Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Устройство для дефектоскопирования обоймы подшипника качения

Консультанты: Руководитель проекта:

1. Г.И. Акользина

2. М.А. Ершов Кандидат технических наук

3. А.Б. Кильдибеков профессор Шахов В.Г.

4. Б.В. Мусаткина

Разработал студент гр. 27з

А.В. Шушарин

ОМСК 2002

ЗАДАНИЕ

на дипломный проект

студента Шушарина Алексея Владимировича

1. Тема проекта: Устройство для дефектоскопирования обоймы подшипника качения утверждена приказом по университету от «19» апреля 2002г. № 04/СТ-02

2. Срок сдачи студентом законченного проекта « » 2002г

3. Исходные данные к проекту

3.1 Устройство предназначено для поиска дефектов наружной обоймы роликового подшипника вихретоковым методом

3.2 Параметры обнаруживаемых дефектов по ГОСТ 21104-75

3.3 Достоверность обнаружения дефектов не хуже 80%

3.4 Условия эксплуатации прибора - закрытые, вентилируемые и обогреваемые помещения депо и ремонтных заводов МПС

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов)

4.1 Анализ возможностей применения принципов поиска дефектов для колец роликового подшипника

4.2 Выбор и обоснование алгоритма дефектоскопирования

4.3 Разработка способа дефектоскопии

4.4 Разработка структурной схемы устройства

4.5 Разработка принципиальной схемы устройства

4.6 Выбор интерфейса и разработка протокола связи персонального компьютера и устройства

4.7 Выбор языка программирования микроконтроллера

4.8 Разработка программного обеспечения микроконтроллера

4.9 Выбор среды разработки программного обеспечения персонального компьютера

4.10 Разработка программного обеспечения персонального компьютера

4.11 Определение затрат на разработку устройства дефектоскопирования

4.12 Разработка способов защиты от электромагнитных полей при работе с устройством

4.13 Разработка мероприятий по организации и проведении защиты объекта (депо) от проникновения РВ и АХОВ

5. Перечень графического материала

5.1 Классификация методов неразрушающего контроля

5.2 Алгоритм дефектоскопирования

5.3 Структурная схема устройства

5.4 Алгоритм измерения частоты

5.5 Главное окно программы персонального компьютера

5.6 Формат фреймов сообщений

6. Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

Раздел	Консультант	Подпись, дата
		задание выдал	задание принял
Определение затрат на разработку устройства	Акользина Г. И.	17.04.02.	17.05.02.
Защита от электромагнитных полей при работе с устройством	Мусаткина Б. В.	25.03.02.	17.05.02.
Мероприятия по организации и проведении защиты объекта от проникновения РВ и АХОВ	Ершов М. А.	25.03.02.	25.05.02.

Руководитель проекта

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН

№ п-п	Наименование разделов дипломного проекта	Срок выполнения	Примечание
1.	Анализ методов и выбор
	способа дефектоскопии	25.03.2002	25% выполнено
2.	Разработка структурной и
	принципиальной схем	15.04.2002	50% выполнено
3.	Разработка программного
	обеспечения	20.05.2002	75% выполнено
4.	Оформление пояснительной
	записки, вопросы экономики,
	гражданской обороны,
	безопасности
	жизнедеятельности	10.06.2002	100% выполнено

Дата выдачи задания

Руководитель проекта

Задание принял к исполнению

РЕФЕРАТ

Дипломный проект содержит: 113 страниц, 17 рисунков, 15 таблиц, 17 использованных источников и 6 приложений.

ДЕФЕКТОСКОПИЯ, РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК, ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР, БАЗА ДАННЫХ, КОМАНДНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ

В дипломном проекте разрабатывается устройство для дефектоскопирования наружного кольца роликового подшипника. Разработка устройства подразумевает разработку структурной и принципиальной схем, разработку программного обеспечения, сопряжение устройства с персональным компьютером.

После основных работ по разработке устройства производится расчет затрат на разработку устройства, рассматриваются способы защиты от электромагнитных полей при работе с прибором и мероприятия по организации и проведении защиты депо от проникновения РВ и АХОВ.

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ 9
• 1. Выбор метода дефектоскопии. 11
• 1.1 Описание задачи дефектоскопии наружного кольца роликового подшипника. 11
• 1.2 Обзор методов неразрушающего контроля. 13
• 1.2.1 Общая характеристика. 13
• 1.2.2 Акустический контроль. 13
• 1.2.3 Радиационный контроль. 15
• 1.2.4 Магнитный контроль. 17
• 1.2.5 Вихретоковый контроль. 20
• 1.3 Выбор метода неразрушающего контроля. 22
• 2. Разработка устройства. 24
• 2.1 Разработка способа дефектоскопии. 24
• 2.2 Разработка структурной схемы. 26
• 2.3 Разработка принципиальной схемы. 29
• 2.4 Описание работы устройства. 31
• 3. Разработка программного обеспечения микроконтроллера. 32
• 3.1 Обзор ресурсов микроконтроллера AT90S2313. 32
• 3.1.1 Общая характеристика. 32
• 3.1.2 Описание выводов. 33
• 3.1.3 Обзор архитектуры AT90S2313. 34
• 3.2 Разработка алгоритма работы. 36
• 3.3 Выбор языка программирования. 38
• 3.4 Описание программы. 39
• 4. Разработка программного обеспечения персонального компьютера. 41
• 4.1 Выбор системы разработки программного обеспечения. 41
• 4.2 Обзор возможностей системы C++Builder. 42
• 4.3 Составляющие программы персонального компьютера. 43
• 4.4 Описание основной части программы. 45
• 4.5 Описание системы управления базой данных. 46
• 4.6 Порядок работы с программой дефектоскопа. 48
• 5. Сопряжение устройства с персональным компьютером. 52
• 5.1 Выбор способа сопряжения устройства с персональным компьютером. 52
• 5.2 Основные понятия о командно-информационных сетях. 52
• 5.2.1 Принципы построения командно-информационных сетей. 52
• 5.2.2 Функционирование командно-информационных сетей. 55
• 5.3 Применение командно-информационных сетей для сопряжения дефектоскопа с персональным компьютером. 56
• 5.4 Электрическая часть командно-информационной сети. 57
• 5.4.1 Диспетчер персонального компьютера. 57
• 5.4.2 Диспетчер периферийной станции. 59
• 5.5 Программная часть командно-информационной сети. 60
• 5.5.1 Формат фреймов. 60
• 5.5.2 Алгоритм работы командно-информационной сети. 61
• 5.5.3 Программа микроконтроллера. 62
• 5.5.4 Программа персонального компьютера. 63
• 6. Определение затрат на разработку устройства. 66
• 6.1 Общие принципы определения себестоимости. 66
• 6.2 Расчет затрат на сырье, материалы, комплектующие изделия. 67
• 6.3 Затраты на оплату труда, отчисления на социальное страхование. 69
• 6.4 Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования. 72
• 6.5 Общехозяйственные расходы. 74
• 6.6 Определение цены проектируемого устройства. 74
• 7. Способы защиты от электромагнитных полей при работе с устройством. 76
• 7.1 Задачи охраны труда. 76
• 7.2 Влияние электромагнитных полей на человека. 77
• 7.2.1 Источники электромагнитных полей. 77
• 7.2.2 Параметры ЭМП. 78
• 7.2.3 Нормирование. 78
• 7.2.4 Биологическое действие. 79
• 7.3 Защита от электромагнитных полей. 79
• 7.3.1 Способы защиты. 79
• 7.3.2 Контроль ЭМП. 80
• 7.3.3 Техника безопасности. 84
• 7.4 Защита от ЭМП при работе с дефектоскопом. 86
• 8. Мероприятия по организации и проведении защиты объекта от проникновения РВ и АХОВ. 88
• 8.1 Роль ГО при чрезвычайных ситуациях. 88
• 8.2 Аварийно-химические опасные вещества. 90
• 8.2.1 Общая характеристика АХОВ. 90
• 8.2.2 Поражающее действие АХОВ. 92
• 8.3 Радиоактивные вещества. 93
• 8.3.1 Общая характеристика радиоактивных веществ. 93
• 8.3.2 Поражающее действие РВ. 95
• 8.4 Мероприятия по защите объекта. 96
• 8.4.1 Планирование защиты от РВ и АХОВ. 96
• 8.4.2 Мероприятия по повышению устойчивости объекта. 98
• 8.5 Выводы по разделу ГО. 99
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
• Список используемых источников 101
• ПРИЛОЖЕНИЕ 1 103
• ПРИЛОЖЕНИЕ 2 104
• ПРИЛОЖЕНИЕ 3 105
• ПРИЛОЖЕНИЕ 4 110
• ПРИЛОЖЕНИЕ 5 117
• ПРИЛОЖЕНИЕ 6 124

ВВЕДЕНИЕ

На сети железных дорог России эксплуатируются десятки тысяч вагонов, оборудованных буксами с роликовыми подшипниками. Опытом эксплуатации установлено, что буксовые подшипники являются одним из наиболее критических узлов подвижного состава /1/. Поэтому особое внимание во время проведения планового ремонта колесных пар должно уделяться дефектоскопии деталей подшипников.

Качество дефектоскопии в основном определяется двумя факторами: квалификацией работников и уровнем механизации и автоматизации производства. Следовательно, повышать качество неразрушающего контроля подшипника можно двумя путями, причем наиболее перспективным считается внедрение устройств автоматизации процесса дефектоскопии /2/.

На сегодняшний день уровень автоматизации неразрушающего контроля все еще остается на низком уровне. Поэтому широко применяется дефектоскопия «вручную», без применения современной измерительной техники. Это приводит к большим затратам времени, что соответственно увеличивает сроки и стоимость ремонта колесных пар.

Существующие приборы дефектоскопии деталей подшипников в большинстве случаев не могут заменить квалифицированного специалиста из-за низкой надежности их показаний, которая обусловлена несколькими причинами:

- использование несовершенных методов неразрушающего контроля уменьшает принципиальную возможность обнаружения дефекта;

- использование аналоговых методов обработки данных, чувствительных к внешним помехам, существенно снижает достоверность показаний;

- ориентирование при разработке только на эталонные образцы дефектов не позволяет обнаруживать дефекты на реальных деталях.

Поэтому на сегодняшний день разработка устройств дефектоскопии деталей подшипников является наиболее эффективным средством повышения качества ремонта колесных пар.

В данном дипломном проекте проводится разработка устройства для дефектоскопирования наружного кольца роликового подшипника. Разработка устройства состоит из нескольких этапов:

- выбор метода дефектоскопии;

- разработка структурной и принципиальной схем устройства;

- разработка программы микроконтроллера;

- разработка программы персонального компьютера;

- разработка способа сопряжения устройства с персональным компьютером.

В результате должно быть разработано устройство, которое обеспечивает:

- обнаружение не менее 80% поверхностных трещин колец;

- минимальный размер обнаруживаемых трещин по ГОСТ 21104-75 (длина х глубина х ширина) не менее 15х0,7х0,1мм;

- небольшое время дефектоскопии;

- отсутствие остаточных явлений (например, намагниченности);

- поиск дефектов на всей поверхности детали;

- индикацию наличия дефекта;

- изменение параметров дефектоскопии в зависимости от требований пользователя;

- создание архивных записей об операциях дефектоскопии.

1. Выбор метода дефектоскопии

1.1 Описание задачи дефектоскопии наружного кольца роликового подшипника

Буксовый роликовый подшипник состоит из четырёх типов деталей (Рис. 1.1): внутреннего 3 и наружного 1 колец, роликов 2 и разделяющего ролики сепаратора 4. Количество роликов - 14 или 15 в зависимости от типа подшипника.

Составляющие роликового подшипника

Рис. 1.1

Роликовые подшипники и их детали в процессе эксплуатации получают различные неисправности, которые зависят в основном от конструкции и качества изготовления подшипников, технологии сборки и ремонта подшипников и букс, а также от степени ухода за ними в эксплуатации. В таблице 1.1 приведены наиболее распространенные причины выхода из строя цилиндрических роликовых подшипников /3/.

Таблица 1.1

Наиболее распространенные неисправности подшипников

Виды брака	Количество забракованных подшипников, %
1	2
Раковины и шелушение на дорожках качения наружных колец	25,0
То же внутренних колец	13,5
Истирание наружных колец	4,51
Продолжение табл. 1.1
То же внутренних колец	3,96
Трещины и отколы наружных колец	7,17
То же внутренних колец	2,39
Потеря натяга внутренних колец	3,39
Трещины роликов	10,35
Отколы торцов роликов	4,81
Износ сепаратора по центрирующей поверхности	7,86
Трещины сепаратора	1,60
Разрушение сепаратора	2,24
Электроожоги и электроэрозия	5,49

Из таблицы 1.1 видно, что одной из самых важных операций во время планового ремонта колесных пар является дефектоскопия наружного кольца обоймы подшипника.

На сегодняшний день наибольшее распространение получила установка магнитной дефектоскопии колец подшипников (УМДП-01) разработанная ПКБ ВНИИЖТ и использующая магнитопорошковую технологию обнаружения трещин. Такая технология является морально устаревшей, время измерения очень большое (до 5 мин), потребление мощности 3 кВт, вес 270 Кг, а надежность выявления трещин низкая. Кроме того, после проверки кольца необходимо промывать и сушить, что еще больше снижает производительность.

Очевидна необходимость в разработке нового, более совершенного устройства для дефектоскопии наружных колец подшипника.

1.2 Обзор методов неразрушающего контроля

1.2.1 Общая характеристика

Характерная особенность большинства методов неразрушающего контроля (МНК) заключается в том, что при их использовании дефекты выявляют косвенным путем в результате исследования определенных физических свойств сплава, которые не влияют на эксплуатационные свойства изделий /4/.

Наряду с выявлением дефекта необходимо также оценить степень его влияния на надежность и долговечность изделия. Такую информацию получают прямыми испытаниями, которые обычно являются разрушающими. По этой причине методы неразрушающего контроля эффективны лишь в том случае, если проведением специально поставленных предварительных исследований была установлена статистически значимая связь между эксплуатационными свойствами изделий и результатами неразрушающего контроля.

1.2.2 Акустический контроль

Акустические МНК основаны на способности упругих волн распространяться в однородном твердом теле и на его поверхностях и отражаться от границ тела или нарушений сплошности, обладающих другими акустическими свойствами.

Акустический контроль используют для решения следующих задач: обнаружения дефектов типа нарушения сплошности или локальной структурной неоднородности сплава; контроля размеров объекта; оценки параметров структуры и физических свойств сплавов.

К основным преимуществам акустического контроля относят большую проникающую способность, позволяющую обнаруживать дефекты, залегающие в толще крупногабаритных объектов; достаточно высокую чувствительность к выявлению мелких дефектов; возможность определения координат и размеров дефектов; мгновенную индикацию дефектов; практически полную безопасность проведения работ по контролю. Сложность разработки технологии контроля является основной причиной, ограничивающей применение акустических методов для контроля изделий.

Акустическими волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругих средах. При распространении упругих волн частицы среды не переносятся, а лишь колеблются относительно точек равновесия. Распространение упругой волны сопровождается образованием зон, в которых частицы находятся в одинаковом по фазе колебательном состоянии. Минимальное расстояние между двумя частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной акустической волны. Длина волны л связана со скоростью распространения с и частотой колебаний f зависимостью: л = с/f.

В зависимости от частоты акустические колебания подразделяют на инфразвуковые (частотой до 20 Гц), звуковые (от 20 Гц до 2·10⁴ Гц), ультразвуковые (от 2·10⁴ до 1·10⁹ Гц), гиперзвуковые (более 1·10⁹ Гц), при неразрушающем контроле обычно используют акустические волны в звуковом и ультразвуковом диапазонах.

В зависимости от направления колебаний частиц упругой среды по отношению к направлению распространения волны акустические волны делят на продольные, сдвиговые, поверхностные и др. Если направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны, то акустическая волна называется продольной. Если направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны, то акустическая волна называется сдвиговой.

Важной характеристикой акустической волны является ее интенсивность. По мере удаления от источника возбуждения интенсивность акустической волны уменьшается по экспоненциальному закону.

Для твердых тел коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения и рассеяния, т. е. а = ап + ар. При поглощении звуковая энергия волны переходит в тепловую, а при рассеянии отклоняется от направления распространения в результате отражения от неоднородностей среды.

Распространение акустических волн нередко сопровождается ярко выраженными интерференционными и дифракционными явлениями. Интерференция - результат взаимодействия двух или более акустических волн. Дифракция - огибание акустическими волнами препятствий, размер которых соизмерим с длиной волны. Эти явления используют при акустическом контроле, однако в ряде случаев они способны существенно осложнить проведение его.

При падении акустической волны на поверхность раздела двух сред часть энергии переходит во вторую среду, а часть отражается в первую. Доля отраженной энергии определяется значением коэффициента отражения. Чем больше разность акустических сопротивлений сред, тем больше коэффициент отражения. Явление отражения позволяет обнаруживать дефекты типа нарушения сплошности, залегающие в толще объекта. Вероятность выявления дефекта возрастает с увеличением значения коэффициента отражения. Если же акустические сопротивления сплава и дефекта равны, то выявление дефекта акустическими методами становится в принципе невозможным. Независимо от значения коэффициента отражения выявление дефекта невозможно, если протяженность дефекта в направлении распространения акустической волны существенно меньше длины волны.

1.2.3 Радиационный контроль

В настоящее время радиационный контроль наиболее широко распространен в машиностроении. В некоторых случаях его применяют для контроля размеров объектов, если обычные методы оказываются неэффективными.

Основным недостатком радиационного контроля является вредное воздействие ионизирующего излучения на организм человека и как следствие - необходимость осуществления биологической защиты.

Ионизирующим принято называть электромагнитное излучение, способное вызвать ионизацию атомов вещества. В зависимости от длины волны электромагнитное излучение разделяют на ультрафиолетовое ( м), рентгеновское ( м), и гамма-излучение ( м). Видимый свет также является электромагнитным излучением в диапазоне длин волн м. При радиационном контроле наиболее широко используют рентгеновские и гамма-излучения. Наряду с фотонным электромагнитным излучением иногда используют потоки заряженных частиц или нейтронов, обладающих выраженными корпускулярными свойствами.

Длина волны относится к числу наиболее важных параметров ионизирующего излучения. С уменьшением длины волны увеличивается энергия излучения и его проникающая способность.

Проходя через материал контролируемого изделия, рентгеновское и гамма-излучения взаимодействуют с ядрами атомов и их электронными оболочками. В результате взаимодействия с веществом интенсивность ионизирующего излучения уменьшается по экспоненциальному закону.

Если за контролируемым объектом установить устройство, регистрирующее интенсивность прошедшего излучения, то с его помощью можно получить информацию о внутреннем строении изделия. На этом принципе основаны все известные методы радиационного контроля.

При радиационном контроле необходимо считаться не только с излучением, прошедшим через отливку в направлении просвечивания, но и с рассеянным излучением, ухудшающим четкость и контрастность изображения. С увеличением толщины стенки контролируемого объекта интенсивность рассеянного излучения возрастает, а чувствительность метода уменьшается. Например, при контроле стальных изделий с толщиной стенки более 100 мм, чувствительность снижается настолько, что радиационный контроль становится малоэффективным. Рассеянное излучение исходит не только от контролируемой отливки, но и от окружающих ее предметов.

Чувствительность радиационного контроля, определяется минимальным размером выявляемого дефекта, зависит также от энергии первичного рентгеновского или гамма-излучения.

1.2.4 Магнитный контроль

Магнитные методы контроля основаны на регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих над дефектами предварительно намагниченных объектов. Магнитный контроль используют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов.

К преимуществам магнитного контроля относят высокую чувствительность и достаточную надежность выявления поверхностных и подповерхностных дефектов, простоту выполнения технологических операций и высокую производительность контроля. Основные недостатки - применимость метода только к отливкам из ферромагнитных сплавов, невозможность обнаружения дефектов, залегающих на глубине более 1,5-2,0 мм, существенное влияние внешних факторов на результаты контроля.

В зависимости от характера взаимодействия с магнитными полями все материалы, используемые в машиностроении, делят на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные. Диамагнитные и парамагнитные материалы не взаимодействуют с магнитными полями и их контроль магнитными методами невозможен.

Ферромагнитными свойствами обладают три технических металла: железо, никель и кобальт, а также ряд сплавов на их основе. Специфические свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них областей, самопроизвольно намагниченных до насыщения даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Эти области называют доменами. В отсутствие внешнего магнитного поля домены ориентированы хаотически и общая намагниченность изделия равна нулю. Если изделие из ферромагнитного сплава поместить в слабое магнитное поле, то границы доменов сместятся, а в сильном магнитном поле векторы намагниченности доменов развернутся в направлении внешнего поля и изделие намагнитится. Магнитные свойства ферромагнетиков проявляются только до определенной температуры, которая называется точкой Кюри.

На рис. 1.2, а приведены кривые, характеризующие влияние напряженности внешнего магнитного поля Н на величину магнитной индукции B и абсолютной магнитной проницаемости м0 ферромагнитных сплавов. Диаграмма показывает, что при некотором значении Н величина м0 достигает максимума. Это явление имеет особое значение для проведения магнитного контроля, поскольку обеспечивает максимально возможное различие между значениями магнитной проницаемости контролируемого сплава и окружающей среды.

Образование магнитного поля рассеяния над дефектом

Рис. 1.2

При магнитном контроле дефекты отливок выявляют по наличию над ними магнитных полей рассеяния, которые могут образоваться только при определенных условиях. На рис. 1.2, б показан образец с дефектом типа нарушения сплошности сплава. В результате намагничивания в образце возникнет магнитный поток Ф.

В дефектном участке образца величина магнитной индукции возрастет, поскольку наличие дефекта эквивалентно уменьшению площади поперечного сечения образца. Если увеличение магнитной индукции приведет к уменьшению магнитной проницаемости, то часть магнитного потока выйдет в окружающую среду и над дефектом образуется магнитное поле рассеяния.

В зависимости от способа обнаружения магнитных полей рассеяния над дефектами современные методы делят на магнитопорошковый, магнитоферрозондовый, магнитографический, магнитополупроводниковый и другие.

В настоящее время магнитопорошковый метод контроля является основным методом магнитной дефектоскопии. Он позволяет надежно обнаруживать поверхностные дефекты типа нарушения сплошности сплава с шириной раскрытия 1 мкм и более.

Подготовка объекта к контролю заключается в очистке его поверхности от загрязнений, а также зачистке мест контакта с намагничивающим устройством.

Для обнаружения магнитных полей рассеяния над дефектами используют сухие магнитные порошки или их суспензии в воде, минеральных маслах и керосине.

Сухой магнитный порошок наносят на поверхность намагниченного изделия обсыпкой. Магнитную суспензию наносят методом погружения или обливания. В зависимости от выбранной технологии контроля магнитный порошок или суспензия наносится в приложенном магнитном поле или в условиях остаточной намагниченности.

Расшифровку результатов контроля проводят сразу после нанесения магнитного порошка. В результате визуального осмотра поверхности объекта выявляют участки скопления магнитного порошка и оценивают их конфигурацию и размеры. Над поверхностными дефектами магнитный порошок концентрируется в виде резко очерченных скоплений, хорошо сцепленных с поверхностью. Неметаллические включения выявляются в виде цепочек или точечных скоплений порошка. Чем глубже под поверхностью залегает дефект, тем более размыт индикаторный след. При расшифровке результатов контроля необходимо учитывать возможность появления ложных индикаторных следов над царапинами, участками с местным наклепом и резко изменяющейся кривизной поверхности.

Контролируемые изделия, признанные годными по результатам осмотра, размагничивают, если только в дальнейшем при термообработке они не будут нагреваться до температур выше точки Кюри. Остаточная намагниченность затрудняет механическую обработку деталей и отрицательно сказывается на их эксплуатационных свойствах.

1.2.5 Вихретоковый контроль

Вихретоковый (электромагнитный) контроль отливок основан на анализе параметров полей вихревых токов, возбуждаемых в контролируемом изделии. Вихретоковый контроль применяют для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов.

К основным особенностям метода относят возможность одновременного контроля нескольких параметров изделия, сравнительно высокую производительность контроля при небольшой трудоемкости, возможность механизации и автоматизации процессов контроля /5/.

При вихретоковом контроле изделие помещают в электромагнитное поле катушки индуктивности, питающейся переменным током. В результате этого в поверхностных слоях контролируемого изделия возбуждаются вихревые токи, протекающие по замкнутым круговым траекториям.

Возбужденные в контролируемом изделии вихревые токи создают вторичное переменное поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности возбуждающего поля катушки. При неизменной ЭДС в возбуждающей катушке электромагнитное поле вихревых токов вызовет увеличение полного сопротивления катушки и уменьшения силы тока в ней /6/.

Вихревые токи, распространяющиеся в поверхностных слоях изделия, создают своеобразный экран полю возбуждения и не проникают в глубь изделия.

Данные о глубине проникновения вихревых токов имеют большое практическое значение, поскольку вихретоковый метод контроля позволяет получить информацию о свойствах поверхностного слоя, толщина которого не превышает глубины проникновения вихревых токов.

Вихревые токи, проникшие вглубь объекта, не только ослабевают, но и отстают по фазе от токов, циркулирующих ближе к поверхности. Анализ электрического сигнала возбуждающей катушки, предусматривающий определение фазы между напряжением и током, позволяет расширить возможности электромагнитного контроля. По изменению фазы можно, например, определить глубину залегания дефекта, оценить изменение размеров изделия, а также замерить значения электропроводности и магнитной проницаемости сплава.

В современных приборах вихретокового контроля в качестве датчиков вихревых токов используют катушки индуктивности, питающиеся переменным током. Их называют вихретоковыми преобразователями (ВТП). В зависимости от рабочего положения объекта контроля их делят на проходные, накладные и экранные.

Накладные ВТП представляют собой одну или несколько катушек, торец которых подводиться к поверхности контролируемого изделия. Проходные ВТП в процессе контроля либо проходят внутри контролируемого объекта, либо охватывают его снаружи. Экранные ВТП отличаются тем, что их обмотки располагаются по обе стороны контролируемого изделия.

По электрическим свойствам полезного сигнала различают параметрические и трансформаторные ВТП. У параметрических ВТП полезным сигналом служит приращение комплексного сопротивления, а у трансформаторных - приращение комплексного напряжения. Параметрические ВТП имеют одну обмотку, которая одновременно играет роль возбуждающей и измерительной. В трансформаторных ВТП эти обмотки выполняются раздельно. Преимущество параметрических ВТП заключается в простоте их конструкции, а недостаток - в зависимости от температуры.

В зависимости от способа включения обмоток различают абсолютные и дифференциальные ВТП. Абсолютные ВТП дают сигнал, зависящий от абсолютных значений параметров изделия. Дифференциальные ВТП имеют разнесенные обмотки и дают сигнал, пропорциональный разности значений соответствующих параметров соседних участков контролируемого изделия.

1.3 Выбор метода неразрушающего контроля

Важным моментом, определяющим эффективность дефектоскопии, является выбор метода неразрушающего контроля. Для выбора метода неразрушающего контроля составим краткую характеристику некоторых МНК (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Краткая характеристика методов неразрушающего контроля

Характеристика	Акустичес-кий	Радиацион-ный	Магнит-ный	Вихрето-ковый
Глубина залегания обнаруживаемых дефектов	высокая	высокая	низкая	низкая
Выявление мелких дефектов	высокое	высокое	среднее	среднее
Остаточные явления	нет	нет	есть	нет
Безопасность работ	высокая	низкая	высокая	высокая
Стоимость работы	средняя	высокая	средняя	низкая
Сложность работы	средняя	высокая	средняя	низкая
Производительность	средняя	низкая	средняя	высокая
Возможность механизации	нет	нет	нет	есть
Сложность разработки	средняя	высокая	средняя	низкая
Стоимость разработки	средняя	высокая	средняя	низкая

Из таблицы 1.2 видно, что в контексте применения к дефектоскопии наружного кольца роликового подшипника наиболее подходящим методом является вихретоковый МНК. Такой выбор объясняется несколькими причинами:

- низкая стоимость и низкая сложность разработки;

- простота работы с устройством;

- высокая производительность;

- безопасность работ;

- отсутствие остаточных явлений;

- возможность механизации процесса дефектоскопии.

Недостатками вихретокового метода являются:

- низкая глубина залегания обнаруживаемых дефектов;

- низкий процент выявления мелких дефектов.

Однако при дефектоскопии колец подшипника, где наиболее распространенны поверхностные трещины и раковины, этими недостатками можно пренебречь.

2. Разработка устройства

2.1 Разработка способа дефектоскопии

В зависимости от вида дефектоскопируемой детали используют различные вихретоковые преобразователи:

- накладные ВТП;

- проходные ВТП;

- экранные ВТП.

При дефектоскопии наружного кольца подшипника наиболее эффективны накладные ВТП. Это объясняется следующими причинами:

- эффективность накладных ВТП при работе с плоскими поверхностями;

- простота изготовления накладных ВТП;

- простота работы с накладными ВТП.

Накладной ВТП представляет собой катушку индуктивности, торец которой подводится к поверхности контролируемого изделия. Любое существенное изменение структуры металла под датчиком ведет к изменению комплексного сопротивления катушки индуктивности. Установив пороговое значение приращения комплексного сопротивления, можно говорить о наличии или отсутствии дефекта /7/.

Наиболее эффективный метод оценки изменения комплексного сопротивления катушки - измерение частоты колебательного контура, индуктивность которого определяется индуктивностью ВТП. Таким образом, сравнивая значение частоты колебательного контура с эталонным значением можно судить о наличии дефекта.

Эталонное значение частоты определяется при настройке на деталь, которая проводится перед началом дефектоскопии. За эталон берется любая точка детали. Если в дальнейшем выясняется, что какая-то часть детали существенно отличается от эталона, то принимается вывод о наличии дефекта.

ВТП формируются в два блока датчиков для дефектоскопирования наружной и внутренней поверхностей детали. Каждый блок датчиков содержит четыре накладных ВТП, которые располагаются по периметру сечения кольца (рис. 2.1). Дефектоскопирование всей поверхности кольца осуществляется при перемещении детали относительно датчиков.

Сечение наружного кольца подшипника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1

Механическое перемещение детали относительно неподвижных датчиков осуществляется сканером (рис. 2.2).

На рисунке обозначено:

1- приводной ролик;

2- основание сканера;

3- паразитный ролик;

4- упорные рейки;

5- опорный рельс;

6- блок датчиков 1;

7- блок датчиков 2;

8- клемма «Земля»;

9- наружное кольцо подшипника.

Сканер

Рис. 2.2

Для работы со сканером необходимо вставить по направляющему рельсу 5 до упоров 4 проверяемую деталь подшипника и поворотом по часовой стрелке положить деталь на ролики 1, 3. При этом кольцо войдет в соприкосновение с датчиками 6 и 7, которые дефектоскопируют наружную и внутреннюю поверхности детали соответственно. Перемещение детали относительно датчиков 6 и 7 происходит за счет вращения приводного ролика1.

2.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.3. На схеме обозначено:

- МК - микроконтроллер;

- ПК - персональный компьютер;

- И - интерфейс между МК и ПК.

Персональный компьютер является основным управляющим элементом и полностью определяет порядок работы устройства. Используя интерфейс, он обменивается сообщениями с микроконтроллером, который в свою очередь непосредственно взаимодействует со всеми блоками устройства.

Структурная схема дефектоскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3

Микроконтроллер выполняет следующие задачи:

- съем информации с восьми датчиков;

- управление запуском и остановкой электропривода;

- получение информации о количестве оборотов детали;

- обработка сообщений-команд персонального компьютера

- передача сообщений-ответов персональному компьютеру.

Блок управления электроприводом предназначен для управления вращением детали в процессе контроля. Начало и окончание вращения наружного кольца подшипника задаются командой микроконтроллера. Для определения угла поворота контролируемой детали от блока управления электроприводом к микроконтроллеру поступает сигнал с частотой пропорциональной частоте вращения детали.

Информация от датчиков поступает к микроконтроллеру по восьми каналам. Структурная схема одного канала изображена на рисунке 2.4.

На схеме обозначено:

- У - усилитель сигнала;

- К - компаратор;

- Сч - двоичный счетчик.

Структурная схема одного канала дефектоскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4

Вихретоковый преобразователь (катушка индуктивности) и конденсатор образуют колебательный контур, частота генерации которого является полезным сигналом. Этот сигнал, проходя через усилитель (У) и компаратор (К) приобретает форму меандра, который может быть прочитан микроконтроллером. Счетчик (Сч) предназначен для пропорционального уменьшения частоты сигнала, что позволяет микроконтроллеру работать с высокими частотами.

2.3 Разработка принципиальной схемы

Микроконтроллер является центральным элементом устройства, объединяющим между собой все остальные блоки. Рассмотрим схему его включения (рис. 2.5).

В устройстве применен микроконтроллер фирмы Atmel - AT90S2313. Этот выбор обусловлен несколькими причинами:

- опыт работы автора с микроконтроллерами этой серии;

- невысокая цена микросхемы;

- большой набор встроенных периферийных устройств;

- подходящее количество линий ввода/вывода.

Схема включения микроконтроллера

Рис. 2.5

Линии питания +5В и 0В микроконтроллера расположены на 20 и 10 выводах соответственно. Сброс микроконтроллера осуществляется установкой на выводе 1 (RESET) низкого уровня напряжения. Поэтому вывод 1 всегда соединен с шиной питания +5В через резистор R2. Генератор тактовых импульсов собран с использованием встроенного инвертирующего усилителя (выводы 4 и 5 являются его входом и выходом) и кварцевого резонатора. Частота кварца Z1 9,8304 МГц выбрана таким образом, чтобы минимизировать погрешности при передаче данных по интерфейсу RS-485. Передача и прием осуществляется встроенным интерфейсом ввода/вывода UART (выводы 2, 3 и 6), логически совместимым с RS-485.

К выводам микроконтроллера 7, 8 подключается устройство управления электроприводом. На вывод 7 поступает сигнал о скорости вращения детали, а вывод 8 обеспечивает включение и выключение электропривода.

Для ввода сигналов с датчиков используется восьмиразрядный порт ввода/вывода PORT B (выводы 12-19). Принципиальная схема одного канала дефектоскопа представлена в приложении 1.

Схема состоит из генератора частоты, преобразователя уровня сигнала и счетчика /8/.

Генератор реализован на дифференциальном каскаде, организованном с помощью транзисторной сборки DA1. Нагрузкой дифференциального каскада является колебательный контур L1C3. Частота генерации зависит от резонансной частоты колебательного контура и, в некоторой степени, от режимного тока дифференциального каскада. Этот ток задается резистором R4.

Для преобразования низковольтного выходного сигнала дифференциального каскада к стандартным логическим уровням служат каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT2, операционный усилитель DA2 и компаратор DA3.

Дополнительный счетчик DD1 необходим для формирования сигнала со скважностью в точности раной 2 и пропорционального уменьшения частоты сигнала. Любой из выводов счетчика Q3-Q13 подключается непосредственно к микроконтроллеру. Номер вывода определяется исходя из необходимого коэффициента деления частоты сигнала.

2.4 Описание работы устройства

Устройство работает следующим образом.

Начало дефектоскопии инициируется программой компьютера, когда пользователь, установив наружное кольцо подшипника на ролики сканера, нажимает кнопку старта процесса дефектоскопии. Компьютер посылает сообщение-команду о начале контроля и переходит в режим приема данных от микроконтроллера.

Микроконтроллер, получив такую команду, сигнализирует блоку прокрутки о начале вращения детали и в фоновом режиме вычисляет угол поворота детали для определения момента останова вращения. По умолчанию, для повышения надежности результатов контроля, обойма должна совершить три оборота, но это значение может быть изменено из программы персонального компьютера.

Одновременно с этим микроконтроллер инициирует процесс опроса датчиков, т.е. измерение частоты генерации каждого датчика. Эти значения передаются в виде сообщения персональному компьютеру, который их сохраняет в памяти и проводит анализ.

Остановка процесса контроля происходит либо при достижении положенного числа оборотов, либо по команде пользователя. В последнем случае процесс дефектоскопии считается незавершенным.

3. Разработка программного обеспечения микроконтроллера

3.1 Обзор ресурсов микроконтроллера AT90S2313

3.1.1 Общая характеристика

Микроконтроллер AT90S2313 фирмы Atmel - экономичный 8 битовый КМОП микроконтроллер, построенный с использованием расширенной RISC архитектуры AVR. Исполняя по одной команде за период тактовой частоты, AT90S2313 имеет производительность около 1MIPS на МГц, что позволяет разработчикам создавать системы оптимальные по скорости и потребляемой мощности /9/.

В основе ядра AVR лежит расширенная RISC архитектура, объединяющая развитый набор команд и 32 регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ), что дает доступ к любым двум регистрам за один машинный цикл. Подобная архитектура обеспечивает десятикратный выигрыш в эффективности кода по сравнению с традиционными CISC микроконтроллерами.

AT90S2313 предлагает следующие возможности: 2кБ загружаемой флэш памяти; 128 байт EEPROM; 15 линий ввода/вывода общего назначения; 32 рабочих регистра; настраиваемые таймеры/счетчики с режимом совпадения; внешние и внутренние прерывания; программируемый универсальный последовательный порт; программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором; SPI последовательный порт для загрузки программ; два выбираемых программно режима низкого энергопотребления. Холостой режим (Idle Mode) отключает ЦПУ, оставляя в рабочем состоянии регистры, таймеры/счетчики, SPI порт и систему прерываний. Экономичный режим (Power Down Mode) сохраняет содержимое регистров, но отключает генератор, запрещая функционирование всех встроенных устройств до внешнего прерывания или аппаратного сброса.

Микросхемы производятся с использованием технологии энергонезависимой памяти высокой плотности фирмы Atmel. Загружаемая флэш-память на кристалле может быть перепрограммирована прямо в системе через последовательный интерфейс SPI или доступным программатором энергонезависимой памяти. Объединяя на одном кристалле усовершенствованный 8-бито-вый RISC процессор с загружаемой флэш-памятью, AT90S2313 является мощным микроконтроллером, который позволяет создавать достаточно гибкие и эффективные по стоимости устройства.

AT90S2313 поддерживается полной системой разработки включающей в себя макроассемблер, программный отладчик/симулятор, внутрисхемный эмулятор и отладочный комплект.

3.1.2 Описание выводов

Расположение выводов микроконтроллера представлено на рис. 3.1.

VCC - вывод источника питания

GND - земля

Port B (PB7..PB0) - Порт B является 8-битовым двунаправленным портом ввода/вывода. Для выводов порта предусмотренны внутренние подтягивающие резисторы (выбираются для каждого бита). Выводы PB0 и PB1 также являются положительным (AIN0) и отрицательным (AIN1) входами встроенного аналогового компаратора. Выходные буферы порта B могут поглощать ток до 20мА и непосредственно управлять светодиодными индикаторами. Если выводы PB0..PB7 используются как входы и извне устанавливаются в низкое состояние, они являются источниками тока, если включены внутренние подтягивающие резисторы. Кроме того, Порт B обслуживает некоторые специальные функции.

Port D (PD6..PD0) - является 7-битовым двунаправленным портом с внутренними подтягивающими резисторами. Выходные буферы порта D могут поглощать ток до 20мА. Как входы установленные в низкое состояние, выводы порта D являются источниками тока, если задействованы подтягивающие резисторы. Кроме того, Порт D обслуживает некоторые специальные функции.

Расположение выводов AT90S2313.

Рис. 3.1.

RESET - Вход сброса. Удержание на входе низкого уровня в течение двух машинных циклов (если работает тактовый генератор), сбрасывает устройство.

XTAL1 - Вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешнего тактового сигнала.

XTAL2 - Выход инвертирующего усилителя генератора.

3.1.3 Обзор архитектуры AT90S2313

Регистровый файл быстрого доступа содержит 32 8-разрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один машинный цикл. Поэтому за один машинный цикл исполняется одна операция АЛУ. Два операнда выбираются из регистрового файла, выполняется операция, результат ее записывается в регистровый файл - все за один машинный цикл.

Шесть из 32 регистров можно использовать как три 16-разрядных указателя в адресном пространстве данных, что дает возможность использовать высокоэффективную адресную арифметику (16-разрядные регистры X, Y и Z). Один из трех адресных указателей (регистр Z) можно использовать для адресации таблиц в памяти программ. Это X-, Y- и Z-регистры.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции с регистрами, с константами и регистрами. Операции над отдельными регистрами также выполняются в АЛУ.

Кроме регистровых операций, для работы с регистровым файлом могут использоваться доступные режимы адресации, поскольку регистровый файл занимает адреса $00-$1F в области данных, обращаться к ним можно как к ячейкам памяти.

Пространство ввода состоит из 64 адресов для периферийных функций процессора, таких как управляющие регистры, таймеры/счетчики и другие. Доступ к пространству ввода/вывода может осуществляться непосредственно, как к ячейкам памяти расположенным после регистрового файла ($20-$5F).

Процессоры AVR построены по гарвардской архитектуре с раздельными областями памяти программ и данных. Доступ к памяти программ осуществляется при помощи одноуровнего буфера. Во время выполнения команды, следующая выбирается из памяти программ. Подобная концепция дает возможность выполнять по одной команде за каждый машинный цикл. Память программ - это внутрисистемная загружаемая флэш-память.

При помощи команд относительных переходов и вызова подпрограмм осуществляется доступ ко всему адресному пространству. Большая часть команд AVR имеет размер 16-разрядов, одно слово. Каждый адрес в памяти программ содержит одну 16- или 32-разрядную команду.

При обработке прерываний и вызове подпрограмм адрес возврата запоминается в стеке. Стек размещается в памяти данных общего назначения, соответственно размер стека ограничен только размером доступной памяти данных и ее использованием в программе. Все программы пользователя должны инициализировать указатель стека (SP) в программе выполняемой после сброса (до того как вызываются подпрограммы и разрешаются прерывания). 8-разрядный указатель стека доступен для чтения/записи в области ввода/вывода.

Доступ к 128 байтам статического ОЗУ, регистровому файлу и регистрам ввода/вывода осуществляется при помощи пяти доступных режимов адресации поддерживаемых архитектурой AVR. Все пространство памяти AVR является линейным и непрерывным.

Гибкий модуль прерываний имеет собственный управляющий регистр в пространстве ввода/вывода, и флаг глобального разрешения прерываний в регистре состояния. Каждому прерыванию назначен свой вектор в начальной области памяти программ. Различные прерывания имеют приоритет в соответствии с расположением их векторов. По младшим адресам расположены векторы с большим приоритетом.

3.2 Разработка алгоритма работы

В дефектоскопе для определения наличия дефекта используется накладной вихретоковый преобразователь, который представляет собой катушку индуктивности. ВТП является одним из составляющих колебательного контура, частота генерации которого зависит от наличия или отсутствия дефекта. Таким образом, зная частоту генерации колебательного контура можно говорить о наличии или отсутствии дефекта.

Дефектоскопия всей детали подшипника организуется с помощью восьми вихретоковых преобразователей. Поэтому измерение частоты сигнала производится по восьми каналам одновременно.

Измерение частоты восьми сигналов задействует следующие ресурсы микроконтроллера AT90S2313:

- восьмиразрядный порт ввода/вывода (PORT B);

- шестнадцатиразрядный таймер (Timer 1);

- регистры для временного хранения данных;

- ОЗУ для хранения результатов измерения.

Блок-схема алгоритма измерения частоты приведена в приложении 2. На схеме обозначено:

- PIN B - состояние входов порта B;

- i - номер опрашиваемого датчика;

- S - текущее значение таймера;

- S_i - значение таймера при предыдущем изменении i-го входа;

- S_i - половина периода сигнала i-го датчика.

Процесс измерения частоты входных сигналов запускается после сброса и инициализации микроконтроллера. Алгоритм измерения основан на вычислении периода между фронтом и спадом сигнала, который измеряется с помощью шестнадцатиразрядного таймера. Значение периода для каждого датчика сохраняется в ОЗУ и может быть считано по запросу персонального компьютера. Результаты первых циклов работы алгоритма следует опускать, так как для установления процесса измерения требуется некоторое время.

Для перемещения детали относительно неподвижных датчиков используется электропривод. Управление электроприводом осуществляется с помощью двух линий семиразрядного порта ввода/вывода PORT D.

Включение и выключение электропривода определяется битом PD4 порта ввода/вывода PORT D. Состояние этого бита устанавливается персональным компьютером. Начало вращения задается установкой бита PD4 в единицу, а останов - в ноль.

Для регистрации вращения детали сканер формирует сигнал с частотой пропорциональной скорости вращения. В конечном счете, этот сигнал определяет угол поворота детали, который требуется персональному компьютеру для определения момента останова процесса дефектоскопии.

Текущий угол поворота детали определяется переменной в ОЗУ микроконтроллера. В начале вращения это значение обнуляется и затем при поступлении каждого импульса на линию PD3 порта PORT D инкрементируется. В любой момент это значение может быть прочитано персональным компьютером, для определения текущего угла поворота.

3.3 Выбор языка программирования

Важным этапом разработки программы микроконтроллера является выбор языка программирования. От правильного выбора языка зависят такие параметры как скорость разработки, эффективность написанного кода и эффективность использования ресурсов микроконтроллера.

На сегодняшний день существует два распространенных языка программирования C и Assembler. В таблице 3.1 приведена краткая характеристика каждого из этих языков.

Таблица 3.1

Краткая характеристика языков программирования микроконтроллера

Свойство	Язык C	Язык Assembler
Удобство работы	высокое	зависит от опыта
Скорость разработки программы	высокая	средняя
Переносимость программы на другие процессоры	хорошая	низкая
Читаемость кода программы	хорошая	низкая
Эффективность кода программы	низкая	высокая
Эффективность использования ресурсов микроконтроллера	низкая	высокая
Объем исполняемого кода	большой	небольшой
Возможность оптимизации программы	низкая	высокая

На основании таблицы 3.1 можно сделать выбор в пользу языка программирования Assembler, так как этот язык позволяет эффективно использовать ресурсы микроконтроллера и существенно уменьшить объем исполняемого кода. Следует также учитывать большой опыт работы автора с этим языком программирования.

3.4 Описание программы