Назад

Источник: http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/9704/Frazier/Frazier-9704.html

Моделирование и имитация оборудования для обработки металлов давлением

В этой статье рассматриваются проблемы, касающиеся моделирования и имитации оборудования для обработки металлов давлением для отраслей металлообрабатывающей промышленности. Особое внимание уделено использованию современных графических инструментов моделирования, применению и экспериментальной проверки методов применяемых к придуманному вертикальному гидравлическому прессу (описанному в тексте), расположенному в Авиационной базе ВВС Wright-Patterson.

Введение

Основными факторами развития точных моделей и машинного моделирования оборудования обработки металлов давлением являются следующие. Во-первых, возможность быстро совершенствовать улучшенные алгоритмы управления пресса очень увеличена из-за возможности выполнять повторные машинные эксперименты без потребности в дорогостоящих и отнимающих много времени испытаниях, которые могут повлиять на процесс производства. Во-вторых, так как использование методов моделирования конечных элементов (FEM) для исследования и расчета процессов обработки металлов давлением продолжает увеличиваться и методы становятся более сложными, то потребность интегрировать точные модели оборудования в имитации на основе FEM увеличивается. В-третьих, с возможностью прямого считывания размеров обрабатываемой детали во время формовочных работ является вполне вероятным то, что эти измерения могут быть возвращены на оборудование обработки металлов давлением для контроля за формовочным оборудованием с ЭВМ, таким образом позволяя оперативную коррекцию изменений в обрабатываемой детали и параметрах оборудования. В связи с перспективами в управлении технологическим процессом, этот метод должен позволить обеспечить самый высокий уровень надежности и стабильности на производстве. Общим в этих факторах является потребность в улучшенном управлении и предсказуемости режима оборудования, который непосредственно основан на желании получить профили, схожие с исходным, более высококачественные конечные продукты, более высокие доходы, и лучший контроль за микроструктурой, особенно для труднообрабатываемых материалов.

Устройство пресса

Рисунок 1. Блочная диаграмма типового гидравлического пресса . Линии представляют возможные направления расхода жидкости.

Упрощенная схема типового устройства гидропресса дана на рисунке 1. Устройство приводится в действие электродвигателем, который запускает гидронасос. Противовес используется, чтобы поддержать и вернуть рабочий цилиндр на исходную позицию после завершения ковочной работы. Манифольд сервомотора управляет движением жидкости к цилиндру подъемника магистральной линии и к резервуару. Детали относительно разработки математических моделей различных компонентов пресса и их взаимосвязей, информация относительно основных принципов моделирования по изменяемой переменной, устройства гидравлического управления, автоматизированных систем управления, и чувствительных элементов может быть найдена в специализированной литературе.

Компьютерное моделирование динамических устройств

Использование модели устройства для того, чтобы предсказать режим фактического устройства, желательно во многих ситуациях. При проектировании устройства, когда ещё не существует фактическое устройство, может быть полезно оценить несколько его возможных конфигураций. При исследовании эксперимент на фактическом устройстве может занять слишком много или слишком мало времени, может быть слишком дорогим, и может даже повредить устройство, что является нежелательным. Однако, много комплексных устройств не могут быть точно описаны математическими моделями, которые могут быть выражены аналитически, для того чтобы получить ответы на тот или иной набор входов или параметров. Альтернатива моделированию состоит в численном расчете модели с входами и рассматриваемыми параметрами, чтобы определить, как интересующие выходы воздействованы.

В методах моделирования в течении долгих лет обычно использовались средства анализа и проектирования техники. В частности моделирование непрерывно-разовых и дискретно-разовых динамических устройств было предметом обширного исследования в течении нескольких десятилетий. Языки моделирования, такие как CSMP и Усовершенствованный Язык Аналогового моделирования (ACSL) были специально разработаны для того, чтобы строить динамические имитационные модели устройства.

Графическая парадигма моделирования

Современный технический уровень в моделировании динамических устройств включает пакеты программ, которые не только помогают инженеру в построении имитационных моделей, но и облегчают создание моделей и интерпретацию результатов посредством сложных графических интерфейсов пользователя. Например, SIMULINK , VisSim и Matrix_X являются такими пакетами. Имитационная модель, в указанном здесь смысле, представлена схемой, в которую все соответствующие элементы и зависимости, которые моделируют устройство, включены. При рассмотрении ковочного устройства, которое включает пресс кузницы, нагрузку обрабатываемой детали, и внутренние механизмы, посредством которых оcуществляется микроструктура обрабатываемой детали, схема показывает имитационную модель VisSim ,на рис. 2. Каждый блок в такой имитационной диаграмме моделирует элемент или группу элементов в фактическом устройстве, порту ввода данных, или порту выхода. Каждая линия представляет путь для потока информации или энергии. Заметьте, что на рисунке 2 фундаментальные блокировки в ковочном моделировании процесса - пресс кузницы, регулятор, и упаковка набора инструментов. Каждый из этих блоков включает в себя несколько уровней крупных узлов системы, которые могут храниться с удобными инструментами редактирования в графической искусственной окружающей среде.

Рисунок 2. Блочная диаграмма сгенерированная в VisSim.

Генерирование автоматического кода моделирования оборудования для обработки металлов давлением

Основной целью описанных здесь действий является обеспечение промышленности обработки металлов давлением с научной точки зрения базирующимися инструментами, которые ускорят расчет, разрешая пользователю выполнить то, что обеспечивают исследования, которые включают все аспекты производства. Поэтому желательно иметь программный модуль, который будет генерировать реакцию устройства к определенным входам, без необходимости использовать пакет программ моделирования (то есть, автономная программа или ряд программ, которые моделируют устройство без потребности в специализированном пакете программ моделирования со стороны конечного пользователя). Это может быть достигнуто при использовании характеристик автоматической кодовой генерации, доступных для любого из современных упомянутых выше пакетов программ моделирования.

Идея состоит в том, чтобы встроить имитационную модель в один из доступных пакетов программ моделирования и затем генерировать код языка высокого уровня, который может быть составлен, чтобы генерировать программу или библиотеку, которая будет использоваться, чтобы моделировать устройство. Первоначальная имитационная модель может быть разработана консалтинговой фирмой, нанятой, чтобы поставить выполнимый код или библиотеки для моделирования определенного устройства. Такой выполнимый код или библиотека могут далее использоваться совместно с существующим программным обеспечением анализа метода конечных элементов инженером, отвечающим за расчет, для моделирования ковочного процесса.

Заключение

Использование графического моделирующего устройства и программного обеспечения для моделирования очень помогает в создании моделирующего процесса, систематического, саморегистрирующего, точного, и эффективного. Способность быстро выполнить эксперименты касающиеся различных стратегий управления, чувствительных элементов, приводов, и обрабатывающих инструментом и пособий инженера по созданию обоснованных решений относительно потенциальных изменений в существующем оборудовании обработки металлов давлением и/или операции по обработке. Например, этот метод позволяет инженеру ответить на вопросы относительно целесообразности возможного добавления чувствительного элемента для непосредственного измерения скорости трамбовки для регулирования с обратной связью скорости трамбовки в противоположность простому использованию прижимной обратной связи. Как потребность в точном управлении скорости трамбовки, так же как положение, увеличение, потребность в непосредственном измерении скорости, поскольку сигнал регулирования с обратной связью станет более острым. Используемое оборудование для управления за скоростью (инверсия моделей потока сервоклапана, объединенных с прижимными размерами и численным дифференцированием размеров смещения), не адекватно для высокой эффективности по широкой амплитуде ковочных условий.

Опыт показывает потребность в прессовщиках, для того, чтобы настроить закономерность в контроле за прессом, для достижения желательного профиля скорости для различных формовочных работ. Так имея контролируемый потребительский спрос на оборудование, которое неоднократно изготавливает одну и ту же часть в течение нескольких недель или более продуктивно, при необходимости использовать то же самое оборудование для нескольких различных частей через день либо небольшими партиями, возникает необходимость неоднократно настраивать контроль пресса и тратить впустую драгоценное время. Закономерности контроля должны проектироваться так, чтобы с различными условиями нагрузки и профилями скорости можно было обработать успешно без потребности в дополнительном настраивании.

Ожидается, что в будущем производство будет включать использование автоматических кодовых характеристик генерации в современных пакетах программ моделирования, чтобы интегрировать точные модели оборудования в конечно-элементное программное обеспечение моделирования, чтобы далее улучшить точность моделируемых процессов обработки металлов давлением.