里氏硬度測量實驗箱的設(shè)計

楊帆+胡又農(nóng)

摘 要 闡述一種理工科院校金屬材料硬度測量實訓(xùn)教育裝備——里氏硬度測量實驗箱，該實驗箱不同于以往實訓(xùn)中所用到的臺式硬度計和便攜式硬度計。臺式硬度計體積過大且不便移動；便攜式硬度計電量少、屏幕小、探頭不可更換、配件不易攜帶。該實驗箱針對這些不足進行優(yōu)化設(shè)計，具有大容量電池、高分辨率大屏顯示、可更換配件、箱式便攜一體化等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞 里氏硬度測量實驗箱；教育裝備；實訓(xùn)

中圖分類號：G482 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）06-0032-03

Abstract This article mainly explains an educational equipment that can be used in colleges of science and technology in mental material hardness testing practical training： Leeb Hardness Testing Experi-mental Toolbox. Being differed from the traditional practical training device， it optimizes the design of which the desk type devices large size and its uneasiness to move， and improves the design of which the portable devices low electric quantity， small screen， unchan-geable probe， and the uneasiness to carry the parts. Having solved these inadequacies， Leeb Hardness Testing Experimental Toolbox has high-capacity batteries， bigger high-definition screen， chan-geable parts， the integration of its desk type and portability， and etc.

Key words leeb hardness testing experimental toolbox； educational equipment； practical training

1 前言

測量硬度有多種方法，里氏硬度計測量因其具有易攜帶、測量范圍寬、操作方便等優(yōu)點，成為現(xiàn)場金屬部件硬度測量的首選方法[1]。里氏硬度測量實驗箱是一種以里氏硬度試驗為理論依據(jù)，針對理工科院校設(shè)計的用于金屬硬度測量實訓(xùn)教學(xué)的教育裝備。該實驗箱將教與學(xué)中所需的部件集成在一個實驗箱中，方便在硬度測量實訓(xùn)中的搬運和攜帶。實驗箱配有大屏顯示、多種探頭類型、快捷鍵、打印機、可更換電池、校準試塊等功能硬件，并搭載友好的人機交互系統(tǒng)，方便實驗人員操作。其設(shè)計面向教與學(xué)，對市場上出現(xiàn)的硬度計進行優(yōu)化設(shè)計，使得設(shè)備為教學(xué)所用。

2 目前狀態(tài)與不足

傳統(tǒng)教學(xué)工作中，多采用臺式靜力試驗布氏硬度基準機等臺式硬度計。這些臺式硬度計不僅體積龐大不便移動，而且價格較高，實驗室配備很難達到學(xué)生人手一臺的水平，使得學(xué)生上機操作時間少、體驗不足。便攜式硬度計體積小且攜帶方便，可解決數(shù)量不足的問題。但是，目前市場上銷售的便攜式硬度計存在以下一些不足：

1）電池容量小，很容易造成連續(xù)教學(xué)使用時電量不足，在進行實驗準備時需要花費時間去充電；

2）LCD屏過小，顯示數(shù)據(jù)量過少，不便于測量和教學(xué)工作的開展；

3）零散附件太多，不便于攜帶和現(xiàn)場操作；

4）微型化的一體型硬度計，體積雖然小，但探頭不可更換，無法滿足實訓(xùn)時需要不同探頭的要求；

5）維護困難，硬度計集成度高，若出現(xiàn)設(shè)備問題，需要返廠維修，花費的成本高、時間長。

并且在外采購的硬度計商業(yè)元素較重，采買、維護成本高，功能煩瑣且不適用。大多數(shù)院校為滿足課堂需要，需要支出大量資金、人力對硬件進行選購配備，費時費力。

3 實驗箱的設(shè)計

在調(diào)查相關(guān)用戶的基礎(chǔ)上，針對目前市場上銷售的里氏硬度測量儀的不足之處，專門為教學(xué)實訓(xùn)工作設(shè)計一款里氏硬度測量實驗箱。實驗箱解決了現(xiàn)有臺式硬度測量儀器體積過大，一體式硬度計電池容量不足、顯示數(shù)據(jù)少、探頭不可更換，便攜式硬度計零散附件多、不便攜帶等諸多問題。設(shè)計時特別關(guān)注模塊化、標準化等內(nèi)容，力求實現(xiàn)便于維修、便于使用的目標。

實驗所用的所有部件都裝配在防爆實驗箱中，如圖1所示。該實驗箱尺寸為400 mm（長）×300 mm（寬）×160 mm（高），箱子采買時選取有鎖扣、手持、肩背和現(xiàn)場放置的固定裝置。

在箱體上蓋開出一透明觀察窗口，在不打開箱蓋的情況下也可以觀察到儀器工作情況。箱體內(nèi)部分上下兩個區(qū)域：上層區(qū)域固定安裝儀表各部分，如編碼器、顯示器、鍵盤、電源、打印機等；下層區(qū)域用于存放儀表的附件和備件，如標準試塊、備用電池、沖擊裝置、備用打印紙、砂紙等。兩層使用鋁板隔開，配有拆裝手柄，方便拿取安放。

4 硬件設(shè)計

硬件組成

1）大屏幕顯示：屏幕選取7.3英寸、800*480高分辨率可觸摸彩色液晶屏。

2）多探頭和支撐環(huán)類型。材料不同、被測物曲面不同，應(yīng)選取不同的探頭和支撐環(huán)。該實驗箱配備多種沖擊裝置（D、DL、G、C、E、D15等）和各類支撐環(huán)，滿足不同的測量需求，并且大大減少了教育裝備的選購成本。用戶選擇不同的沖擊裝置進行打值測量，免去因探頭種類不同而配置多種硬度計的成本問題。

3）多按鍵快捷鍵盤?？旖萱I盤是方便實驗人員進行快捷配置所設(shè)計的。多按鍵快捷鍵盤為4×6分布，覆蓋機器的所有操作方式。按鍵分布如圖2所示?？旖萱I盤是為滿足快速調(diào)整數(shù)值，顯示、更改配置所設(shè)置的快捷鍵。最左側(cè)的一列為一級菜單，可遍歷所有操作；第二列到第六列為常用快捷鍵，可快捷設(shè)置一些常用菜單的配置。

4）打印機。為解決打印機攜帶不方便、連接復(fù)雜問題，實驗箱將微型打印機嵌入其中。微型打印機選取的是市場上較常見的熱敏鑲嵌式微型打印機。

5）可更換大容量充電電池。普通的硬度計在連續(xù)教學(xué)時耗電量較大，很容易造成后續(xù)教學(xué)時電量不足，而實驗員在每次實驗準備時要花費大量的時間去給設(shè)備充電。本實驗箱使用兩節(jié)26650充電電池供電（總電量10 000 mAh），

并配備兩節(jié)備用電池，在教學(xué)活動中若出現(xiàn)電量不足等情況，可自行更換，不耽誤教學(xué)工作的進行。

硬件設(shè)計總圖 硬件設(shè)計總圖如圖3所示。

5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能

1）顯示界面。該實驗箱設(shè)計四種顯示風(fēng)格，分別是大數(shù)字、統(tǒng)計參數(shù)、柱狀圖、平均值，測量值超出限定范圍可顯示不同顏色的提示符號。同時，為滿足不同測試環(huán)境、光線的需求，可調(diào)節(jié)屏幕亮暗、背光時間等。

2）友好的人機操作方式。實驗中常用功能可以使用快捷鍵操作，全部功能都可以通過菜單進行操作。實驗箱具備多按鍵鍵盤和編碼轉(zhuǎn)輪，教學(xué)中可采用這兩種方式進行操作。

3）測量功能。在實際測量中因測試用的材料不同，會選擇不同的探頭類型、材料、硬度單位等配置信息。該實驗箱配置模擬、無線、數(shù)字的探頭信號，配置D/DL/D15/G/C/E等探頭類型，可選單位有HL/HRC/HRB/HB/HV/HS/HRA等。為滿足多裝置、多材料、不同單位的示數(shù)教學(xué)要求，該實驗箱內(nèi)嵌入128個換算表，是目前相關(guān)產(chǎn)品中配備轉(zhuǎn)換表數(shù)量最多的，減少了實訓(xùn)活動中查數(shù)據(jù)手持的麻煩。該表支持中華人民共和國國家標準GB/T 17394—1998《金屬材料 里氏硬度試驗》[2]及部分其他國家和地區(qū)的標準。

4）特色功能。實驗箱不僅可以精確測量硬度值、存儲數(shù)據(jù)，還具有強大的數(shù)據(jù)分析能力。該實驗箱自帶硬度轉(zhuǎn)換計算器，方便查詢轉(zhuǎn)換各種材料硬度值，以及查看不同類型沖擊裝置之間的換算關(guān)系，擁有強大的數(shù)據(jù)處理及分析功能，包括顯示平均值、標準差、最大值、最小值、粗大誤差的判斷、超限情況的判斷及報警提示等信息。單組具有統(tǒng)計分析能力，包括平均值、平均值置信范圍、最大值、最小值、極差、標準差、標準差置信范圍峰度系數(shù)、偏度系數(shù)、合格率、測量值分布直方圖、測量值正態(tài)分布檢驗、測量值均勻分布檢驗。還可以雙組進行對比分析，進行均值顯著性差異檢驗、標準差顯著性差異檢驗、合格率顯著性差異檢驗、分布顯著性差異檢驗。

5）校準。實驗箱設(shè)有測量計數(shù)功能，對測量次數(shù)進行累計。當(dāng)打值超過1000～5000次（打值硬度不同，次數(shù)不同）后，需要對示數(shù)進行校準，這也是實驗教學(xué)的一部分。該實驗箱提供一點校準和兩點校準兩種校準方式，滿足大多數(shù)教學(xué)要求。而這兩種校準方式又可分為對單位和材料的獨立校準和聯(lián)合校準。同時，實驗箱配置低、中、高三種校準標準塊，方便實訓(xùn)中的打值校準學(xué)習(xí)。

6）打印。該實驗箱配置微型打印機，可選擇自動打印平均值或每測數(shù)值，還可手動選取要打印的某一次的數(shù)值。打印的數(shù)據(jù)可作為本次實訓(xùn)的實驗報告使用。

設(shè)計框架 在實地調(diào)查一些院校的硬度測量實訓(xùn)后，將工廠、企業(yè)所用的硬度計的一些功能和模塊進行優(yōu)化改良，在操作和軟件功能上力求設(shè)計一款適合教與學(xué)的硬度測量實驗箱。軟件功能總圖如圖4所示。

6 結(jié)束語

實驗箱擁有大屏幕顯示、編碼轉(zhuǎn)輪操作、多按鍵數(shù)量的快捷鍵盤、打印機、充電器、大容量電池，從而滿足操作便捷、功能完備、持續(xù)工作時間長等功能要求。整個儀表采用箱式設(shè)計，方便實驗員配置教學(xué)用具和對這些設(shè)備進行維護和管理，符合國家相關(guān)技術(shù)及安全標準。

參考文獻

[1]王勇，歐陽杰，朱彤，等.現(xiàn)場里氏硬度計測量誤差的影響因素分析[J].河北電力技術(shù)，2009（5）：31-33.

[2]李久林.GB/T 17394—1998 金屬里氏硬度試驗方法國家標準編制說明[J].冶金標準化與質(zhì)量，1999（1）：8-15.