Бесконтактный контроль диаметра проволоки без остановки процесса волочения

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Бесконтактный контроль диаметра проволоки без остановки процесса волочения

Климко Г.Ф. 1
1МАУ ДО ЦТТ "Новолипецкий" г. Липецка
Самохин Ю.П. 1
1МАУ ДО ЦТТ "Новолипецкий" г. Липецка
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Аннотация

Волочение – процесс обработки металлов давлением, при котором изделия (заготовки) круглого профиля протягиваются через круглое отверстие, сечение которого меньше сечения заготовки. В результате площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина увеличивается.

Спрос на металлическую проволоку возник очень давно. Из нее изготавливали ювелирные украшения, начиная с времен Египетских фараонов. С каждым столетием сфера потребления проволоки расширилась. Скачок роста приходится на середину 19 века, связанный с изобретением телеграфа и телефона.

Принцип волочения остался тем же самым и сегодня. Совершенствуются устройства (приборы) контроля качества волочения. Одно из направлений качества волочения – контроль диаметра проволоки после волочения. Существуют множество способов контроля, таких как: индуктивный метод, вихревой метод, электро-потенциальный метод

Предлагаемое устройство «Бесконтактный контроль диаметра проволоки без остановки процесса волочения» способно производить контроль диаметра проволоки меди от 0,1 мм до 5 мм, стали от 0,05 мм до 5 мм. Есть возможность увеличения диаметра контроля методом установки другой катушки (датчика).

Принцип работы контроля диаметра проволоки основан на изменении магнитного поля катушки (датчика), вызванном изменением вихревых токов в проволоке разного диаметра.

Вихревые токи (токи Фуко) – это замкнутые электрический токи, возникающие в проводнике при пронизывающем его магнитном потоке.

Предлагаемое устройство является действующим прототипом, способным не только производить контроль диаметра, но и в наглядной форме продемонстрировать правильность выбранной методики контроля диаметра проволоки после волочения.

Ключевые слова: волочение, контроль диаметра, токи Фуко, бесконтактное измерение

План исследования.

Проблема:

Отсутствие в широком доступе измерителей подобного типа.

Гипотеза:

Попытаться расширить парк устройств, контролирующих диаметр проволоки после волочения.

План.

  1. Провести анализ и изучить принципы работы подобных устройств;

  2. Разработать и изготовить чувствительный датчик бесконтактного контроля диаметра проволоки;

  3. Разработать и изготовить схему преобразования изменяющихся магнитных потоков в пропорциональную величину напряжения для дальнейшей обработки микроконтроллером;

  4. Разработать и изготовить демонстрационный узел устройства;

  5. Разработать и изготовить устройство протяжки проволоки;

  6. Разработать схемы функциональной обвязки всех узлов устройства;

  7. Провести монтаж всех узлов в корпусе;

  8. Написать программы обеспечения функционирования протяжки и контроля параметров;

  9. Провести испытание и доводку устройства; устранить неполадки.

Введение

Медная проволока широко используется во многих отраслях промышленности, как готовое изделие, так и сырьё для дальнейшего производства.

Качество изделия подтверждается при проведении контроля. К основным параметрам медной проволоки можно отнести: электрические параметры – удельное электрическое сопротивление; механические – временное сопротивление проволоки; геометрическое –диаметр и овальность.

Номинальный диаметр проволоки – это один из самых главных параметров, который определяет, как электрические, так и механические параметры. Следовательно, контроль диаметра проволоки находится под пристальным вниманием. Существует множество приборов контроля диаметра проволоки, определяющие его различными методами – основные из них:

  • Индуктивный метод основан на зависимости индуктивности обмотки от параметров обмотки и магнитной цепи, в которую включена обмотка. Метод достаточно хороший, но применим только для контроля диаметра магнитных материалов.

Прибор индикации

Катушка

Магнитопровод

Контролируемая проволока

  • Вихревой метод основан на возбуждении в электропроводящем объекте переменным магнитным полем вихревых токов.

Прибор. индикации

Катушка

Контролируемая проволока

  • Электро потенциальный метод основан на зависимости распределения электрического потенциала на поверхности объекта, по которому протекает электрический ток. Недостаток (необходимость контакта с объектами контроля)

Прибор индикации

Контролируемая проволока

В своём исследовании я опирался на второй метод (т. е. вихревой метод) и разработал и изготовил действующий макет бесконтактного контроля проволоки с применением простых, но эффективно работающую схему.

Задачи:

  1. Изучить разнообразие применения вихревых токов в реально действующих условиях.

  2. Ознакомится с существующими измерителями диаметра проволоки.

  3. Изучить работу генераторов, в положительной обратной связи которых, колебательный контур.

  4. Подобрать микроконтроллер, характеристики которого обеспечивали бы весь предполагаемый алгоритм работы моего устройства.

  5. Написать программу контроля индикации для микроконтроллера.

  6. Собрать демонстрационный макет моего устройства.

  7. Изготовить прибор.

  8. Выполнить оценку полученных результатов.

Основное содержание

В положительно обратную связь включена индуктивность L2 и конденсаторы C7 и C10, резистор R9 устанавливает коэффициент обратной связи.

Возникшая генерация наблюдается осциллографом. Выставляется ось переменного сопротивления R9 в среднее положение - фиксируются синусоидальные колебания в точках A и B, конденсатором C7 находится резонанс (в данном случае на частоте 250 кГц).

Рис. 1 Синусоида в точке А Рис. 2 Начальный этап Рис. 3 Синусоида в точке В

разработки датчика

Катушка L2 намотана на каркас диаметром 4мм с полым внутренним диаметром, равным 3мм, количество витков 600, диаметр провода 0,15 мм.

Наблюдая за амплитудой, в точке A в катушку вносится медный провод диаметром 0,8 мм, вследствие чего происходит уменьшение амплитуды в точке A, в точке B происходит уменьшение незначительное.

После этого увеличением номинала резистора R9 уменьшается обратная связь до срыва генерации (возвращаемся чуть назад, чтобы возникла генерация) и снова конденсатором C7 подстраиваемся в резонанс. Измененная амплитуда синусоиды составляет примерно 0,2V в точке B примерно 3V. В каркас катушки вносится провод диаметром 0,8 мм (медный) и происходит уменьшение амплитуды в точке A почти до срыва генерации, а в точке B – незначительно.

Далее проверяется реакция на минимальный диаметр исследуемого провода. С данной катушкой диаметр проволоки 0,08 мм уже вызвал незначительное изменение амплитуды синусоиды в точке A.

Таким образом, приходим к выводу, что во внесённом проводе возникают токи Фуко, которые в свою очередь вызывают изменение амплитуды в точке A как начальной точки в цепи положительно обратной связи. Но точка A очень чувствительна к любым внешним нагрузкам. Чтобы снять информацию с точки A, не внося больших потерь, используется второй логический элемент этой же микросхемы. Ввиду того, что эта микросхема выполнена на полевых транзисторах, то она имеет большое выходное сопротивление. Чтобы перевести второй логический элемент в режим линейного усиления, применяем отрицательную обратную связь. Далее измеряем синусоидальное напряжение, в точке C оно равно приблизительно 2,5 V.

Рис. 4 Адаптация датчика для снятия сигнала в точке А

и выведения его на микроконтроллер

Принципиальная схема состоит из двухканального измерения диаметра. Чтобы показать все возможности данного метода измерения диаметра провода, изготовлены два канала измерения. Один из них (нижний по схеме) выполнен на двух логических элементах микросхемы типа К561ЛН2. На первом собран измерительный генератор, катушка L2 для повышения чувствительности устройства (контроль диаметра производится от 0,08 до 2,5 мм) резистором R9 установлено на 1 ножке логического элемента, напряжение 0,18 mV с уходом частоты от резонанса вправо. При такой частоте устанавливается наибольшая чувствительность, а чтобы возбуждение происходило каждый раз, установлен конденсатор C10. Далее синусоидальное напряжение усиливается вторым логическим элементом и через конденсатор C11 поступает на выпрямитель VD3 и VD4. Для программной установки нуля вместо нагрузочного сопротивления параллельно конденсатору C12 установлена оптопара, состоящая из фоторезистора и светодиода, яркость которого изменяется программно. Полученные данные через аналоговый порт A1 приходят на микроконтроллер LGT328.

Для данного канала изготовлен имитатор протяжки (волочения). В заложенный для демонстрации медный провод диаметром 0,3 мм специально внесены дефекты (увеличен и уменьшен диаметр) проволоки на разных участках по длине провода. При включении протяжки происходит бесконтактный контроль диаметра с выводом диаметра на ЖК дисплей и как только датчик определил отклонение, происходит остановка протяжки с последующей звуковой сигнализацией.

Для второго канала (демонстрационного) выполнен измерительный датчик по аналогичной первому схеме, но данный канал может контролировать диаметр медной проволоки от 0,1 до 3,5мм и железной от 0,01 до 3,5 мм, кроме этого, датчик демонстрационного канала автоматически определяет тип металла. Как только в измерительную катушку ввели провод, на ЖК дисплее появляются данные диаметра и типа металла.

Рис. 5 Пример измерений

Измерение частоты производит микроконтроллер с порта D2. Предварительно сформированную импульсную последовательность оставшимися элементами микросхемы К561ЛН2 на трёх из них собрал формирователь прямоугольных импульсов. Для упорядочивания пределов измерения диаметра проволоки меди или железа служит электромагнитное реле, которое своими контактами подключает или отключает конденсатор C1, тем самым грубо изменяется чувствительность датчика. Выпрямитель этого канала подобен тому, что используется в первом канале.

Кроме того, чтобы оперативно контролировать пики резонанса установлен дополнительный стрелочный индикатор, который выполнен на микроамперметре чувствительностью от 200mкA, с дополнительным усилителем тока на транзисторе VT2.

Датчики первого и второго канала очень чувствительны к помехам и к нестабильности питающего напряжения, поэтому введен дополнительный стабилизатор 3,2V и LC фильтр от помех. Вся схема питается от аккумулятора 8 V и потребляет ток в режиме прокрутки не более 100 mA, в обычном режиме не более 40 mA.

Программа писалась на языке C++, с использованием графического редактора Flprog.

Информация о месте выполнения работы.

Работа выполнялась в лаборатории радиотехнического конструирования муниципального автономного учреждения дополнительного образования, центре технического творчества «Новолипецкий» города Липецка, под руководством Самохина Юрия Петровича, педагога дополнительного образования этого учебного заведения.

Заключение

Мной был разработан прототип устройства контроля диаметра проволоки, после волочения, Технический опыт, приобретённый при выполнении работ по созданию монтажной схемы, ведению монтажных работ, разработки самодельных датчиков, написания программы, будет полезен для становления специалистом инженерно-технической отрасли.

Библиографический список:

  1. История появления проволоки её изготовления волочением https://u-techgroup.ru/volochenie/

  2. Измерительные схемы для контроля диаметра тонких проволок методом вихревых токов (статья 1966г.) https://cyberleninka.ru/article/n/izmeritelnye-shemy-dlya-kontrolya-diametra-tonkih-provolok-metodom-vihrevyh-tokov/viewer

  3. Краткое описание процесса волочения https://gclnk.com/1Tpk9Uh1

  4. Теоретические пути и направления развития волочения и методов измерения проволоки https://7universum.com/ru/tech/archive/item/7049

Приложение

Приложение №2

ЖК дисплей Стрелочный индикатор Настройка волочения Переключатель режима работы

Катушка схемы волочения Демонстрационная катушка Кнопки управ. сервомотором Вкл/Выкл Кнопка управления демонстрацией

Приложение №3

С хема демонстрации возможностей Все кнопки Аккумулятр МикроконтроллерLGT 328

Сервомотор Схема контроля при волочении Стрелочный индикатор ЖК дисплей

Просмотров работы: 0