НАСТОЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА РАЗДАЧУ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОЛЕЦ

Техническое решение относится к специализированным измерительным приборам для исследования и анализа физических свойств материалов с помощью гидравлических средств, а именно к аппаратуре' для осуществления метода испытания на раздачу колец конусом.
Из уровня техники известно устройство для проведения статических испытаний металлических труб круглого сечения, включающее в себя стойки, установленные на основании и выполненные с возможностью установки на них кольцевых образцов, а также коническую оправку, закрепленную на верхней подвижной опоре универсальной испытательной машины или другого прессового оборудования [1].
Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции тензометрических датчиков и электронного измерительного блока, что ограничивает возможность автоматизации с его помощью статических испытаний металлических труб.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является испытательная гидравлическая машина (RU 2422797 C2, МПК G01N 3/10, опубл. 27.06.2011), включающая силовую раму, нагружающий гидроцилиндр, захваты, датчик деформации, тензометрический датчик, насосную установку, а также устройство подачи рабочей жидкости от насоса в гидроцилиндр, систему задания режимов работы машины и управления. Дополнительно машина содержит блок сравнения задающего сигнала и сигнала отрицательной обратной связи, который может поступать в блок сравнения от датчика деформации или тензометрического датчика [2].
Система задания режимов работы машины и управления состоит из потенциометра, приводного регулируемого электродвигателя вращения потенциометра и блока привода задания скорости и направления вращения приводного регулируемого электродвигателя и переключателя режимов управления, а также упомянутого блока сравнения подключенного к ней.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, вследствие применения в конструкции устройства только одного тензометрического датчика. Кроме того, в составе системы управления машиной отсутствуют блоки, обеспечивающие возможность передачи выполненных измерений для их дальнейшей обработки, например, на персональный компьютер.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение точности измерений при проведении испытаний на раздачу металлических колец.
Указанная задача решена за счет того, что настольная лабораторная установка для проведения испытаний на раздачу металлических колец содержит гидравлический пресс, включающий в себя Г-образную металлическую раму, на верхней опоре которой установлен гидроцилиндр с закрепленной на нем конической оправкой, а на нижней опоре - плита с Т-образными пазами. При этом на плите дополнительно установлен стол с размещенными на нем четырьмя тензометрическими датчиками, а на них соосно конической оправке установлена стойка со сквозным отверстием на верхнем торце, выполненная в виде усеченной полой полусферы заодно с ножками, при этом центры ножек совпадают с центрами тензометрических датчиков, выходы которых подключены к измерительному модулю.
Измерительный модуль включает в себя корпус с установленным в нем блоком управления, выполненным на основе микроконтроллера, содержащего универсальные порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи и универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик; дополнительно измерительный модуль содержит блоки индикации, ввода данных и энергонезависимой памяти, подключенные к микроконтроллеру [3, 4, 5].
Блок индикации целесообразно выполнить на основе текстового LCD-индикатора, линейки семисегментых индикаторов и растрового TFT-дисплея [6, 7].
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью конструктивных признаков раскрытого выше устройства, является повышение точности измерений, путем применения в конструкции установки четырех тензометрических датчиков. Кроме того, конструкция устройства обеспечивает возможность автоматизации измерений при осуществлении метода испытания на раздачу металлических колец конусом, сохранение результатов измерений в энергонезависимой памяти измерительного модуля и передачу их посредством универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика в персональный компьютер.
Конструкция установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид лабораторной установки в изометрии, на фиг. 2 - конструкция стола; на фиг. 3 - чертеж корпуса измерительного модуля с размещенными на нем основными конструктивными элементами; на фиг. 4 - структурная схема блока управления; на фиг. 5 - диаграмма зависимости усилия от вертикального перемещения конической оправки при раздаче кольца.
Настольная лабораторная установка для проведения испытаний на раздачу металлических колец состоит из гидравлического пресса 1, включающего в себя Г-образную металлическую раму 2, на верхней опоре 3 которой установлен гидроцилиндр 4 с закрепленной на нем конической оправкой 5, а на нижней опоре 6 - плита 7 с Т-образными пазами. На плите 7 дополнительно установлен стол 8 с размещенными на нем четырьмя тензометрическими датчиками 9, а на них соосно конической оправке установлена стойка 10 со сквозным отверстием на верхнем торце, выполненная в виде усеченной полой полусферы заодно с четырьмя ножками 11, при этом центры ножек совпадают с центрами тензометрических датчиков 9, выходы которых подключены к измерительному модулю 12. Упомянутая оправка может иметь конусность, например, 1:10 или 1:5.
Измерительный модуль 12 содержит корпус 13, с установленным в нем блоком управления 14, выполненным на основе микроконтроллера, включающего в себя универсальные порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи и универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик. Дополнительно измерительный модуль содержит блоки индикации, ввода данных 15 и энергонезависимой памяти 16, подключенные к микроконтроллеру. Блок индикации включает в себя текстовый LCD-индикатор 17, линейку семисегментых индикаторов 18 и растровый TFT-дисплей 19.
Упомянутые блоки электрически соединены с блоком управления 14, расположенным внутри корпуса 13. Их структура и способ подключения к микроконтроллеру раскрыты ниже.
Линейка семисегментных индикаторов 18, состоит из восьми индикаторов и светодиода 20, визуально разделяющего целую и дробную части отображаемых на линейке чисел. При этом целая часть состоит из пяти, а дробная - из трех индикаторов. Высота и ширина семисегментных индикаторов составляют, соответственно, H=70 мм, L=48 мм, что обусловлено требуемой хорошей различимостью отображаемых на них чисел.
Текстовый LCD-индикатор 17 содержит две строки по сорок знакомест в каждой и используется для выбора режимов работы установки, а также отображает текущие параметры измерительного эксперимента.
Блок ввода данных 15 выполнен в виде шестнадцатикнопочной клавиатуры. С его помощью оператор имеет возможность измененять различные установочные параметры устройства. Три клавиши управления измерением 21, 22, 23 («Измерение», «Пауза» и «Остановка») и три светодиода индикации хода эксперимента 24, 25, 26 используются для пуска и остановки проведения измерения, временной приостановки эксперимента, а также индикации текущего состояния устройства.
Блок управления 14 выполнен на основе восьмиразрядного микроконтроллера Atmel ATMega128L, что обусловлено его невысокой стоимостью и широкими возможностями по управлению различными периферийными устройствами. Микросхема содержит достаточный набор программируемых аппаратных средств, необходимых для обеспечения функционирования прибора, а именно память программ и данных, таймеры-счетчики, универсальные восьмиразрядные двунаправленные порты ввода-вывода, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик, кроме того микроконтроллер снабжен встроенным восьмиканальным аналого-цифровым преобразователем, который необходимым для подключения к измерительному модулю тензометрических датчиков [5].
Линейка семисегментных индикаторов, блоки текстовой и графической индикации, ввода данных, клавиши и светодиоды, а также блоки энергонезависимой памяти и преобразователя интерфейсов, выход которого подключен к GSM-модулю, электрически соединены с портами ввода-вывода микроконтроллера следующим образом.
Линейка семисегментных индикаторов подключена к портам С и G микроконтроллера, при этом восьмиразрядные коды символов передаются на индикаторы посредством линий РС0-РС7, а выбор конкретного индикатора линейки осуществляется с помощью восьмиразрядного дешифратора DC, к входам которого подключены линии PG0-PG1 микроконтроллера, что обеспечивает управление четырьмя младшими разрядами выхода дешифратора. Управление светодиодом осуществляется с помощью линии PG4.
Текстовый LCD-индикатор подключен к четырем линиям порта А (РА0-РА3), которые используются для передачи на него кодов символов. Управление индикатором осуществляется с помощью линий А0 (выбор адреса символа) и Е (синхронизирующий строб-сигнал), подключенных, соответственно, к линиям PG2 и PG3 микроконтроллера.
Растровый TFT-дисплей 19 подключен к микроконтроллеру по последовательному трехпроводному интерфейсу с использованием линий порта F (PF0-PF3). Выбор контроллера TFT-дисплея осуществляется с помощью линии PF1(CS), передача данных - с помощью линии PF2(SDA), а синхронизация - с помощью линии PF2(SCL).
Блок ввода данных 15, выполненный в виде шестнадцатикнопочной клавиатуры, подключен к порту А микроконтроллера. При этом для реализации алгоритма «бегущая единица», младшие линии порта РА0-РА3 работают как выходы (итерационный перебор столбцов), а старшие РА4-РА7 как входы (сканирование строк).
Клавиши 21, 22, 23 («Пуск», «Пауза» и «Остановка») подключены, соответственно, к входам PE4(INT4), РЕ5(INT5) и РЕ6(INT6). Линии порта Е микроконтроллера ATMega128L имеют дополнительную функцию: сигнал с их входов поступает на вход контроллера прерываний ATMega128L, что позволяет использовать их в качестве счетчика внешних событий, гарантируя обязательную реакцию измерительного модуля на нажатие клавиш.
Светодиоды 24, 25 и 26, использующиеся для индикации нажатий на клавиши 21, 22 и 23, подключены, соответственно, к линиям PG5, PG6 и PG7 порта G.
Разъем внешних прерываний 27 также аналогично клавишам 21, 22 и 23 подключен к входу внешнего прерывания PE7(INT7) порта Е и может, использоваться для автоматического пуска и останова устройства.
Блок энергонезависимой памяти 16 выполнен на основе микросхемы семейства АТ24 и подключен к блоку управления с помощью линий PD0(SCL) и PD1(SDA), являющихся, соответственно, линией последовательной передачи тактовых импульсов и линией последовательной передачи данных.
Блок преобразователя интерфейсов 28 выполнен на основе микросхемы МАХ232, преобразующей сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах на базе ТТЛ или КМОП технологий. В рассматриваемом устройстве блок преобразователя интерфейсов подключен к блоку управления с помощью линий PD2(RXD) и PD3(TXD), являющихся, соответственно, входом и выходом универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART) микроконтроллера. Выход блока преобразователя интерфейсов 28 подключен к входу GSM-модуля 29 через интерфейс RS-232.
Тензометрические датчики 9 (S0-S3) через инструментальные операционные усилители (на фигурах не показаны) подключены к измерительному каналу, представляющему собой четырехпроводную шину, выход которой подключен к входам аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера PF4(ADC4)-PF7(ADC7). Входной разъем 30 измерительного канала установлен на корпусе 13.
Для обеспечения возможности управления гидроцилиндром пресса на корпусе измерительного модуля предусмотрен разъем 31, соединенный с линией PD4 порта D, работающей в режиме одноразрядного двунаправленного информационного канала. При необходимости с помощью разъема 31 измерительный модуль может быть подключен к системе управления гидроцилиндром.
Настольная лабораторная установка работает следующим образом. Предварительно, в соответствии с ГОСТ 11706-66, от конца трубы, которая подвергается испытанию, отрезают образцы высотой от 10 до 16 мм. Плоскость среза должна быть перпендикулярной оси кольца, острые кромки на торцах должны быть затуплены, а заусенцы удалены. Рекомендуемое число образцов составляет не менее 10, что обеспечивает при измерениях формирование малой репрезентативной выборки и позволяет повысить точность измерений и достоверность их результатов.
Далее полученные образцы используют в испытаниях. При каждом из них предварительно смазывают коническую оправку 5 консистентной смазкой. Устанавливают образец 32 на верхний торец стойки 10 соосно с оправкой 5. С помощью блока ввода данных 15 измерительного модуля 12 выбирают схему испытаний: до разрыва или до определенной величины раздачи. После чего приводят в действие гидроцилиндр пресса, например, управляя им с помощью одноразрядного двунаправленного информационного канала, подключенного к линии PD4 порта D микроконтроллера. При этом в соответствие с ГОСТ 11706-66 скорость движения оправки не должна превышать 30 мм/с. Во время движения оправки измерительный модуль 12 с помощью тензометрических датчиков 9 непрерывно фиксирует усилие, прилагаемое к образцу и сохраняет полученные значения в энергонезависимой памяти 16 для дальнейшей обработки, а линейка семисегментных индикаторов 18 при этом отображает моментальное значение прилагаемого к образцу усилия.
В случае применения схемы испытаний до определенной величины раздачи момент остановки эксперимента определяется путем контроля вертикального перемещения гидроцилиндра, при испытании до разрыва момент разрушения образца определяется измерительным модулем по падению нагрузки на образец.
После окончания испытаний всей серии из десяти образцов с помощью программного обеспечения измерительного модуля 12 выполняют процедуру статистической обработки механических испытаний, включающую вычисление выборочных характеристик, построение гистограммы распределения частот и восстановление кривой теоретического нормального распределения для измеренной величины максимального усилия, приложенного к образцу, а также диаграммы зависимости усилия от вертикального перемещения конической оправки при раздаче кольца. При этом упомянутые графики могут быть отображены измерительным модулем 12 лабораторной установки с помощью растрового TFT-дисплея 19, а полученные статистические данные измерений переданы на персональный компьютер с помощью GSM-модуля 29 для их дальнейшей обработки [8].
Список использованных источников
1. ГОСТ 11706-78. «Трубы. Метод испытания на раздачу кольца конусом». М.: Изд-во стандартов, 1978. 4 с.
2. RU 2422797 C2 Российская Федерация, МПК G01N 3/10. Машина испытательная гидравлическая / Бугаец А.И. (RU), Кравченко А.Ф. (RU), Потаенко Е.Н. (RU), Чиликов С.М. (RU), Олейников Е.А. (RU); заявитель и патентообладатель ООО «НИКЦИМ Точмашприбор» (RU) №2009133153/28; заявл. 03.09.2009; опубл. 27.06.2011.
3. 5. А.В. Евстифеев. Микроконтроллеры семейства Tiny и Mega семейства Atmel, 5-е изд., стер. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2008 - 148 с.: ил.
4. Two Wire Serial EEPROMs // Atmel Corporation URL: www.atmel.com/Images/doc0670.pdf (дата обращения: 17.11.2015).
5. MAX232x Dual EIA Drivers Receivers // Texas Instruments URL: www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf (дата обращения: 17.11.2015).
6. HD44780 Datasheet // Electronic Components Datasheet Search URL: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Hd44780 (дата обращения: 17.11.2015).
7. 1.8′′ Color TFT LCD display with MicroSD Card Breakout // Adafruit URL: https://www.adafruit.com/products/358 (дата обращения: 17.11.2015).
8. Степнов M.H. Статистическая обработка результатов механических испытаний. - М.: Машиностроение, 1972. - 230 с.