Компьютерная система управления отечественными приборами для рентгеноструктурных исследований

Применение дифрактометрическнх программно-технических комплексов в металлургии ориентировано на решение таких важных задач, как анализ фазового состава при создании новых современных материалов и технологийисследование диаграмм состояния сплавовопределение внутренних напряженийанализ текстур в металлах и сплавахизучение кинетики фазовых превращений при воздействии различных внешних факторовконтроль ростовой структуры деталей, получаемых методом монокристаллического литья (например, рабочих лопаток турбины, створок сопла и т. п.) и др.

В настоящее время во многих научно-исследовательских организациях и заводских лабораториях России имеется большое количество дорогостоящих приборов для рентгеноструктурных исследований, вполне отвечающих уровню современной техники для осуществления экспериментов при условии их модернизации. Так как аналитическая и высоковольтная части рентгеновских дифрактометров устаревают медленно, то модернизации должна быть подвержена, в первую очередь, система управления и сбора данных и конструкция гониометрических приставок. Реализация такой модернизации отечественных дифрактометров требует разработки современной системы автоматизации рентгеновских экспериментов (САРЭ), позволяющей приблизить технические характеристики отечественных рентгеновских дифрактометров к аналогичным импортному оборудованию, повысить качество и информативность получаемых экспериментальных данных.

Одним из самых «узких мест» при проведении работ по автоматизации отечественных рентгенодифракционных приборов является построение высокоскоростной автоматической сканирующей системы, позволяющей проводить экспресс-анализ металлургических изделий в условиях производства. В первую очередь, это связано с тем обстоятельством, что используемое для этой цели специальное оборудование (преимущественно зарубежного производства) применительно к приборам рентгеноструктурного анализа имеет достаточно высокую стоимость и недостаточное быстродействие при своих высоких характеристиках позиционирования на уровне 0,001°. В большинстве случаев для автоматического выполнения всех необходимых функций требуется разрабатывать кроме держателей образцов дополнительное программное обеспечение, сопряжение которого со всей системой проблематично. Очевидно, что необходим поиск иных путей решения проблемы создания интеллектуальных систем автоматизированного управления оборудованием рентгенодифракционного эксперимента и сбора данных в реальном времени эксперимента для решения конкретных металлургических задач, где основные управляющие, вычислительные, диагностические и мониторные функции возложены на ПЭВМ как центральное управляюще-вычислительное звено системы. Этим и объясняется актуальность предлагаемой диссертации.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов, САРЭ и программ управления отечественными рентгеновскими дифрактометрами, позволяющих повышение технического их уровня до современных импортных их аналогов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные вопросы:

1 получение и исследование математической модели шагового электропривода рентгеновского дифрактометра, выявление на ее основе благоприятных условий для управления исполнительными механизмами прибора;

2 разработка гибких программно-технических комплексов и алгоритмов 6 для автоматизации рентгеноструктурных исследований;

3 реализация и испытание САРЭ применительно к дифрактометрам отечественного производства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Предложен и обоснован высокоточный метод непосредственного управления шаговым электроприводом рентгеновского дифрактометра с контролем углового положения осей прибора, получено свидетельство на полезную модель № 5257 и алгоритм, реализующие предложенный метод.

2 Проведен сравнительный анализ функционального состава и создан программно-технический комплекс подготовки и проведения дифрактометрического эксперимента для монокристаллического литья жаропрочных сплавов, получено свидетельство об официальной регистрации новизны программы № 970 225.

3 Впервые предложены и разработаны алгоритмы автоматического управления дифрактометром с экспресс — контролем ориентации автоматически исследуемых монокристаллических образцов и расчета их полной ориентации по экспериментальным данным от одной установочной плоскости образца, создано программное обеспечение на их основе, получено свидетельство об официальной регистрации новизны программы № 2 000 610 234.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

1 Разработанные и защищенные свидетельствами технические и программные решения позволяют расширить область применения отечественных дифрактометров выпуска до 1990 г., улучшить их технико-экономические характеристики до современных импортных их аналогов.

2 Разработанные и испытанные алгоритмы и принципиальные схемы могут быть с успехом использованы не только при модернизации известных рентгеновских дифрактометров, но и в ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию быстродействующей четырехкружной дифрактометрической системы.

3 Созданные гониометрические автоматические приставки для исследования образцов позволили проводить ускоренные рентгенографические исследования полностью в автоматическом режиме как со сканированием рентгеновского пучка по поверхности исследуемой детали, так и без него.

4 Созданное на основе САРЭ автоматизированное рабочее место исследователя по контролю ориентации монокристаллических отливок позволило повысить производительность (от 2 до 10 раз в зависимости от вида контролируемых деталей), улучшить качество выходной продукции, снизить трудоемкость и влияние вредных условий труда на здоровье рабочего (см. приложение И).

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и восьми приложений.

В первой главе на основе анализа обеспечения аппаратурой рентгеноструктурных исследований в России и тенденций ее развития в нашей стране и за рубежом сформулированы технические требования, предъявляемые к САРЭ.

Во второй главе дано математическое описание системы широтно-импульсный преобразователь — ШД, и на основе него разработаны алгоритмы управления шаговыми приводами дифрактометрических систем.

Третья глава посвящена вопросам разработки инженерных основ совершенствования технического и программного обеспечения САРЭ.

В четвертой главе описывается применение разработанных принципиальных схем, алгоритмов и программ при проведении модернизации отечественных рентгеновских дифрактометров, приведены результаты экспериментальной проверки САРЭ. Выявлены следующие преимущества 8 разработанной САРЭ:

— широкий диапазон скоростей сканирования (от 0,01 до 1200 °/мин);

— возможность проведения ускоренных рентгеноструктурных измерений за счет введения возможности переключения по ходу съемки величин скорости и шага сканирования, времени экспозиции в точке в зависимости от соотношения пик/фон, а также за счет перехода к системе управления исполнительными механизмами дифрактометра с тестовым контролем по концевым датчикам диапазона сканирования;

— высокое быстродействие (до 50 точек/с);

— большой объем получаемой и обрабатываемой информации (до 12 000 точек за один интервал сканирования);

— наличие интерактивной программной оболочки и широкий выбор сервисных настроечных программ.

Пятая глава посвящена инженерным основам создания автоматизированного рабочего места исследователя на базе разработанной САРЭ на примере контроля ориентации металлургических изделий (рабочих лопаток турбины), получаемых методом монокристаллического литья. Разработаны аппаратура, алгоритмы, программы экспресс-определения полной ориентации монокристаллических образцов по экспериментальным данным от одной установочной плоскости образца (свидетельство № 2 000 610 234).

В приложениях приведены принципиальные электрические схемы разработанных блоковфрагмент программного драйверапример протокола контроля ориентации металлургических изделий, выданного программой расчета полной ориентациирезультаты контрольных испытаний модернизированного дифрактометра ДРОН-ЗМпредставлены акты внедрения результатов работы и копии документов, обеспечивающих правовую защиту и подтверждающих новизну положений диссертации.

Основные результаты данной диссертационной работы заключаются в следующем:

1 На основе анализа состояния техники в области автоматизации рентгеновского эксперимента определен состав и сформулированы технические требования к САРЭ в целом и ее составным частям.

2 Предложен и обоснован рациональный метод управления приводными шаговыми двигателями рентгеновского гониометрического устройства, и разработаны математическая модель, алгоритм и программный драйвер прямого цифрового управления исполнительными механизмами в системах сканирования рентгеноструктурных приборов с учетом минимизации операций, основанных на жесткой логике, и требований, предъявляемых к приводу рентгеноструктурного прибора.

3 Разработаны и реализованы схемотехническое и программное обеспечения САРЭ, основанные на выявленном автором наиболее рациональном методе управления шаговым двигателем и разработанных алгоритмах: функциональные и принципиальные схемы интерфейсного и силового блоков для прямого цифрового управления автоматизированным с помощью предложенной САРЭ дифрактометром, созданы программные комплексы подготовки и проведения рентгеноструктурного эксперимента. Проведены испытания, и дано экспериментальное подтверждение правильности принятых решений.

4 Создано и реализовано на практике автоматизированное рабочее место исследователя на базе разработанной автором САРЭ на примере контроля разориентации монокристаллических отливок жаропрочных сплавов на никелевой основе при производстве рабочих лопаток турбины. Полностью разработаны аппаратное обеспечение, конструкция специализированных гониометрических приставок, алгоритмы управления установкой в автоматическом режиме и определения аксиальной и азимутальной ориентации кристалла кубической сингонии и субзерен по одному или двум направлениям при условии, что имеются не менее трех экспериментальных некомпланарных рефлексов, полученных от одной установочной плоскости образца, программное обеспечение на их основе (свидетельства РФ об официальной регистрации программы для ЭВМ № 970 225, № 2 000 610 234).

Апробация работы: основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах Института кристаллографии РАН, представлялись на конкурс научных работ ИК РАН — 98, публиковались в виде журнальных статей [50, 63, 70], получено свидетельство на полезную модель № 5257 [79] и свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 970 225 [69], № 2 000 610 234 [94] (см. приложение Ж). Работа «Управление шаговыми двигателями в системах сканирования дифракционных приборов» удостоена второй премии на конкурсе научных работ «ИК РАН — 98» (г.Москва, декабрь 1998 г.).

Разработанная САРЭ была реализована при модернизации дифрактометров типа ДРОН-2, ДРОН-3, ДРОН-ЗМ, ТРС, АДП-2, УРТ-1, иШ)-6 и НКО-4А в ряде научных и учебных организаций России, промышленных предприятий (Институте кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, Московской Государственной академии тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, ФНПЦ ММПП «Салют»).

Результаты настоящей работы реализованы в качестве лабораторных установок, алгоритмов и программ управления оборудованием в режиме реального времени эксперимента и подтверждены актами внедрения, представленными в приложении И, и свидетельствами, копии которых представлены в приложении Ж. Работы по автоматизации указанных приборов проводились в рамках следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 96−02−17 220 «Исследования при сверхвысоких статических давлениях уравнений состояния и фазовых переходов с применением методики алмазных наковален», № 98−03−32 755 «Роль переменного формального заряда в образовании структур с особым строением и свойствами», Межвузовской программы «Редкие металлы» по теме № 1В-139−874 «Химия твердого тела как основа новых лазерных материалов с тетраэдрической координацией ряда катионов, активированных ионами переходных и редкоземельных металлов», госбюджетной темы № 1Г-37−874 «Установление общих закономерностей образования кристаллических структур сложных оксидов и тройных халькогенидов редкоземельных элементов с элементами 1-УШ групп Периодической системы и специфика свойств этих соединений», в соответствии с техническими заданиями ФНПЦ ММПП «Салют» «Модернизация рентгеновского дифрактометра ДРОН-ЗМ», «Разработка и изготовление автоматизированного рабочего места контролера (АРМ-К) ростовой структуры лопаток газотурбинного двигателя, выращенных методом направленной кристаллизации». Две автоматизированные установки контроля полной ориентации монокристаллических металлургических деталей и АРМ-К прошли лабораторные и эксплуатационные испытания и внедрены в технологический процесс на ФНПЦ ММПП «Салют» (г.Москва).

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Заключение

.

В соответствии с поставленной целью автором разработаны алгоритмы, аппаратные и программные средства построения системы автоматизации рентгеновских экспериментов (САРЭ), обеспечивающей повышение качества импортозамещающих отечественных дифрактометров и проведение на современном уровне рентгеноструктурных исследований в области металлургии.