CN108053735A - 自动冲蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动冲蚀实验装置，涉及到工件及涂层表面冲蚀实验技术领域。本发明以C51单片机为核心处理器，键盘为输入端，液晶显示屏为操作端显示窗口，实现对3个步进电机的控制，进而控制工件受冲蚀距离，冲蚀角度，冲蚀时间和冲蚀气体压力。液晶显示屏同步显示冲蚀实验参数。优点：结构简单、设计环保、人机交互界面友好、易于操作，成本低；采用无侧隙滚珠丝杠，蜗轮蜗杆传动，步进电机控制，设备可靠性强，精度高。

Description

自动冲蚀实验装置

技术领域

本发明涉及冲蚀实验领域，具体是一种用于测试工件及涂层表面抗冲蚀性能的自动冲蚀实验装置。

背景技术

冲蚀现象广泛存在于机械、石油化工、航空航天等许多领域，已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一。冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。一般可分为气流喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。本发明只针对气流喷砂型冲蚀磨损实验。喷砂型冲蚀是气流携带固体粒子冲击固体表面产生的冲蚀，此类冲蚀磨损在工程中最常见。

国内现有冲蚀实验机对冲蚀角度、冲蚀距离等调节大多数采用纯机械装置或手动调节，存在操作不方便，精度不高，效率低下等问题。因此需要一种基于自动化技术的数控装置来实现冲蚀实验操作的规范化，简单化，实验数据、操作数据同步可视化。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种自动冲蚀实验装置。

本发明以如下技术实现：一种自动冲蚀实验装置，包括箱体；在所述箱体内前后侧壁之间安装有水平布置的水平丝杠导轨运动副；所述水平丝杠导轨运动副上安装有工件夹具旋转装置；所述工件夹具旋转装置上安装有工件夹具；在所述箱体前侧壁外固定有竖直方向布置的竖直方向丝杠导轨运动副；所述竖直方向丝杠导轨运动副上安装有喷头，在箱体前侧壁上开有供喷头穿过的孔；

所述水平丝杠导轨运动副包括两个分别固定在所述箱体内前后侧壁上的支撑板；两所述支撑板之间固定有一对平行的水平直线导轨；在两所述水平直线导轨之间设有一个可转动安装在两支撑板上的水平丝杠；所述水平丝杠的后端伸出支撑板，水平丝杠的后端通过丝杠联轴器连接有水平电机；

所述工件夹具旋转装置包括基板；所述基板下端中间通过水平螺母与水平丝杠连接，基板下端两侧通过直线轴承与水平直线导轨连接；

所述基板上安装有轴承座座板Ⅰ；所述轴承座座板Ⅰ上安装有一对蜗杆轴承座和一对旋转轴轴承座；两所述蜗杆轴承座上可转动安装有蜗杆；所述蜗杆一端连接有旋转电机；两所述旋转轴轴承座上可转动安装有水平布置的与水平丝杠垂直的转轴；所述转轴一端安装有与蜗杆相啮合的蜗轮；

所述工件夹具固定在转轴上；

所述竖直方向丝杠导轨运动副包括一对对称固定在箱体前侧壁上的轴承座座板Ⅱ；两所述轴承座座板Ⅱ上安装有一对竖直方向导轨轴承座和一对竖直方向丝杠轴承座；两所述竖直方向导轨轴承座上安装有竖直方向导轨；两所述竖直方向丝杠轴承座上安装有竖直方向丝杠；所述竖直方向丝杠端部连接有竖直方向电机在所述竖直方向导轨和竖直方向丝杠上安装有喷头夹具；

所述喷头固定在喷头夹具上；喷头包括喷嘴、电磁阀、调压阀、三通接头和气路直通接头，电磁阀左侧输出口通过气路直通接头与调压阀右侧输出口相连接，电磁阀右侧输出口与进气管道的一端相连接，进气管道的另一端与空压机相连提供喷砂原动力，调压阀左侧输出口通过气路直通接头与三通接头右侧输出口相连接，三通接头左侧输出口通过气路直通接头与喷嘴相连接，三通接头下侧输出口通过气路直通接头与吸砂管的一端相连接，吸砂管的另一端均伸入箱体内；

还包括一用于控制竖直方向电机、水平电机、旋转电机和电磁阀的控制电路。

优选的，所述箱体呈方形，箱体上端设有透明的观察盖；箱体后壁设有玻璃孔；箱体下端四角处设有支腿；箱体的底面是向下凸出的锥形面；箱体内部设有照明装置。

优选的，所述水平丝杠和水平螺母为无侧隙滚珠丝杠螺母；所述水平电机安装在水平电机支板上，所述水平电机支板固定在箱体后壁外侧。

优选的，所述旋转电机通过一个电机架安装在轴承座座板Ⅰ。

优选的，所述转轴包括轴心位于同一直线上的左转轴和右转轴；所述左转轴通过轴承安装在一个旋转轴轴承座，右转轴通过轴承安装在另一个旋转轴轴承座；所述左转轴和右转轴相对端相离一定距离，右转轴与左转轴相对的一端设有突出的连接键；

优选的，所述工件夹具包括上夹板和下夹板，上夹板和下夹板上开有安装孔，以及相对的连接通孔；所述上夹板和下夹板之间设有多个筋板；所述筋板中开有与右转轴、左转轴和连接键相配合的孔。

优选的，所述竖直方向电机、水平电机和旋转电机均采用步进电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：结构简单，设计合理，可实现变角度变距离精确定位，可动态演示冲蚀过程；人性化的操作界面、液晶显示实验数据，可操作性强；成本低廉，效率高，便于拆装维护等诸多优点；可用于教学，科研和生产。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是箱体结构示意图；

图3是水平丝杠导轨运动副、工件夹具旋转装置和工件夹具的装配图；

图4是水平丝杠导轨运动副结构示意图；

图5是工件夹具旋转装置结构示意图；

图6是工件夹具结构示意图；

图7是工件夹具主视图；

图8是工件夹具左视图；

图9是工件夹具仰视图；

图10是工件夹具俯视图；

图11是竖直方向丝杠导轨运动副结构示意图；

图12-1是喷头结构示意图；

图12-2是上料系统示意图

图13是控制电路图；

图14是按键布置示意图。

图中：1、箱体；1-1、玻璃孔；1-2、支腿；1-3、锥形面；2、竖直方向丝杠导轨运动副；2-1、轴承座座板Ⅱ；2-2、竖直方向导轨轴承座；2-3、竖直方向丝杠轴承座；2-4、竖直方向导轨；2-5、竖直方向丝杠；2-6、喷头夹具；2-7、竖直方向电机；3、喷头；3-1、喷嘴；3-2、电磁阀；3-3、吸砂管；3-4、进气管道；3-5、调压阀；3-6、三通接头；3-7、气路直通接头；4、观察盖；5、水平丝杠导轨运动副；5-1、支撑板；5-2、水平直线导轨；5-3、水平丝杠；5-4、丝杠联轴器；5-5、水平电机；5-6、水平电机支板；6、工件夹具旋转装置；6-1、基板；6-2、水平螺母；6-3、直线轴承；6-4、轴承座座板Ⅰ；6-5、蜗杆轴承座；6-6、蜗杆；6-7、旋转轴轴承座；6-8、转轴；6-81、左转轴；6-82、右转轴；6-83、连接键；6-9、蜗轮；6-10、旋转电机；6-11、电机架；7、工件夹具；7-1、上夹板；7-2、下夹板；7-3、筋板。

具体实施方式

如图1所示，一种自动冲蚀实验装置，在箱体1内前后侧壁之间安装有水平布置的水平丝杠导轨运动副5。水平丝杠导轨运动副5上安装有工件夹具旋转装置6，工件夹具旋转装置6可在水平丝杠导轨运动副5上作水平直线运动。工件夹具旋转装置6上安装有工件夹具7，工件夹具7可以在工件夹具旋转装置6的带动下做360°范围内的转动；工件夹具7用于固定工件。箱体1前侧壁外固定有竖直方向布置的竖直方向丝杠导轨运动副2；竖直方向丝杠导轨运动副2上安装有喷头3，喷头3可在竖直方向丝杠导轨运动副2上作竖直直线运动，箱体1前侧壁上开有供喷头3穿过的孔；喷头3用于将介质喷射在工件上。

如图1、图2所示，箱体1呈方形，箱体1前后侧壁平行，并与地面垂直。箱体1上端开口并设有透明的观察盖4，箱体1后壁设有两个相对的玻璃孔1-1，箱体1内部设有照明装置，便于观察实验情况；箱体1下端四角处设有支腿1-2；箱体1的底面是向下凸出的锥形面1-3；冲蚀所用砂料冲蚀工件后重新落入箱体1的底面，砂料在寿命范围内可以循环使用。

结合图1、图3和图4所示，水平丝杠导轨运动副5：两个支撑板5-1平行相对，支撑板5-1分别固定在箱体1内前后侧壁上；两支撑板5-1之间固定有一对平行的水平直线导轨5-2；在两水平直线导轨5-2之间设有一个可转动安装在两支撑板5-1上的水平丝杠5-3，水平直线导轨5-2和水平丝杠5-3平行；水平丝杠5-3为无侧隙滚珠丝杠。水平丝杠5-3的后端伸出支撑板5-1，水平丝杠5-3的后端通过丝杠联轴器5-4连接有水平电机5-5，水平电机5-5为步进电机；水平电机5-5安装在水平电机支板5-6上，水平电机支板5-6固定在箱体1后壁外侧。

再结合图5所示，工件夹具旋转装置6：基板6-1下端中间通过水平螺母6-2与水平丝杠5-3连接，基板6-1下端两侧通过直线轴承6-3与水平直线导轨5-2连接；水平螺母6-2与水平丝杠5-3构成无侧隙滚珠丝杠螺母副，和直线轴承6-3相结合，减小传动过程中摩擦力，提高基板6-1运动精度。水平电机5-5带动基板6-1沿水平直线导轨5-2和水平丝杠5-3做直线运动，以控制冲蚀距离。喷头3中喷嘴3-1与工件夹具7上的工件的冲蚀距离以150mm为最优实验距离。基板6-1上安装有两个轴承座座板Ⅰ6-4；轴承座座板Ⅰ6-4上安装有一对蜗杆轴承座6-5和一对与蜗杆轴承座6-5垂直的旋转轴轴承座6-7；两蜗杆轴承座6-5上通过轴承可转动安装有蜗杆6-6；蜗杆6-6一端连接有旋转电机6-10，旋转电机6-10通过一个电机架6-11固定在轴承座座板Ⅰ6-4，旋转电机6-10为步进电机。两旋转轴轴承座6-7上可转动安装有水平布置的与水平丝杠5-3垂直的转轴6-8；转轴6-8一端安装有与蜗杆6-6相啮合的蜗轮6-9；转轴6-8包括轴心位于同一直线上的左转轴6-81和右转轴6-82；左转轴6-81通过轴承安装在一个旋转轴轴承座6-7，右转轴6-82通过轴承安装在另一个旋转轴轴承座6-7；左转轴6-81和右转轴6-82相对端相离一定距离，右转轴6-82与左转轴6-81相对的一端设有突出的连接键6-83。

再结合图6至图10所示，工件夹具7固定在转轴6-8上。工件夹具7包括上夹板7-1和下夹板7-2，上夹板7-1和下夹板7-2上开有方形的安装卡槽，以及相对的连接通孔；工件夹具7可同时安装40mm×40mm和30mm×30mm受冲蚀方形工件；上夹板7-1和下夹板7-2之间可通过螺栓连接。上夹板7-1和下夹板7-2之间设有多个筋板7-3，筋板7-3与上夹板7-1和下夹板7-2设置相应的卡槽定位；筋板7-3中开有与右转轴6-82、左转轴6-81和连接键6-83相配合的孔，保证筋板7-3可以与连接键6-83定位；筋板7-3的厚度保证可以穿过左转轴6-81和右转轴6-82相对端之间的距离。旋转电机6-10带动工件夹具7和工件随转轴6-8转动，以控制冲蚀角度。喷头3中喷嘴3-1与工件夹具7上的工件的冲蚀角度以30°60°90°为最常用的实验角度。

结合图1、图11所示，竖直方向丝杠导轨运动副2：一对轴承座座板Ⅱ2-1对称固定在箱体1前侧壁上，两轴承座座板Ⅱ2-1上安装有一对竖直方向导轨轴承座2-2和一对竖直方向丝杠轴承座2-3；两竖直方向导轨轴承座2-2上通过轴承安装有竖直方向导轨2-4；两竖直方向丝杠轴承座2-3上通过轴承安装有竖直方向丝杠2-5；竖直方向丝杠2-5为无侧隙滚珠丝杠，竖直方向导轨2-4和竖直方向丝杠2-5竖直方向布置。竖直方向丝杠2-5端部连接有竖直方向电机2-7，竖直方向电机2-7为步进电机。喷头夹具2-6一端与竖直方向导轨2-4滑动连接，喷头夹具2-6另一端通过螺母与竖直方向丝杠2-5连接；喷头夹具2-6与竖直方向丝杠2-5构成无侧隙滚珠丝杠螺母副。

再结合图12-1和图12-2所示，所述喷头3固定在喷头夹具2-6上；喷头3包括喷嘴3-1、电磁阀3-2、调压阀3-5、三通接头3-6和气路直通接头3-7，电磁阀3-2左侧输出口通过气路直通接头3-7与调压阀3-5右侧输出口相连接，电磁阀3-2右侧输出口与进气管道3-4的一端相连接，进气管道3-4的另一端与空压机相连提供喷砂原动力，调压阀3-5左侧输出口通过气路直通接头3-7与三通接头3-6右侧输出口相连接，三通接头(3-6)左侧输出口通过气路直通接头3-7与喷嘴3-1相连接，三通接头3-6下侧输出口通过气路直通接头3-7与吸砂管3-3的一端相连接，吸砂管3-3的另一端均伸入箱体1内.在箱体1前侧壁上开有供喷头3穿过的孔，喷嘴3-1水平布置，内径6mm，可随喷头夹具2-6上下移动。竖直方向电机2-7带动喷头3随喷头夹具2-6上下移动，以调节喷头3的喷嘴3-1与工件夹具7上的工件相对位置，使喷射中心与工件中心在同一轴线上。使用时，喷嘴3-1与工件夹具7上的工件相对；进气管道3-4与空压机相连提供喷砂原动力，吸砂管3-3一端伸入箱体1的底部即锥形面1-3，在箱底置有冲蚀磨粒，一般为天然刚玉(Al₂O₃)。空压机工作时，进气管道3-4与吸砂管3-3接口处为低气压区，箱体内冲蚀磨砂在外部大气压作用下由吸砂管3-3进入进气管道3-4由喷嘴喷出。

结合图13和图14所示，自动冲蚀实验装置还包括一个用于控制竖直方向电机2-7、水平电机5-5、旋转电机6-10和电磁阀3-2的控制电路。

控制电路以51单片机为核心，按键为操作端，液晶显示屏为操作显示端，水平电机，竖直方向电机，旋转电机均采用步进电机。

电磁阀3-2：电磁阀3-2工作状态由51单片机控制，可精确控制气路的通断。调压阀3-5控制喷嘴3-1处的压力；

水平电机5-5：水平电机5-5带动基板6-1沿水平直线导轨5-2和水平丝杠5-3做直线运动，以控制冲蚀距离。

旋转电机6-10：旋转电机6-10带动工件夹具7和工件随转轴6-8转动，以控制冲蚀角度。

竖直方向电机2-7：竖直方向电机2-7带动喷头3随喷头夹具2-6上下移动，以调节喷头3的喷嘴3-1与工件夹具7上的工件相对，使喷射中心与工件中心在同一轴线上。

电子控制部分：

电源选用四节1860型锂电池、两片AMS1117稳压芯片为控制电路提供稳定的电源电压。

键盘采用4×4矩阵键盘与单片机P0口相连；

步进电机选用17HD004-23D步进电机驱动与单片机的P1口，P3口相连；

显示器采用12864液晶显示屏，与单片机的P2端口相连，并行传输方式的数据传输速度较快。

本发明以单片机为核心处理器，通过对按钮的操作实现步进电机角度旋转，控制丝杠，蜗轮蜗杆旋转角度进而控制工件冲蚀角度和距离。通过如下方式可实现本作品的各个功能。

功能一：按键操控步进电机实现喷头定位，工件夹具旋转，工件夹具平台平移。

功能二：LCD显示屏根据单片机反馈的步进电机工作情况，同步显示工件夹具与水平位置相对角度，喷头相对受冲蚀工件中心高度，提示操作指令输入。

功能三：按键控制喷砂时间。

本发明的具体操作过程如下：

(1)安装测试工件；

(2)打开电源后，箱体内照明装置打开，检查工件夹具平台，喷头位置，工件夹具相对水平位置角度；

(3)根据开机情况操作按键“V”调整喷头高度每次步进5°；按键“H1”调整工件夹具位置每次步进5mm，按键“H2”工件夹具持续运动；按键：“R1”调整工件夹具角度每次步进5°，按键：“R2”工件夹具持续旋转，根据LCD显示屏反馈调整；确保工件旋转角度和相对于喷嘴的位置正确；

(4)按键“TIME”设置喷砂时间，按键“+”调整所需冲蚀时间；

(5)启动空压机；调节调压阀旋钮，确保达到所需压力；

(6)按键“START”开始喷砂；

(7)按键“STOP”停止喷砂；

(8)取出测试工件。

Claims (6)

1.一种自动冲蚀实验装置，包括箱体(1)；其特征在于：在所述箱体(1)内前后侧壁之间安装有水平布置的水平丝杠导轨运动副(5)；所述水平丝杠导轨运动副(5)上安装有工件夹具旋转装置(6)；所述工件夹具旋转装置(6)上安装有工件夹具(7)；在所述箱体(1)前侧壁外固定有竖直方向布置的竖直方向丝杠导轨运动副(2)；所述竖直方向丝杠导轨运动副(2)上安装有喷头(3)，在箱体(1)后侧壁上开有供喷头(3)穿过的孔；

所述水平丝杠导轨运动副(5)包括两个分别固定在所述箱体(1)内前后侧壁上的支撑板(5-1)；两所述支撑板(5-1)之间固定有一对平行的水平直线导轨(5-2)；在两所述水平直线导轨(5-2)之间设有一个可转动安装在两支撑板(5-1)上的水平丝杠(5-3)；所述水平丝杠(5-3)的后端伸出支撑板(5-1)，水平丝杠(5-3)的后端通过丝杠联轴器(5-4)连接有水平电机(5-5)；

所述工件夹具旋转装置(6)包括基板(6-1)；所述基板(6-1)下端中间通过水平螺母(6-2)与水平丝杠(5-3)连接，基板(6-1)下端两侧通过直线轴承(6-3)与水平直线导轨(5-2)连接；

所述基板(6-1)上安装有轴承座座板Ⅰ(6-4)；所述轴承座座板Ⅰ(6-4)上安装有一对蜗杆轴承座(6-5)和一对旋转轴轴承座(6-7)；两所述蜗杆轴承座(6-5)上可转动安装有蜗杆(6-6)；所述蜗杆(6-6)一端连接有旋转电机(6-10)；两所述旋转轴轴承座(6-7)上可转动安装有水平布置的与水平丝杠(5-3)垂直的转轴(6-8)；所述转轴(6-8)一端安装有与蜗杆(6-6)相啮合的蜗轮(6-9)；

所述工件夹具(7)固定在转轴(6-8)上；

所述竖直方向丝杠导轨运动副(2)包括一对对称固定在箱体(1)前侧壁上的轴承座座板Ⅱ(2-1)；两所述轴承座座板Ⅱ(2-1)上安装有一对竖直方向导轨轴承座(2-2)和一对竖直方向丝杠轴承座(2-3)；两所述竖直方向导轨轴承座(2-2)上安装有竖直方向导轨(2-4)；两所述竖直方向丝杠轴承座(2-3)上安装有竖直方向丝杠(2-5)；所述竖直方向丝杠(2-5)端部连接有竖直方向电机(2-7)；

在所述竖直方向导轨(2-4)和竖直方向丝杠(2-5)上安装有喷头夹具(2-6)；

所述喷头(3)固定在喷头夹具(2-6)上；喷头(3)包括喷嘴(3-1)、电磁阀(3-2)、调压阀(3-5)、三通接头(3-6)和气路直通接头(3-7)，电磁阀(3-2)左侧输出口通过气路直通接头(3-7)与调压阀(3-5)右侧输出口相连接，电磁阀(3-2)右侧输出口与进气管道(3-4)的一端相连接，进气管道(3-4)的另一端与空压机相连提供喷砂原动力，调压阀(3-5)左侧输出口通过气路直通接头(3-7)与三通接头(3-6)右侧输出口相连接，三通接头(3-6)左侧输出口通过气路直通接头(3-7)与喷嘴(3-1)相连接，三通接头(3-6)下侧输出口通过气路直通接头(3-7)与吸砂管(3-3)的一端相连接，吸砂管(3-3)的另一端均伸入箱体(1)内；

还包括一用于控制竖直方向电机(2-7)、水平电机(5-5)、旋转电机(6-10)和电磁阀(3-2)控制电路。

2.根据权利要求1所述的自动冲蚀实验装置，其特征在于：所述箱体(1)呈方形，箱体(1)上端设有透明的观察盖(4)；箱体(1)后壁设有玻璃孔(1-1)；箱体(1)下端四角处设有支腿(1-2)；箱体(1)的底面是向下凸出的锥形面(1-3)；箱体(1)内部设有照明装置。

3.根据权利要求1所述的自动冲蚀实验装置，其特征在于：所述水平丝杠(5-3)和水平螺母(6-2)为无侧隙滚珠丝杠螺母；所述水平电机(5-5)安装在水平电机支板(5-6)上，所述水平电机支板(5-6)固定在箱体(1)后壁外侧。

4.根据权利要求1所述的自动冲蚀实验装置，其特征在于：所述旋转电机(6-10)通过一个电机架(6-11)安装在轴承座座板Ⅰ(6-4)。

5.根据权利要求1所述的自动冲蚀实验装置，其特征在于：所述转轴(6-8)包括轴心位于同一直线上的左转轴(6-81)和右转轴(6-82)；所述左转轴(6-81)通过轴承安装在一个旋转轴轴承座(6-7)，右转轴(6-82)通过轴承安装在另一个旋转轴轴承座(6-7)；所述左转轴(6-81)和右转轴(6-82)相对端相离一定距离，右转轴(6-82)与左转轴(6-81)相对的一端设有突出的连接键(6-83)；

所述工件夹具(7)包括上夹板(7-1)和下夹板(7-2)，上夹板(7-1)和下夹板(7-2)上开有安装孔，以及相对的连接通孔；所述上夹板(7-1)和下夹板(7-2)之间设有多个筋板(7-3)；所述筋板(7-3)中开有与右转轴(6-82)、左转轴(6-81)和连接键(6-83)相配合的孔。

6.根据权利要求1所述的自动冲蚀实验装置，其特征在于：所述竖直方向电机(2-7)、水平电机(5-5)以及旋转电机(6-10)均采用步进电机。