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(shí)訓(xùn)教育裝備——里氏硬度測量實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱不同于以往實(shí)訓(xùn)中所用到的臺式硬度計(jì)和便攜式硬度計(jì)。臺式硬度計(jì)體積過大且不便移動(dòng)；便攜式硬度計(jì)電量少、屏幕小、探頭不可更換、配件不易攜帶。該實(shí)驗(yàn)箱針對這些不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)箱；教育裝備；實(shí)訓(xùn)

中圖分類號：G482 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)測量因其具有易攜帶、測量范圍寬、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)箱是一種以里氏硬度試驗(yàn)為理論依據(jù)，針對理工科院校設(shè)計(jì)的用于金屬硬度測量實(shí)訓(xùn)教學(xué)的教育裝備。該實(shí)驗(yàn)箱將教與學(xué)中所需的部件集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中，方便在硬度測量實(shí)訓(xùn)中的搬運(yùn)和攜帶。實(shí)驗(yàn)箱配有大屏顯示、多種探頭類型、快捷鍵、打印機(jī)、可更換電池、校準(zhǔn)試塊等功能硬件，并搭載友好的人機(jī)交互系統(tǒng)，方便實(shí)驗(yàn)人員操作。其設(shè)計(jì)面向教與學(xué)，對市場上出現(xiàn)的硬度計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yàn)布氏硬度基準(zhǔn)機(jī)等臺式硬度計(jì)。這些臺式硬度計(jì)不僅體積龐大不便移動(dòng)，而且價(jià)格較高，實(shí)驗(yàn)室配備很難達(dá)到學(xué)生人手一臺的水平，使得學(xué)生上機(jī)操作時(shí)間少、體驗(yàn)不足。便攜式硬度計(jì)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(jì)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(shí)電量不足，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)需要花費(fèi)時(shí)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(jì)，體積雖然小，但探頭不可更換，無法滿足實(shí)訓(xùn)時(shí)需要不同探頭的要求；

5）維護(hù)困難，硬度計(jì)集成度高，若出現(xiàn)設(shè)備問題，需要返廠維修，花費(fèi)的成本高、時(shí)間長。

并且在外采購的硬度計(jì)商業(yè)元素較重，采買、維護(hù)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(jìn)行選購配備，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3 實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

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(shí)訓(xùn)工作設(shè)計(jì)一款里氏硬度測量實(shí)驗(yàn)箱。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)零散附件多、不便攜帶等諸多問題。設(shè)計(jì)時(shí)特別關(guān)注模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等內(nèi)容，力求實(shí)現(xiàn)便于維修、便于使用的目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)所用的所有部件都裝配在防爆實(shí)驗(yàn)箱中，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)箱尺寸為400 mm（長）×300 mm（寬）×160 mm（高），箱子采買時(shí)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(gè)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(jī)等；下層區(qū)域用于存放儀表的附件和備件，如標(biāo)準(zhǔn)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(jì)

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(shí)驗(yàn)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(jìn)行打值測量，免去因探頭種類不同而配置多種硬度計(jì)的成本問題。

3）多按鍵快捷鍵盤。快捷鍵盤是方便實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行快捷配置所設(shè)計(jì)的。多按鍵快捷鍵盤為4×6分布，覆蓋機(jī)器的所有操作方式。按鍵分布如圖2所示。快捷鍵盤是為滿足快速調(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(jī)。為解決打印機(jī)攜帶不方便、連接復(fù)雜問題，實(shí)驗(yàn)箱將微型打印機(jī)嵌入其中。微型打印機(jī)選取的是市場上較常見的熱敏鑲嵌式微型打印機(jī)。

5）可更換大容量充電電池。普通的硬度計(jì)在連續(xù)教學(xué)時(shí)耗電量較大，很容易造成后續(xù)教學(xué)時(shí)電量不足，而實(shí)驗(yàn)員在每次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)要花費(fèi)大量的時(shí)間去給設(shè)備充電。本實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jìn)行。

硬件設(shè)計(jì)總圖 硬件設(shè)計(jì)總圖如圖3所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能

1）顯示界面。該實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)四種顯示風(fēng)格，分別是大數(shù)字、統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(shí)間等。

2）友好的人機(jī)操作方式。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行操作。

3）測量功能。在實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)箱內(nèi)嵌入128個(gè)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(shí)訓(xùn)活動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394—1998《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn)》[2]及部分其他國家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。

4）特色功能。實(shí)驗(yàn)箱不僅可以精確測量硬度值、存儲數(shù)據(jù)，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力。該實(shí)驗(yàn)箱自帶硬度轉(zhuǎn)換計(jì)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及分析功能，包括顯示平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值、粗大誤差的判斷、超限情況的判斷及報(bào)警提示等信息。單組具有統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)、測量值均勻分布檢驗(yàn)。還可以雙組進(jìn)行對比分析，進(jìn)行均值顯著性差異檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差顯著性差異檢驗(yàn)、合格率顯著性差異檢驗(yàn)、分布顯著性差異檢驗(yàn)。

5）校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)箱設(shè)有測量計(jì)數(shù)功能，對測量次數(shù)進(jìn)行累計(jì)。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(jìn)行校準(zhǔn)，這也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一部分。該實(shí)驗(yàn)箱提供一點(diǎn)校準(zhǔn)和兩點(diǎn)校準(zhǔn)兩種校準(zhǔn)方式，滿足大多數(shù)教學(xué)要求。而這兩種校準(zhǔn)方式又可分為對單位和材料的獨(dú)立校準(zhǔn)和聯(lián)合校準(zhǔn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱配置低、中、高三種校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)塊，方便實(shí)訓(xùn)中的打值校準(zhǔn)學(xué)習(xí)。

6）打印。該實(shí)驗(yàn)箱配置微型打印機(jī)，可選擇自動(dòng)打印平均值或每測數(shù)值，還可手動(dòng)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(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告使用。

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

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)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(jī)、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(shí)間長等功能要求。整個(gè)儀表采用箱式設(shè)計(jì)，方便實(shí)驗(yàn)員配置教學(xué)用具和對這些設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和管理，符合國家相關(guān)技術(shù)及安全標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王勇，歐陽杰，朱彤，等.現(xiàn)場里氏硬度計(jì)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(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1999（1）：8-15.