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拋噴丸強(qiáng)化是一種廣泛使用的方法，其在工件表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，使其更耐用。如許多制造工藝一樣，拋噴丸強(qiáng)化也需要包括精確應(yīng)力值的質(zhì)量控制。用于測(cè)量拋噴丸強(qiáng)化工件殘余應(yīng)力的常用技術(shù)是X射線衍射。
Stresstech在無損過程控制和質(zhì)量檢驗(yàn)方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)。Stresstech產(chǎn)品線包括利用巴克豪森噪聲技術(shù)、孔鉆(ESPI：電子散斑圖案干涉術(shù))以及本文焦點(diǎn) - X射線衍射的應(yīng)力分析儀。隨著技術(shù)和制造的進(jìn)步，產(chǎn)品線包括許多自動(dòng)測(cè)量功能，并使用了工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人可用于測(cè)量具有復(fù)雜形狀和寬表面工件的殘余應(yīng)力，通過自動(dòng)化創(chuàng)建靈活的測(cè)量過程。Stresstech機(jī)器人的X射線測(cè)量系統(tǒng)被稱為Xstress機(jī)器人。
圖1：機(jī)器人通過 X 射線衍射在具有復(fù)雜形狀、寬表面或難以到達(dá)區(qū)域的零件上簡(jiǎn)易測(cè)量殘余應(yīng)力
根據(jù)X射線衍射數(shù)據(jù)測(cè)定殘余應(yīng)力
X射線是具有較短波長(zhǎng)(即比可見光具有更高的能量)的電磁輻射波。短波長(zhǎng)X射線非常適合探測(cè)材料中的面間距。使用面間距作為極限標(biāo)距長(zhǎng)度，X射線技術(shù)是理想的技術(shù)，并適用于所有結(jié)晶材料，特別是金屬，同時(shí)也適用于陶瓷。其測(cè)量絕對(duì)應(yīng)力，而無需無應(yīng)力樣品進(jìn)行校準(zhǔn)。
具有周期性晶格結(jié)構(gòu)的材料可以用所謂的單位晶胞描述，其是包含用于指定各種材料晶體結(jié)構(gòu)信息的zui小體積單元。通過連接原子所在的點(diǎn)形成晶格結(jié)構(gòu)。用于描述這些單位晶胞的zui常用的坐標(biāo)系是米勒指數(shù)計(jì)數(shù)法。
常見的X射線源是X射線管，其中電子被轟擊至目標(biāo)金屬陽(yáng)極。通過加熱充當(dāng)陰極的鎢絲形成熱離子電子。用高電壓(25 kV至60 kV)將電子加速，這給予電子足夠的能量使其從目標(biāo)金屬原子，發(fā)射特定于陽(yáng)極材料的標(biāo)識(shí)特征射線,這種接近單色射線可用于X射線衍射分析。
通過衍射峰位置計(jì)算應(yīng)變，由衍射數(shù)據(jù)確定殘余應(yīng)力。作用在測(cè)量材料上的應(yīng)力改變了晶面間距，其可以被測(cè)量。在實(shí)踐中，首先測(cè)量無應(yīng)力的金屬粉末以對(duì)特定材料的器件進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)期間，將檢測(cè)器放置到粉末的已知衍射角，并設(shè)置角度盤。然后通過測(cè)量具有多個(gè)傾斜角的晶格距離來計(jì)算應(yīng)力，并且結(jié)果被繪制為d vs sin2X圖，其中d是測(cè)量的晶面間距，X是傾斜角。可從該d vs sin2X圖的斜率確定殘余應(yīng)力。
X射線衍射是測(cè)量殘余應(yīng)力的非破壞性的、簡(jiǎn)便的方法。曝光區(qū)域量會(huì)影響測(cè)量時(shí)間，而使用較大的準(zhǔn)直器會(huì)減少測(cè)量所需時(shí)間。
圖2：來自晶格面的X射線衍射(布拉格定律)
布拉格定律描述了來自晶格面的X射線衍射。表示為λ=2dsinθ，其中λ是X射線的波長(zhǎng)，d是晶面間距，θ是衍射角，如圖2所示。布拉格定律假定入射波和衍射波同相并經(jīng)歷相長(zhǎng)干涉。布拉格定律已證明其本身是精準(zhǔn)的、正確的，使其成為衍射應(yīng)用的有用工具。
用機(jī)器人達(dá)到極限
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括具有多個(gè)軸的機(jī)器人臂，其由機(jī)器人控制器控制?？刂破鬟€可以控制外部軸和旋轉(zhuǎn)單元，可用于操作工件。機(jī)器人具有不同的尺寸、不同的有效載荷和可達(dá)性。機(jī)器人應(yīng)用的重要部分是附接到機(jī)器人凸緣的工具，機(jī)器人需要完成其任務(wù)。該工具幾乎可以是任何東西：夾子、焊槍、點(diǎn)膠機(jī)等。機(jī)器人系統(tǒng)通常具有外圍I/O設(shè)備，其可以通過機(jī)器人控制器進(jìn)行操作和監(jiān)視。其中一個(gè)關(guān)鍵特征是機(jī)器人也是可重新編程的。
Xstress機(jī)器人系統(tǒng)是用于測(cè)量殘余應(yīng)力的交鑰匙解決方案。它使用工業(yè)機(jī)器人作為測(cè)角儀，從而為測(cè)量過程帶來更多的靈活性和自動(dòng)化。Xstress機(jī)器人系統(tǒng)由包括機(jī)器人控制器、X射線管和準(zhǔn)直器的工業(yè)機(jī)器人、X3003主機(jī)和帶有XTronic軟件的計(jì)算機(jī)組成。作為選項(xiàng)，Xstress機(jī)器人可以使用迷你管而非標(biāo)準(zhǔn)的G3 X射線管進(jìn)入圖3所示的較小空間。
在X射線測(cè)量中使用Xstress機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的zui大優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)?/span>G3測(cè)量頭移動(dòng)到其他難以到達(dá)的空間，從而生成準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。寬工作區(qū)為Xstress機(jī)器人提供了測(cè)量大型、復(fù)雜零件的方法，無需在測(cè)量之間移動(dòng)零件。此外，由于XTronic中測(cè)量點(diǎn)的映射特征，測(cè)量過程是自動(dòng)的。Xstress機(jī)器人是敏捷的，能移動(dòng)至難以到達(dá)的位置(如可以移動(dòng)至圓柱形管)，而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)角儀來說這是一個(gè)不可能的任務(wù)。機(jī)器人可輕易地將測(cè)量頭帶入管內(nèi)以測(cè)量如圖4所示的管焊縫的應(yīng)力。
圖4：Xstress機(jī)器人測(cè)量圓柱體零件的內(nèi)部
該系統(tǒng)可以包括外部軸線以在測(cè)量期間旋轉(zhuǎn)諸如曲軸的零件，從而給予機(jī)器人更多的可用于測(cè)量的空間。Xstress機(jī)器人系統(tǒng)可以利用旋轉(zhuǎn)軸訪問：例如軸的各側(cè)。旋轉(zhuǎn)單元是高度自動(dòng)化應(yīng)用的理想選擇，如圖5所示。
圖5：Xstress機(jī)器人在曲軸上進(jìn)行測(cè)量
使用方便
Stresstech在設(shè)計(jì)Xstress機(jī)器人時(shí)考慮了終端用戶。大多數(shù)工作是使用XTronic軟件完成的，XTronic軟件控制機(jī)器人并計(jì)算殘余應(yīng)力。在正常操作中，首先將附接到機(jī)器人臂的G3測(cè)角儀手動(dòng)定位到測(cè)量位置。位置被映射到測(cè)量程序，然后通過XTronic軟件加以執(zhí)行。在測(cè)量程序期間，機(jī)器人將G3測(cè)角儀移動(dòng)到測(cè)量位置，并根據(jù)XTronic中定義的參數(shù)測(cè)量工件。實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，用XTronic在圖中顯示數(shù)據(jù)。終端用戶無需為數(shù)據(jù)處理花費(fèi)時(shí)間，因?yàn)槟芤杂脩粲押玫男问綇?/span>XTronic中即刻讀取測(cè)量結(jié)果。
XTronic提供各種功能支持Xstress機(jī)器人測(cè)角儀的操作?？梢酝ㄟ^XTronic將機(jī)器人移動(dòng)到編程位置，無需使用機(jī)器人示教器。這有助于驗(yàn)證測(cè)量點(diǎn)。此外，XTronic具有對(duì)準(zhǔn)X射線管以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果的功能。必須手動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)角儀的對(duì)準(zhǔn)，機(jī)器人測(cè)角儀只能通過修改XTronic的工具數(shù)據(jù)和機(jī)器人自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)本身進(jìn)行對(duì)齊。
測(cè)量服務(wù)
Stresstech集團(tuán)在芬蘭、德國(guó)、印度和美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)施為客戶提供不同方法的測(cè)量服務(wù)?？蛻艨梢詫亣娡鑿?qiáng)化的工件直接送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行X射線測(cè)量。該服務(wù)是一個(gè)很好的選擇，若需測(cè)量有限量的工件，安裝自己的機(jī)器人系統(tǒng)將不再是所要求的解決方案。Stresstech的測(cè)量實(shí)驗(yàn)室配備了各種測(cè)量工具，包括Xstress機(jī)器人系統(tǒng)，主要用于測(cè)量大型、復(fù)雜的工件。也可以尋求當(dāng)?shù)豾
若需測(cè)量的工件太大，則無法將其送到實(shí)驗(yàn)室。由于Xstress Robot的移動(dòng)性，也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)室使用的Xstress機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)安裝在移動(dòng)推車上的一體化包裝系統(tǒng)，能以zui小的工作量將其帶到客戶的工廠場(chǎng)地。由于Xstress機(jī)器人非常緊湊從而可以裝進(jìn)一輛面包車，可以將整個(gè)Xstress機(jī)器人系統(tǒng)很容易地運(yùn)輸?shù)娇蛻舻墓S進(jìn)行壓力測(cè)量。
移動(dòng)性也有利于機(jī)器人的可達(dá)性極限。即使極大的工件，也可以通過在測(cè)量位置之間移動(dòng)Xstress機(jī)器人而非移動(dòng)工件來進(jìn)行測(cè)量。首先，機(jī)器人可以移動(dòng)到某個(gè)位置，并且所有的測(cè)量均可在機(jī)器人的可達(dá)性內(nèi)完成。接下來，機(jī)器人被移動(dòng)到新位置以用于下一測(cè)量，而無需移動(dòng)重工件。重復(fù)該過程，直到完成所有測(cè)量。得益于Xstress機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)性，能以zui小的工作量和短測(cè)量時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大型、復(fù)雜的工件。
Stresstech Oy的測(cè)量服務(wù)實(shí)驗(yàn)室為全球客戶提供服務(wù)，是一家通過非破壞性X射線衍射法進(jìn)行殘余應(yīng)力和殘余奧氏體測(cè)量的權(quán)威測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。(SFS-EN ISO/IEC 17025:20050)權(quán)威測(cè)量實(shí)驗(yàn)室(FINAS T294)。
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