分享：智能机器人全自动冲击试验系统在夏比摆锤 冲击试验中的应用

摘 要:全自动冲击试验机由于结构设计的原因,在进行夏比摆锤冲击试验时,测量设备状态及 试验的人工冲击操作等降低了试验效率和结果准确率.介绍了智能机器人全自动冲击试验系统的 构造、试验概述和优势,将自动冲击与人工冲击进行了对比分析.结果表明:智能机器人全自动冲 击试验系统按照夏比摆锤冲击试验标准设定,冲击试验时间恒定,保证了试验节奏的一致性,得到 的试验结果偏差小且数据分布更为集中,减少了人为误差和试验结果的波动性,降低了试验结果的 误判和错判的概率,提高了试验效率和结果准确率. 

关键词:全自动冲击试验机;夏比摆锤冲击;智能机器人;自动冲击 

中图分类号:TG５０６ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７７５Ｇ０４

夏比摆锤冲击试验是将带 U 形或 V 形缺口的 金属试样置于试验机两支座之间,用摆锤打击试样, 使其沿缺口冲断,通过冲断时摆锤重新升起的高度 差计算试样的冲击吸收能量[１Ｇ２],摆锤冲击试验能反 映材料的韧脆特性,对于冲击试样因热加工缺陷及 内部夹杂物引起的材料脆化非常敏感,因而在产品 检验和科学研究中得到广泛应用.夏比冲击试验采 用了在动态力下瞬间冲断的方法,其试验结果的影 响因素较多,主要包括人员要求、测量设备状态、冲 击试样的制备、试验操作的控制等[３Ｇ５].为保证试验 结果的准确性和有效性,准确合理地控制这些因素 尤为重要.

近年来,国内部分试验室配备了进口或国产的 全自动冲击试验机,但全自动冲击试验机因结构设 计方面的原因,在使用过程中存在制冷装置易结霜 造成推送机构常卡死、送样过程易掉样、冲击试验机 砧座毛刺影响试样定位精度等问题.此外,该类试验机由于在试验过程中对气体冷却和液体冷却识别 不明确易造成保温时间设定分歧,而且由于其采用 的是端面定位的方式,对冲击试样的长度公差加工 要求由０．４２mm 增加到０．１６５mm,大幅降低了冲 击试验效率和试验结果的准确性,使得全自动冲击 试验机目前仍难以被大规模的普及应用.某公司自 主开发了基于视觉定位的智能机器人全自动冲击试 验系统,从系统设计上避免了上述问题.笔者介绍 了该智能机器人全自动冲击试验系统的构造、试验 标准与方法以及优势等. 

１ 智能机器人全自动冲击试验系统的构造 

智能机器人全自动冲击系统集成了金属材料力 学冲击试验机、自动控温低温槽、视觉定位、机器人、 分拣收集装置及信息管理软件等系统,在人工进行 批量试样的上料、组批及下达任务后,系统将自动进 行试样的降温、保温、上料、冲击,并在试验完成后自 动上传试验数据,实现了全自动冲击试验.

智能机器人全自动冲击系统的结构如图 １ 所 示,由机器人对冲击试样的参数进行设定:试验时间 (从冷却环境到完成冲击)小于４．５s;冲击试样缺口 对称面偏离砧座中点不大于０．１mm(行业要求不大 于０．５mm).试验完成后,系统会得出冲击试样是 否合格的结果. 

智能机器人全自动冲击系统提高了实验室装备 的智能化水平,可实现低温槽的自动保温控制,提高 了上料节奏的稳定性,确保试样摆放位置的精确度, 实现数据的自动传输,增强了试验操作的规范性,排 除了人为误差,提高了试验准确性与工作效率.

２ 智能机器人全自动冲击试验概述 

２．１ 试验标准 

智能机器 人 全 自 动 冲 击 试 验 系 统 按 照 GB/T ２２９－２００７«金属材料夏比摆锤冲击试验方法»(或ISO １４８Ｇ１:２００６ Metallic Materials—Charpy PendulumImpactTest—Part１:TestMethod)和 ASTM E２３－２０１２cStandard Test Methodsfor Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials进行冲击试验.其中,GB/T２２９－２００７ (或ISO１４８Ｇ１:２００６)适用于室温以及高低温下的 试验,而 ASTM E２３－２０１２c 适 用 于 温 度 高 于 －１９６ ℃的试验.智能机器人全自动冲击系统按照 夏比摆锤冲击试验标准要求而研发,在取放样节奏、 放样位置、试样传送、记录和读取试验数据等方面都 进行了严格的控制.

２．２ 试验过程 

在采用智能机器人全自动冲击试验系统进行冲 击试验前需做好准备工作,包括检查设备的状态和 试样是否符合试验标准,如查看摆锤摆放是否到位、 冲击刀刃与试样间隙是否达标、指针是否回零、冲击 系统手 臂 摆 放 位 置 是 否 准 确 等. 试 验 过 程 按 照 GB/T２２９－２００７(或ISO１４８Ｇ１:２００６)或者 ASTM E２３－２０１２c规定的方法进行.

３ 智能机器人全自动冲击试验系统的优势 

３．１ 冲击时间的恒定性 

 选取 A３６船板钢为试验材料.为避免因材料 不均匀和冲击吸收能量的离散性对试验结果的影 响,采用１００组尺寸为１０mm×１０mm×５５mm 的 冲击试样(每组有３个试样,取平均值作为最终结 果),其中５０组由操作人员进行人工冲击,５０组由 智能机器人系统进行自动冲击.同时记录冲击时 间,人工冲击采用秒表计时,自动冲击采用自动计 时,试验时间结果如图２所示.可见人工冲击每组 试样的平均时间为３．６４s,自动冲击每组试样的平 均时间为４．３３s.虽然人工冲击用时较短,但是由实际操作经验可知,随着时间的延长,操作人员会产 生疲劳,无法长期准确控制冲击节奏和时间,试验前 后的时间控制会出现偏差,如果再加大试验量,冲击 时间将变长,试验速度会下降.由于智能机器人不 会产生疲劳,冲击时间基本恒定(轻微波动主要是由 保温介质液面波动和自动计时的操作误差引起),不 会随试验时间的延长而变化,试验全程节奏稳定,提 高了试验效率和试验结果的准确性.

３．２ 冲击试验数据分布特性 

采用智能机器人全自动冲击试验系统不会出现 由于人员的视觉和听觉疲劳导致试验数据录入不规 范甚至错误的现象,保证了试验结果的完整性、有效 性和规范性. 自动冲击和人工冲击测得的冲击吸收能量数据 分析结果如图３所示.可见两种冲击方式得到的冲 击吸收能量数值均符合正态分布,

自动冲击得到的 冲击吸收能量的标准差小于人工冲击得到的,这是 因为自动冲击消除了大部分人为操作产生的误差, 得到的试验结果更准确.自动冲击得到的冲击吸收 能量数值范围更集中.

自动冲击和人工冲击得到的冲击吸收能量分布 概率图如图４所示,在９５％的置信区间内,自动冲 击得到的冲击吸收能量在相对真值(即材料的平均 冲击吸收能量)的８９．５６％~１１０．４４％范围内;人工 冲击得到的冲击吸收能量在相对真值的８４．１６％~ １１５．８４％范围内,可见自动冲击系统得到的冲击吸 收能量分布区间更窄,离散程度更小,数据分布更集 中.分布区间越小,测试值与真值越接近,小的分布 区间比大的分布区间发生误判的概率更低.

在智能机器人自动冲击９５％置信区间外,人工 冲击结果的分布概率图如图５所示.概率分布图显 示,人工冲击结果有１０．１％的概率分布在自动冲击 ９５％置信区间外.故智能机器人自动冲击结果准确 率提高了５．１％.

３．３ 试验结果的准确率 

根据多年的行业经验,冲击试验结果的原始记 录要求做到以下几点[６]: 

(１)原始记录具有原始性、客观性,要求试验人 员按要求在检验过程中及时填写,不得事后凭记忆或随意改动. 

(２)试样检验具有不间断的溯源链且检测结果 具有可溯源性. 

(３)确认检测标准和方法是否正确. 

(４)确认不合格结果是否需要重复检验. 

(５)原始记录引用标准方法具有完整性和一 致性. 

(６)法定计量单位与数据处理正确、规范,非法 定计量单位符号、字母大小写、数据处理和计算正 确,有效数字修约规范. 

(７)现场检测环境符合 GB/T２２９－２００７标准 的要求. 

(８)试验报告的时间不得出现逻辑性错误.

试验人员按照试验标准完成试验后,人工读取 表盘或显示器数据时会存在误差,此外,在试验数据 的录入过程中,试验人员因疲劳或手误会出现个别 数据录入错误或者有效数字修约不规范的问题,导 致试验结果存在偏差,需要重复试验进行二次检验, 造成试验周期的延长和试验资源的浪费.表１是某 实验室２０１７年冲击试验数据的人工录入情况统计 表,可见该年度人工录入的错误次数为１５８次,错误 率为０．０６％.在２０１８年采用智能机器人全自动冲 击试验系统后,该实验室的冲击试验数据录入的错 误率为０.由于智能机器人全自动冲击试验系统具 有数据处理系统及记录装置,试验完毕会及时记录 试验结果,且不会出现数据录入错误的现象,避免了人为造成的数据误判和错判,进而避免了由此带来 的二次检测,缩短了试验周期并减少了资源浪费,提 升了试验效率和试验结果的准确率. 

３．４ 试验结果的波动性 

夏比摆锤冲击试验得到的试验结果(冲击吸收 能量)存在着波动.在材料成分和炉次批次相同、生 产工艺一致的情况下,试验数值的波动与机加工和 试验过程中的操作(如读数等)有关.机加工过程是 指从原材料取样,并将其按照 GB/T２２９－２００７标 准加工成冲击试样,该过程中对试样的尺寸和表面 粗糙度要求较高.对于机加工过程相同的试样,试 验结果的波动性主要和试验过程的操作有关.

智能机器人全冲击试验系统采用智能化程序控 制试验过程,在保证试验时间恒定的前提下,通过温 度控制系统将试样的温度控制在规定温度的±１ ℃ 范围内,避免因温度的波动导致试验结果的波动. 同时由图３和图４可以看出,自动冲击的试验结果 分布区间更集中,偏差更小,避免了人为因素对试验 结果的影响.

３．５ 试验数据的临界值

在夏比摆锤冲击试验结果中存在个别濒临合格 值的 临 界 值,关 于 临 界 值 的 处 理 在 GB/T２２９－ ２００７标准中有明确规定,智能机器人全自动冲击试 验系统严格按照试验标准进行临界值处理设置,未 出现因临界值处理有误导致试验结果错误的现象. 图６是１００组试样的平均冲击吸收能量变化情况, 可见自动冲击和人工冲击一样会对试验结果中的临 界值进行辨别和处理.

４ 结语 

智能机器人全自动冲击试验系统按照夏比摆锤冲击试验标准设定,冲击试验时间恒定,保证了试验 节奏的一致性,得到的试验结果偏差小且数据分布 更为集中,减少了人为误差和试验结果的波动性,降 低了试验结果的误判和错判的概率,提高了试验效 率和结果准确率.

参考文献: 

[１] 许鹤君．金属材料韧脆转变温度检测中的一些关键 问题[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(６):４２２Ｇ４２７． 

[２] 类成华,杨雷岗,孙继松,等．冲击试验机双冲击吸收 能量指示系统的对比[J]．物理测试,２０１６,３４(３):２４Ｇ ２７． 

[３] 刘大为．角钢 耐 低 温 冲 击 韧 性 探 讨 [J]．物 理 测 试, ２０１７,３５(４):１１Ｇ１４．

[４] 刘永飞,王平怀,刘宏亮,等．摆锤刀刃半径对夏比 V 型冲击吸收能量的影响[J]．理化检验(物理分册), ２０１６,５２(４):２３９Ｇ２４２． 

[５] 孙芳芳,马少波,毕岗,等．缺口形状对铁基烧结材料 冲击韧度的影响[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３ (２):８９Ｇ９２． 

[６] 王桦,赵健明．夏比摆锤冲击试验的质量保证[J]．金 属材料与冶金工程,２０１３,４１(５):４９Ｇ５１． 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 55卷 > 11期 (pp:775-778)>