁内的滚珠丝杆，滚珠丝杆大于1mm螺距滚珠丝杆，控制精度可达到±0.001mm,轴滚珠丝杆通过联轴器与z轴驱动机构2连接。x轴移动机构5包括横梁和适配于横梁内的滚珠丝杆，滚珠丝杆大于10mm螺距滚珠丝杆，最高速度200毫米/秒，控制精度可达到±0.01mm,最高速度100毫米/秒，滚珠丝杆通过联轴器与x轴驱动机构4连接。x轴驱动机构4和z轴驱动机构2为伺服步进电机，最高转速1200转/分钟，选择10000细分。弹簧顶杆10中弹簧的弹性系数大于0.2kg/mm，压力控制精度为±0.02g。

本发明的工作原理如下：弹簧顶杆顶在压力传感器上，压力传感器向下移动时，弹簧顶杆压在被摩擦物体表面上产生反作用力，通过弹簧顶杆的弹簧反作用于压力传感器上，弹簧的反作用力的大小符合弹性虎克定理：

f＝sz×k(1)

其中f:压在被测物体表面上的反作用力

k:弹簧的弹性系数

sz:压力传感器沿z轴的移动距离

从(1)式中可以看出，顶在压力传感器上的反作用力和压力传感器的移动距离成正比，因此得到结论：控制压力传感器的沿z轴的移动距离，就可以控制压在被测物体表面上的压力。物体表面涂层耐划痕性的检测装置原理就是数控系统控制x轴驱动机构通过滚珠丝杆带动划针水平移动，控制z轴驱动机构通过滚珠丝杆带动压力传感器上下移动，使x向、z向移动距离符合(2)式：

式中：sz：压力传感器移动距离

sx：摩擦或擦划距离

f0：摩擦或擦划起始点压在被测物体表面上的反作用力

f1：摩擦或擦划终点压在被测物体表面上的反作用力

vx：摩擦或擦划速度

vz：压力传感器移动速度

k：弹簧的弹性系数

选择合适的弹簧弹性系数、压力传感器的量程和精度，控制系统的控制精度就能满足设计要求。为了实现精确控制，本发明中的数控模块采用keilc++编译，实现了触摸屏液晶显示，语音提示功能。显示器可显示的内容包括环境温度、环境湿度；摩擦或擦划起点压力和终点压力；x向、z向坐标；设置参数，如擦划次数、擦划压力、擦划移动速度、擦划距离。可以打印各项试验参数，如日期、温度湿度。通过usb口或串口输出检测的数据；也可以进行扩展实现互联网无线传输数据，远距离升级用户程序。可根据需要设置f0、f1、vx、sx以及擦划次数。

实施例的检测与评定方法参照了gb/t9279.1-2015/iso1518-1:2011/gb/t9279.2-2015/iso1518-2:2011的试验方法。根据负荷恒定和负荷改变各制备了两组试板，每组试板包括3块不同厚度(30μm、42μm、80μm)的试板，试板的规格为200mm×150mm；划针使用半径为(0.25士0.01)mm的半球形金属硬划针，其中实施例1-3对应的是负荷恒定的3块试板，实施例4-6对应的是负荷改变的3块试板。

实施例1：

清漆试板厚度30μm，采用固定负荷1n～10n，增量是0.5n。在数控耐划痕性检测装置上，设置固定负荷1n，划针运行速度(35±5)mm/s，划痕长度为45mm，划第一条线。依次增加0.5n划后续的19条线，每条线平行且间隔5mm。观察出现划破点的位置，在第12条线上出现划破点，对应固定负荷6.5n。

实施例2：

普通色漆试板厚度42μm，采用固定负荷5n～15n，增量是0.5n。在数控耐划痕性检测装置上，设置固定负荷5n，划针运行速度(35±5)mm/s，划痕长度为45mm，划第一条线。依次增加0.5n划后续的19条线，每条线平行且间隔5mm。观察出现划破点的位置，在第9条线上出现划破点，对应固定负荷9n。

实施例3：

汽车金属漆试板厚度80μm，采用固定负荷10n～20n，增量是0.5n。在数控耐划痕性检测装置上，设置固定负荷10n，划针运行速度(35±5)mm/s，划痕长度为45mm，划第一条线。依次增加0.5n划后续的19条线，每条线平行且间隔5mm。观察出现划破点的位置，在第6条线上出现划破点，对应固定负荷13n。

划痕起始点最小压力按如下公式计算：

式中：一最终负荷点至刚出现划痕的点之间的距离，以毫米(mm)表示；

ff一所选定的划针负荷范围的最终负荷，以(n)表示；

fi一所选定的划针负荷范围的初始负荷，以(n)表示。

实施例4：

清漆试板厚度30μm，采用负荷改变的方法进行试验，初始负荷1n、终止负荷20n；划痕间隔5mm、长度100mm、划痕数20条，划针运行速度(10士0.1)mm/s。用20条划痕进行比较长度误差不超过0.5％，为了提高精密度可以增加划痕数，取平均值后可以减小这一误差。

在试验中最终负荷点至刚出现划痕的点之间的平均距离为66.26mm，按公式(3)计算，刚出现划痕压力为6.41n。

实施例5：

普通色漆试板厚度42μm，采用负荷改变的方法进行试验，初始负荷5n、终止负荷35n；划痕间隔5mm、长度100mm、划痕数20条，划针运行速度(10士0.1)mm/s。用20条划痕进行比较长度误差不超过0.5％，为了提高精密度可以增加划痕数，取平均值后可以减小这一误差。

在试验中最终负荷点至刚出现划痕的点之间的平均距离为70.50mm，按公式(3)计算，刚出现划痕压力为8.85n。

实施例6：

汽车金属漆试板厚度80μm，采用负荷改变的方法进行试验，初始负荷10n、终止负荷50n；划痕间隔5mm、长度100mm、划痕数20条，划针运行速度(10士0.1)mm/s。用20条划痕进行比较长度误差不超过0.5％，为了提高精密度可以增加划痕数，取平均值后可以减小这一误差。

在试验中最终负荷点至刚出现划痕的点之间的平均距离为67.93mm，按公式(3)计算，刚出现划痕压力为12.83n。

数控耐划痕性检测装置可以实现负荷恒定或改变在同意装置上进行测量。每次测量时划针的初始负荷、终止负荷可设定，不需要调整划针的高度。避免了大量重复性的工作，提高了检验与评定效率。为了确定数控耐划痕性检测装置的精密度，进行了多次重复试验，得到按iso5725-1定义的重复性限(r)66％,再现性限(r)73％，说明试验精密度是可信的。