DOSKONALENIE ODLEWNICZYCH SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH POPRZEZ ROZWÓJ BADAŃ

Transkrypt

1 24/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN DOSKONALENIE ODLEWNICZYCH SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH POPRZEZ ROZWÓJ BADAŃ J. MUTWIL 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4 STRESZCZENIE Omówiono znaczenie rozwoju badań w doskonaleniu odlewniczych systemów produkcyjnych. Opisano mikroprocesorowy system pomiarowy przystosowany do b a- dania zjawisk i procesów odlewniczych. Opisano zastosowanie systemu do badania ewolucji skurczu odlewniczego i naprężeń skurczowych. Key words: investigation of foundry phenomena and processes, microcomputer measuring system 1. WPROWADZENIE Komputerowa symulacja to narzędzie, które zrewolucjonizowało projektowanie odlewniczych procesów technologicznych. Ciągłe doskonalenie oprogramowania sprawiło, że już obecnie jakość prognoz symulacyjnych zależy przede wszystkim od przyjętych w modelowaniu wartości parametrów fizykochemicznych układu odlewforma. Wraz z próbami wykorzystania komercyjnych programów do symulacji konkre t- nych procesów technologicznych szybko rosło przekonanie o skromności istniejących baz danych na temat parametrów termofizycznych stosowanych w praktyce materiałów na odlewy i formy odlewnicze. Dla konkretnych stopów odlewniczych znane są jedynie orientacyjne wartości parametrów termofizycznych, a ich temperaturowe charakterystyki są rzadkością. W przypadku form odlewniczych sytuacja jest jeszcze gorsza. Sp o- strzeżenia te w kontekście wyjątkowych zalet symulacji komputerowej pozwalają oczekiwać, że w najbliższym czasie powinien powstać wręcz przemysł badań temperatu- 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 195

2 rowych charakterystyk parametrów termofizycznych konkretnych stopów i form odle w- niczych. Większość klasycznych prób technologicznych do oceny jakości metalu i fo r- my nie nadaje się do prowadzenia tego typu badań, bo zazwyczaj nie pozwalają analizować przebiegu procesu, a jedynie jego skutki. Dynamiczny rozwój technik mikroprocesorowej rejestracji i przetwarzania elektrycznych sygnałów pomiarowych oraz elektrycznych metod i czujników pomiaru podstawowych wielkości fizycznych stworzył idealne warunki do opracowywania odpowiedniej aparatury naukowo-badawczej i instalacji doświadczalnych. Prekursorem w zakresie rozpowszechnienia w odlewnictwie technik mikroprocesorowej rejestracji i przetwarzania sygnałów pomiarowych był S. Jura, pod kierunkiem którego opracowano m.in. aparaturę do termiczno-derywacyjnej analizy krystalizacji metali i stopów [1]. Analiza termiczno-derywacyjna realizowana z zastosowaniem technik mikroprocesorowych to nie tylko skuteczne narzędzie badań nad krystalizacją metali i stopów, lecz również podstawowy element nowoczesnych systemów kontroli jakości ciekłego metalu w odlewni [2, 3]. Autor niniejszego oprac o- wania od lat stosuje mikroprocesorowe systemy rejestracji i przetwarzania sygnałów pomiarowych do badania procesu wypełniania ciekłym metalem form odlewniczych, rejestrując przebieg zapełniania metalem kanału testowego oraz temperaturę w czole strugi i wybranych, stałych punktach formy i odlewu. Opracowana pod kierunkiem autora [4] 16-bitowa wersja systemu przystosowana została nie tylko do badań przepływu metalu w formie odlewniczej, lecz również innych zjawisk towarzyszących procesom odlewniczym. 2. OPIS SYSTEMU POMIAROWEGO I JEGO ZASTOSOWANIA DO BADA- NIA SKURCZU LINIOWEGO I NAPRĘŻEŃ SKURCZOWYCH Najważniejszym elementem systemu (rys.1a) jest 16-bitowy, 17-kanałowy mikroprocesorowy rejestrator łączony z komputerem PC jako jednostką nadrzędną za pomocą łącza szeregowego. Opcjonalnym elementem jest konwerter sygnałów, który musi być stosowany dla analogowych czujników ciśnienia, siły, przemieszczeń do normalizowania ich sygnału pomiarowego do standardu 0-5 V. Zasadnicze elementy funkcyjne mikroprocesorowego rejestratora (rys. 1b) to bloki: sterowania, pomiarowy i zasilania. W bloku pomiarowym wyróżnić można moduł dwunastu w pełni izolowanych kanałów do pomiaru temperatury przy pomocy dowolnych termoelementów; moduł trzech izolowanych kanałów napięciowych 0-5V (kanały: 13-15) oraz izolowany kanał (16) do pomiaru temperatury odniesienia. W bloku sterowania zawarty jest moduł p a- mięci RAM, w którym zapisywane są wyniki pomiarów realizowanych w trybie szy b- kiej rejestracji ( Hz). Wielkość tej pamięci umożliwia zapamiętanie serii do impulsów pomiarowych z każdego ze wszystkich 17 kanałów. W pomiarach z mniejszymi częstotliwościami próbkowania następuje bezpośrednia transmisja sygnałów do komputera poprzez łącze szeregowe z zachowaniem pełnej separacji galwanic z- nej. W tym też przypadku możliwa jest ich wizualizacja w czasie rzeczywistym. Pomiar i rejestracja odbywa się bez przesunięć czasowych pomiędzy kanałami. Mikrokontroler obsługuje również bezpośrednio wejście cyfrowe. 196

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) XL X1 X2 X3 Blok Blok Komputer PC pomiarowy sterujący X16 Blok zasilania Rejestrator mikroprocesorowy 220 V Rys. 1. Schemat blokowy systemu pomiarowego (a) i rejestratora (b): LSK- silnik krokowy; SSK sterownik silnika; T1-T12 termoelementy; TK czujnik temperatury otoczenia; CL, CP, CF - czujniki przemieszczenia, ciśnienia, siły Fig. 1. Block diagram of measuring system (a) and register (b): LSK- stepper motor; SSK motor controller; T1-T12 thermocouples; TK ambient temperature sensor; CL, CP, CF - position, pressure and force sensors Kanał cyfrowy (17) z pominięciem bloku pomiarowego bezpośrednio łączy się z blokiem sterowania i może współpracować z dowolnym czujnikiem impulsowym. W bloku zasilania znajduje się wysoko stabilne źródło prądowe do zasilania krzemowego czujnika temperatury odniesienia i źródło prądowe do zasilania biernych czujników analogowych. Z uwagi na zastosowanie transformatora w bloku zasilania oraz transoptorów w module komunikacji RS-232 i bariery optoizolacyjnej we wszystkich kanałach pomiarowych, uzyskano całkowitą separację galwaniczną systemu p o- miarowego od sieci zasilającej i urządzeń współpracujących. Całkowita i wzajemna 197

4 izolacja wszystkich kanałów pomiarowych jest szczególnie istotna w wielopunktowych pomiarach temperatury metalu, pozwala bowiem na stosowanie nieosłoniętych termo e- lementów, bez zagrożenia wzajemnego ich oddziaływania na siebie. Mikroprocesorowy rejestrator wymaga połączenia poprzez łącze szeregowe z komput e- rem PC, z którym się komunikuje i który zarządza procesem rejestracji. Program do obsługi procesu rejestracji sygnałów we wskazanych kanałach pomiarowych, ich zapisu na dysku i dalszego przetwarzania napisano w języku Borland Pascal. W zakresie ko n- figuracji pomiaru program umożliwia podanie aktywnych w danym pomiarze kanałów oraz przypisanie im konkretnych czujników. Dla kanałów temperaturowych możliwy jest wybór czujników termoelektrycznych typu: K, N, J, T, R, S, B. Dla kanałów (13-15) można wybrać czujnik z pojawiającej się na ekranie monitora listy. Stan listy można ciągle aktualizować, wprowadzając do niej nowe czujniki. W kolejnym kroku program umożliwia podanie czasu pomiaru i częstotliwości zbierania danych. Wyniki pomiaru wraz z komentarzem o długości do 500 znaków można zapisać na dysku. Do obróbki zarejestrowanych pomiarów opracowano moduły biblioteczne, zawierające narzędzia analityczne o charakterze ogólnym i takie, które stosowane są jedynie do określonych typów pomiarów. Tryb graficzny zaopatrzono w szereg procedur umożliwiających interpretację zarejestrowanych z wykorzystaniem różnych czujników krzywych pomiarowych. Istotnym narzędziem trybu graficznego jest pionowa, przerywana linia przemieszczana w obrębie wykresu klawiszami kursora. Dla jej aktualnego położenia wyświetlane są w okienkach u podstawy rysunku odpowiednio: wartości reprezentowane na osi odciętych (np. czas) oraz odpowiadające im wartości reprezentowane osią rzę d- nych. Za pomocą tej linii wskazywać też można charakterystyczne punkty na krzywych i nadawać im oznaczenia literowe, a następnie dokonywać w obszarze rysunku wydruku odpowiadających im wartości (np. temperatury i jej pochodnych). Elastyczność systemu w zakresie konfigurowania kanałów pomiarowych i przetwarzania zarejestrowanych wyników pozwala na wykorzystanie go w różnorodnych instalacjach doświadczalnych, między innymi w badaniach ewolucji skurczu i naprężeń skurczowych w odlewach. Ogólny schemat stanowiska do badania ewolucji skurczu liniowego i naprężeń powst a- jących na skutek jego hamowania w odlewie pręta przedstawiono na rysunku 2 (stanowisko przygotowane do badania naprężeń, w badaniach skurczu czujnik siły zastęp o- wany jest przez czujnik przemieszczeń). Do odtwarzania pręta skurczowego o wymiarach 20x20x250 mm służy otwarty od góry metalowy lub piaskowy segment 2. Na segmencie wlewowym ustawiana jest dzielona nadstawka wlewowa 9, posiadająca na płaszczyźnie podziałowej rowek do wprowadzania termoelementu płas zczowego 1mm. Segment 2 zamykany jest od góry pokrywą 10, a od czoła wkręconą na kotwę 6 płytką zamykającą 7. Kotwa wkręcona jest jednocześnie do elementu łączącego 5, połączonego przegubowo z ramieniem 4 czujnika siły 3. Drugie ramie czujnika siły, poprzez przegubowe połączenie z elementem 5 i śrubę napinającą 11, połączone jest z ramą kształtową 1. Śruba napinająca 11, dzięki blokadzie 13, pozwala na wstępną eliminacje luzu w układzie pomiaru siły. Dla ograniczenia wpływu siły tarcia podstawa skojarzonego z kotwą elementu łączącego opiera się na wałeczkach tocznych 12. W przypadku 198

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA badań skurczu liniowego zamiast czujnika siły do posiadającego kotwę elementu 5 przyłączany jest potencjometryczny czujnik przemieszczeń. Rys. 2. Schemat stanowiska do badania skurczu liniowego i naprężeń skurczowych: 1-rama, 2- segment pręta skurczowego, 3- czujnik siły, 4- ramiona czujnika, 5-złącza ramion czujnika ze śrubą napinającą 11 i kotwą 6, 7- płytka zamykająca wnękę 2, 8- segment wlewowy, 9- dzielona nadstawka zbiornika wlewowego, 10- płyta zamykająca, 12- wałeczki toczne, 13- blokada, 14- ograniczniki, 15- termoelement, 16- mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16, 17- komputer Fig. 2. Schematic diagram of stand for investigation of linear contraction and shrinkage stresses: 1-shape board, 2-segment of shrinkage bar, 3- force sensor, 4- sensor arms, 5-couplings of sensor arms with both the strain screw 11 and the anchor 6, 7- plate closing the cavity 2, 8- runner segment, 9- sectional runner box, 10- closing plate, 12- rollers, 13- blocking, 14- limiters, 15- thermocouple, 16- microprocessor recorder PDOC-16, 17- computer Identyczny, pozwalający rejestrować rozszerzanie się formy, czujnik przemieszczeń przyłączony jest do czoła segmentu 2 (miejsce przyłączenia wskazano strzałką). Ilustracje wykonanych z wykorzystaniem opisanego stanowiska badań ewolucji skurczu liniowego i naprężeń skurczowych w okresie krzepnięcia i stygnięcia stopu AlSi6.9 przedstawiono w tym zeszycie Archiwum Odlewnictwa. 3. PODSUMOWANIE Nowoczesne systemy produkcyjne to systemy oparte na wiedzy. Wiedza ta obejmować musi wszystkie aspekty działalności produkcyjnej, co jest podstawowym warunkiem optymalizacji systemów. W optymalizacji produkcji odlewniczej duże n a- dzieje wiązane są z zastosowaniem zaawansowanych, opartych na numerycznej symu- 199

6 lacji, technik projektowania procesów technologicznych. Efektywne wykorzystanie oprogramowania symulacyjnego musi być poparte: dogłębną wiedzą o przebiegu elementarnych zjawisk kształtujących powstawanie odlewu w formie odlewniczej, szczegółową wiedzą o temperaturowych charakterystykach podstawowych parametrów termofizycznych stosowanych materiałów na odlewy i formy. Źródłem tej wiedzy mogą być odpowiednio zaprojektowane eksperymenty prowadzone w układach o prostej geometrii. W badaniach powinno się stosować mikroprocesorowe techniki wielokanałowej rejestracji i przetwarzania sygnałów pomiarowych. Przedstawiony w pracy mikroprocesorowy system pomiarowy został sprzętowo i programowo przystosowany do zastosowań w odlewniczych laboratoriach badawczych. Jako przykład zastosowania systemu przedstawiono rozwiązanie pozwalające śledzić przebieg skurczu liniowego odlewu i wywoływanych nim naprężeń zarówno w funkcji czasu, jak i temperatury badanego metalu. LITERATURA [1] Gawroński J. i in.: Profesor Stanisław Jura twórca teorii i zastosowań przemysłowych diagnostyki oraz zużycia metali i stopów, Archiwum Odlewnictwa, vol. 3, nr 16- wyd. specjalne, 2004, s [2] Pietrowski S. i in.: System komputerowy kontroli i sterowania jakością żeliwa z wykorzystaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, vol. 2, 2002, s [3] Pietrowski S. i in.: System komputerowy kontroli i sterowania jakością siluminów przeznaczonych na koła samochodowe, Archiwum Odlewnictwa, vol. 10, 2003, s [4] Mutwil J., Żygadło M: Mikrokomputerowy system do badania zjawisk i procesów odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. 20, nr 1, 2000, s SUMMARY IMPROVEMENT OF FOUNDRY PRODUCTION SYSTEMS BY RESEARCH DEVELOPMENT The significance of research development in improving of casting production systems has been discussed. A microcomputer measuring system for investigation of the foundry phenomena and processes has been described. The application of measuring system for examination of casting contraction and contraction stresses evolution has been described. Recenzował: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk 200