材料加工过程中的计算机控制

1、材料加工过程中的计算机控制材料科学与工程学院前前 言言l计算机应用已深入材料性能检测和加工过程控制l应用计算机可以 减轻劳动强度 改善产品质量和精度 提高产量金属材料加工与计算机模拟金属材料加工与计算机模拟1、金属材料加工包括铸造、锻造、压力加工、热处理及粉末冶金，其计算机模拟技术始于1970年代2、可实现电脑试生产、动态显示材料加工和制备工艺历程、预测缺陷、 优化工艺 优点：可预测产品的 质量，减少实验次数； 可确定最佳工艺流程，达到某一特殊性能的需要 动态显示各个物理量的演变历程和空间分布 提高劳动生产率带钢轧制工艺流程带钢轧制工艺流程热轧温度模型热轧温度模型 初轧机组初轧机组精轧机组精轧

2、机组例：大功率柴油机铸件的模拟仿真系统l该系统可进行铸造过程、流场、温度场的模拟； l 可用缩孔补缩率等判据功能预测铸造缺陷产生的部位和大小，并有X光透视功能。用它对不同的铸件，包括对砂型、金属型、低压铸造等方法生产的铸件进行模拟分析，取得了很好的效果。塑料加工中的计算机模拟塑料加工中的计算机模拟l 概述 塑料制品一般采用模塑成型方法生产； 计算机辅助设/制造（CAD/CAM）显著地提高了塑料模具的设计和制造的效率及质量，有效缩短了模具设计制造周期性； 继CAD和CAM之后，计算机辅助工程（CAE） 得到了快速发展。u CAE软件 塑料注射模拟软件：可对塑料注射成型过程的各 阶段进行定性、定量

3、描述； 注射流动充模过程模拟分析： 浇注系统分析是确定合理的浇道布置和尺寸、 浇口的数目和位置； 型腔充填分析可得到合理形状和尺寸、最佳的 注射压力、注射速率等工艺参数；计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）uCAD造型设计软件造型设计软件通用造型软件通用造型软件：适用于各种工业产品的造型设计；：适用于各种工业产品的造型设计； 专用造型软件专用造型软件：用于某一专用产品的造型设计；：用于某一专用产品的造型设计； AutoCAD 、 3DMAX、Pro-Engineer卫生陶瓷产品的设计与模具设计智能卫生陶瓷产品的设计与模具设计智能CAD系统系统 陶瓷产品陶瓷产品CAD集成系统集成系统计算机辅

4、助模具设计计算机辅助模具设计l模具是一种制造产品的工具，以其复杂的结构 形式完成零件的冲裁、弯曲、拉伸和成型加工；作为一个整体产品，模具的功能不是以单个零件来实现，而是由所有零件协同工作完成；l因此，模具的结构设计过程也是一个生成模具功能的装配过程 模具型腔的数控加工编程模具型腔的数控加工编程CAM技术的应用技术的应用刀柄型腔曲面刀柄型腔曲面CAD设计结果设计结果型腔中间较平坦，四周存在凹圆角，靠近两端处圆角半径只有R3左右。故数控加工时分粗、精加工。粗加工用直径12mm的球头刀，加工整个型腔。精加工用直径6mm的球头刀加工型腔两头的凹曲面。比R3更小的凹曲面只能用电火花加工。陶瓷工业热工设备

5、CAD系统开发及应用(以工业窑炉为例)设计方法 以最小厚度、最少费用、最小蓄热为目标函数， 对稳定传热和非稳定传热，边界条件为已知边界 温度或边界热流、对流辐射换热边界，初始条件 为已知界面温度的平壁和筒壁砌体标种类及厚度 进行优化设计，可计算砌体内温度分布、表面散 热、砌体蓄热、砌筑费用等。 设计方法1、 燃料燃烧温度及燃烧条件优化设计在满足某燃烧 温度条件下，计算 固、液、气体各种燃料所需空气量、产生烟气量、助燃预热温度、空气过剩系数等参数；2、 在满足抽力、上口烟气流速范围、高度下限、 标准上口内径等条件下，以最小高度为目标函数， 优化设计烟囱的高度及内径等尺寸。 原子原子/分子层次的计

6、算机模拟分子层次的计算机模拟u 模拟模型及方法： 蒙特卡罗(Monte Carlo)法 LMTO法 格林函数(Green Function)法 Car-Parrinello法(从头计算分子动力学法)晶粒粗化元胞自动机模型应用 不同时刻元胞自动机模拟的奥氏体晶粒粗化组织：（a）75 Sec，（b）225 Sec，（c）300 Sec，（d）375 Sec，（e）450 Sec，（f）525 Sec，（g）600 Sec和（h）675 Sec (a)(h)(g)(f)(e)(d)(c)(b)奥氏体铁素体相变混合控制理论中相界面的稳定性奥氏体铁素体相变混合控制理论中相界面的稳定性 (a) (b)采用

7、不同铁素体长大理论模拟的等温奥氏体铁素体相变组织：（a）混合控制理论，（b）扩散控制理论模拟结果显示，混合控制理论更适合描述真实的相变过程前前 言言 物化性能测试数据的采集、处理 加工过程自动控制（） 计算机辅助模具设计和制造 计算机辅助研究 材料加工过程的全面质量管理l计算机在材料加工中的应用大致分为以下几个方面计算机在材料加工中的应用大致分为以下几个方面6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础l生产过程现代化的标志之一生产过程自动控制l在材料加工过程中，其监视、控制、管理： 以前取决于：个人经验、体力 现在取决于：微型计算机、可编程控制器 对基本控制单元的控制：可编程控制器或微

8、型计算机 对复杂的生产线的控制：可编程控制器和微型计算机 6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础1、生产过程控制系统的发展: 人工控制系统 常规仪表控制系统 计算机控制系统（控制技术发展的必然趋势） 原始的生产过程控制人工控制系统 人的作用：检测元件、调节器、执行器 对工艺参数的检测：人的感官 对偏离程度的判断、决策：人的大脑 执行、调节：人 存在问题： 观察、判断能力不同，难以及时、准确控制 劳动强度大 一、计算机控制系统的概念一、计算机控制系统的概念6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础一、计算机控制系统的概念一、计算机控制系统的概念模拟控制常规仪表控制系统l过

9、程：l 测量元件对被控过程的被控变量进行测量l 变送器将被测参数变成电信号，反馈给调节器l 调节器比较反馈信号与设定值，有误差则产生控制信号，驱动执行器工作l特点：l 比人工控制系统有进步l 若被控参数增多，则二次仪表增多，会导致安装分散，不便于管理 2.计算机控制系统的基本原理及一般概念 用于工业生产过程控制的计算机系统是实时控制系统 实时检测：检测元件检测对被控参数瞬时值，然后通过外围 设备转换成计算机识别、接收的数字量送入主机 实时决策：主机将接收数字量同给定值处理，并将结果输出 实时控制：计算机根据结果发出指令，经外围设备换成模拟量作用于控制对象6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机

10、控制技术基础 按控制目的和控制方式，分为: (1)开环控制系统 (2)闭环控制系统 (3)分布式控制系统 (4)集散控制系统3.计算机控制系统的分类6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础开环控制系统（离线控制） 过程：主机通过一次仪表、信号变换器、A/D转换器对被控参 数进行检测，同预定值比较，输出结果。人员根据结果 决定控制方案，执行操作。 特点：计算机对参数进行检测和处理，但不直接对生产过程进 行控制，而是由人直接改变调节器的设定值或直接操作而是由人直接改变调节器的设定值或直接操作 执行机构。执行机构。生产过程生产过程计算机计算机显示打印显示打印计算结果计算结果原料原料产品产

11、品控制控制6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础闭环控制系统（在线控制） 过程：计算机通过检测元件对参数进行检测、分析、处理，在显示 和打印的同时，直接改变常直接改变常规调节器的给定值或操纵执行机构以控制生产过规调节器的给定值或操纵执行机构以控制生产过程。这种控制系统由计算机直接参与给定值整定程。这种控制系统由计算机直接参与给定值整定或控制。或控制。 特点：集检测仪表、控制器、执行器于一身 充分发挥计算机的作用，实时性强生产过程生产过程计算机计算机显示打印显示打印计算结果计算结果原料原料产品产品控制控制分布式控制系统：控制任务由若干台计算机承担 特点：控制功能分散 应用：大型企业

12、的生产与管理。集散控制系统：是以微处理器为基础的集中分散型控制系统，它将微型计算机、工业控制计算机、数据通信系统等结合起来，构成全新的控 制系统6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础 计算机工业控制系统是实现工业生产自动控制的强有力的工具，一般应具备以下基本功能： 1.模拟量参数的采集、转换及屏幕显示 2.模拟量参数的越限警报 3.被控参数的闭环自动控制 4.流量的累积计算 5.开关量输入信号的检测与各种开关量输出信号的控制 6.生产工艺流程图、被控参数的动态趋势曲线的屏幕显示 7.工艺参数的记录及打印 8.与上、下位机的通信二、计算机工业控制系统的基本功能二、计算机工业控制系统

13、的基本功能6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础微机工业控制系统组成：软件部分和硬件部分 软件部分：软件建立和依托在硬件的基础上，是 人的思维与机器硬件之间的桥梁 包括：系统软件 应用软件三、计算机工业控制系统的组成三、计算机工业控制系统的组成6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础硬件部分:由微型计算机、外部设备、外围设备、工业自 动化仪表和被控工业对象五个部分组成 外围设备：是计算机与生产过程之间联系的桥梁 功能：把工况参数转换成计算机能够识别、接受的代码 把主机的运算结果转换成改变生产过程的信号 外部设备：键盘、打印机、显示器等人机通信设备 主机：微处理器和内存

14、储器统称 功能:根据参数，进行信息处理、作出控制决策，发出命令 工业对象：与控制系统有关的工艺生产设备 工业自动化仪表：外围设备与控制对象间桥梁6.1 6.1 计算机控制技术基础计算机控制技术基础 用于计算机工业控制系统的计算包括： A)单片机 B)可编程序逻辑控制器 C)STD总线工业控制机 D)工业PC机 四、计算机工艺控制系统中计算机的分类 对于用作测控的计算机及其系统来说，有以下要求： 高可靠性: 可靠性-计算机控制系统能够无故障运行的能力 衡量标准-“平均故障间隔时间” 可维护性:日常维护时的方便程度，发生故障时尽量缩短故障时间 对环境的适应性: 控制的实时性和中断系统 硬件: 实时

15、时钟和优先级终端信息处理电路 软件:时钟管理、中断处理等程序、实时操作系统 完善的外围设备和指令系统 有正确反映生产过程规律的数字模型和完善的软件系统五、计算机控制系统的主要特点6.2 计算机控制系统的输入与输出 输入部分 包括：传感器、变送器及A/D转换等 输出部分 包括：D/A转换、信号调节器、控制执行器过程通道及数据采集过程通道及数据采集数字信号模拟量信号计算机计算机被控工业对象被控工业对象过程通道 采样及采采样及采样方式样方式tX（t）模拟信号模拟信号tX（t）离散模拟信号离散模拟信号T2T 3T 4T 5T 6T 7T采样采样tX（t）T2T 3T 4T5T6T 7T量化量化1010

16、110111101100100110001001 采样：采样：将连续时间的模拟量信号，按周期T采集后,输出为离散时间的数字量信号。 采样及采样方式采样及采样方式 采样方式 采样方式采样方式A. 延时采样：延时采样： 采用延时程序等待A/D转换完成。发启动发启动A/D转换信号转换信号延时等待延时等待A/D转换结束转换结束采样读取数据采样读取数据查询查询A/D 转换结束？转换结束？ 采样方式B. 查询采样：查询采样： 采用程序指令查询A/D转换器是否完成转换。 发启动发启动A/D转换信号转换信号采样读取数据采样读取数据否否等待等待 采样方式C. 中断方式：中断方式： 采用A/D转换后的信号送到I/

17、O接口，由I/O接口 向CPU发出中断请求，CPU响应中断时执行中断 服务子程序进行采样读取A/D转换后的数据。发启动发启动A/D转换信号转换信号等待中断等待中断A/D转换结束由接口发出中断请求转换结束由接口发出中断请求CPU响应中断执行响应中断执行中断服务程序采样中断服务程序采样6.2 6.2 计算机控制系统的输入与输出计算机控制系统的输入与输出 监测与转换术技：是自动监测技术和自动转换技术的总 称。 即从被检测的物理量中提取所需 要的信息，把这些非电量信号转换成 电信号传感器：是将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、 传送或控制的模 拟信号的器件，由敏感元件和部分 测量电路组成变送器：

18、在工业过程自动控制系统中，变送器对温度、压力 等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号。一、检测技术6.2 6.2 计算机控制系统的输入与输出计算机控制系统的输入与输出调节器 (1)作用:偏差信号作为输入量送入调节器，按一定规律运算后，给出输出信 号进行调解，以消除扰动的影响，使被调参数回到给定值 (2) 调节规律 比例:调节作用及时、但存在静态偏差 积分:能消除偏差，但作用缓慢 微分:不能克服静差，且输出只反映偏差输入的变化速度，对固定偏差不输出 (3)调节器组合 比例调节器 比例积分调节器 比例微分调节器 比例积分微分调节器执行器:接受调节器的控制信号，自动改变操作变量，达到对被调参数 进

19、行调节的目的。二、控制仪表与装置6.2 6.2 计算机控制系统的输入与输出计算机控制系统的输入与输出 过程通道:信息的传递和转换工作 输入过程通道 模拟量输入通道:核心部件A/D转换器 数字量输入通道 输出过程通道 模拟量输出通道 数字量输出通道计算机被控对象数字量模拟量数字量模拟量传递转换过程通道计算机接收和发出的是：由二进制代码表示的数字量信号从被控工业对象采集和直接作用于工业对象的信号为：模拟量信号6.3 6.3 材料加工的计算机控制材料加工的计算机控制注塑机：是一种重要的塑料成型方法，能一次成型外形复杂、尺寸精确的制品，并且加工过程容易实现自动化。 微机控制主要实现 (一) 顺序控制 (二) 过程控制 (三) 质量控制 (四) 集中管理、集中监视控制 (一)顺序控制：是指对注塑机的各种动作、位置控制 注射循环过程包括 主循环工序: 合模引料、充模、保压、倒流、凝封、冷却、开模 两个辅助工序 前处理：进料、预塑 后处理：制品的顶出 (二)过程控制 (1)温度控制:是注塑机上最重要的控制变量，常用热电偶作为温度传感器。 料筒及喷嘴温度:想要控制塑料的温度，实际测量、控制的是料筒温度。 模具温度影响:a塑料制品的表面光泽度 b注射成型后制品的内应力 (2)注射速度控制 (3)压力控制一、注塑机的计算机控制一、注塑机的计算机控制6.3 材料加工的计算