磁軛式磁粉探傷儀提升力檢測(cè)裝置的開發(fā)

馮雪峰，肖玉琴，亢 銳

（新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引 言

磁軛式磁粉探傷儀是由磁化電源和磁軛組成，可用于檢測(cè)鋼鐵材料的裂紋、焊縫、鑄件、鍛件等表面缺陷。磁粉探傷是將鐵磁性物質(zhì)在強(qiáng)磁場(chǎng)下磁化后，在工件的近表面有缺陷的地方磁力線發(fā)生變形，表面形成漏磁場(chǎng)，然后在工件表面上施加磁粉或磁懸液，磁粉就會(huì)吸附在缺陷處，這時(shí)就顯示出缺陷的位置、大小和形狀[1]。要想準(zhǔn)確地探出工件缺陷，那磁軛式磁粉探傷儀的準(zhǔn)確性尤為重要。而對(duì)于磁軛式磁粉探傷儀，設(shè)備的主要校驗(yàn)指標(biāo)之一是提升力。提升力是指磁鐵只借助其磁性吸力，可提升起某一重量鋼塊的能力[2]。

大部分國(guó)內(nèi)外相關(guān)常用標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)磁軛提升力提出了各自的指標(biāo)，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用磁軛最大間距時(shí)，交流電磁軛至少應(yīng)有45N的提升力，直流電磁軛至少應(yīng)有177N的提升力，交叉磁軛至少應(yīng)有118N的提升力。但是提升力的實(shí)際值是多少，一直以來是個(gè)懸而未解的問題。當(dāng)提升力過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件表面不應(yīng)檢出的細(xì)微缺陷也被檢測(cè)出來，這對(duì)于實(shí)際磁粉探傷而言是不利的；因此，有必要測(cè)量出磁軛提升力的值。開發(fā)研制了磁軛式磁粉探傷儀檢測(cè)裝置，能夠?yàn)榇跑検酱欧厶絺麅x的廣泛使用提供技術(shù)支持，為技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)、科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和機(jī)械加工制造企業(yè)開展對(duì)磁軛式磁粉探傷儀檢測(cè)與質(zhì)量控制提供重要手段。

1 設(shè)計(jì)思路

磁軛提升力是磁鐵借助其磁性吸力，可提升某一重量為G的鋼塊的能力。如用符號(hào)F表示[3]，即

通常采用力的單位N。就工程實(shí)際而言，可以將磁軛提升力近似等同為磁軛的平均吸力。

一般來講，按磁軛磁粉探傷儀磁化過程中采用電流的性質(zhì)，可分為直流磁化和交流磁化。

直流電磁軛工作時(shí)其磁場(chǎng)的大小和方向都是恒定不變的，當(dāng)磁軛磁極吸附鋼板，在不產(chǎn)生重力加速度的情況下，施加反向向下的作用力FDC將鋼板與磁極脫離時(shí)，磁性吸力的大小剛好等于鋼板重力G和反向作用力FDC之和，即F=G+FDC，則此時(shí)磁性吸力的大小即為磁軛磁極的提升力大小。

交流電磁軛工作時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)是隨時(shí)間變化的量，當(dāng)磁極吸附鋼板，或者鋼板相對(duì)于磁極有一定位移時(shí)，使用高速數(shù)據(jù)采集反向作用力FAC（t）隨時(shí)間變化的量，取某一位移時(shí)，反向作用力最大的那一組量的平均值（t）作為反向作用力，則磁性吸力的大小為F=G+（t），等同為磁軛磁極的提升力大小[4]。

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出磁軛式磁粉探傷儀提升力檢測(cè)裝置，如圖1所示。部分主要部件的說明如下：

（1）步進(jìn)電機(jī)。以單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制絲桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)以產(chǎn)生反向拉力，并且能夠產(chǎn)生精確位移。

（2）拉力傳感器。得到步進(jìn)電機(jī)反向作用力。

（3）數(shù)據(jù)采集。高速采集拉力傳感器的變送器發(fā)送的電信號(hào)。

圖1 提升力檢測(cè)裝置原理圖

該檢測(cè)裝置工作原理為：磁軛式磁粉探傷儀工作時(shí)，磁軛磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)吸附鋼板，通過步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲桿，反向施加力，拉力傳感器輸出電壓信號(hào)，變送器將電壓信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)處理和計(jì)算分析，顯示出提升力的值。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制

采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路?？刂瓢粹o作為一個(gè)外部中斷源，控制設(shè)置步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[5]。

控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

單片機(jī)選用AT89C51單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)選用DM5654A[6]，單片機(jī)硬件如圖3所示。

圖3 單片機(jī)硬件圖

2.2 單片機(jī)的USB數(shù)據(jù)采集

基于USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)硬件模塊主要由微控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、USB通信接口芯片等模塊組成。系統(tǒng)按功能分為USB接口電路和數(shù)據(jù)采集電路兩部分。數(shù)據(jù)采集電路部分完成前端采樣信號(hào)即拉力傳感器信號(hào)的采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及處理、采樣速率控制和傳輸控制；USB接口電路則完成單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信[7]。

系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)則根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等參數(shù)元素選擇合適的芯片。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)原理圖

根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)，由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，并采集拉力傳感器輸出的信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理，得到磁軛式磁粉探傷儀提升力的值，并顯示出結(jié)果，從而完成了整個(gè)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。

3 特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)

3.1 檢測(cè)裝置的特點(diǎn)

（1）能夠直接測(cè)量提升力數(shù)值，并直觀的以數(shù)字顯示；

（2）進(jìn)行高速采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，計(jì)算提升力，顯示和保存測(cè)量結(jié)果；

（3）自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)記錄，工作可靠，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量值準(zhǔn)確可靠。

3.2 檢測(cè)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

拉力范圍在0～300N之間，覆蓋各種磁軛式磁粉探傷儀最大提升力的值，靜態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度±0.1N。步進(jìn)電機(jī)施加反向作用力時(shí)，最大行程能夠達(dá)到80mm。

4 結(jié)束語

經(jīng)過不懈努力，磁軛式磁粉探傷儀檢測(cè)裝置已經(jīng)開發(fā)成功，且已在實(shí)際檢測(cè)中得到了運(yùn)用。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)裝置很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，具有檢測(cè)效率高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際使用簡(jiǎn)便、先進(jìn)、可靠，結(jié)果簡(jiǎn)單、直觀，有一定的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

[1]林錫忠，鄒俊芬，林育.論電磁軛提升力[J].無損檢測(cè)，2000，22（10）：439-440.

[2]林錫忠.關(guān)于磁粉探傷標(biāo)準(zhǔn)中電磁軛提升力涵義的討論[J].無損檢測(cè)，2004，26（2）：101-102.

[3]姚力.關(guān)于磁軛提升力指標(biāo)的討論[J].無損檢測(cè)，2002，24（2）：53-54.

[4]任吉林.電磁無損檢測(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社，1989.

[5]梅麗鳳，王艷秋.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[6]鄭寶瑞，陸仲達(dá).基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研制[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26（4）：46-47.

[7]洪新華，陳建峰，霍鵬飛.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（6）：84-86.