美国制造业利用快速的数据采集,以提高生产能力

为遍布全球的制造公司,寻求提高其产品质量,美国的研究人员已经利用HBM的数据采集设备,以确保国际竞争力。.

努力保持全球竞争力,美国制造业正在实施根本性的变化,都集中在设计和建造复杂,高度定制化,高品质的商品。全球需求意味着必须建立迅速,以满足不断变化的市场需求。制造商需要缩短产品开发周期,提高生产系统以及供应网络的灵活性和速度。这必须完成,同时减少任何能源的需求和对环境的影响。

美国制造业面临的一个重大挑战是能够准确地预测一个特定的进程和工作材料的最佳加工参数

美国国家标准与技术研究院(NIST)的已开发的先进的工艺计量方法和工具,以增加对现有的生产流程的科学认识

研究目标

这项研究计划目标是发展新的工业应用,这将加强美国的国际竞争力

已经开发出多个制造过程的关键工艺,但 NIST 感觉需要采用通用的计量方法

  • NIST已经一直在寻找共同的过程,包括更好地了解的温度材料性能,特别是在工具接口转换
  • 另一个重点是性能摩擦和振动,在制造过程中是考虑如何减少工具的影响。 

这些变化,要求人类在科学为基础进行建模,决策。 NIST的计划正在制定的基本测量标准和工具,以帮助美国制造商实现这种转变。

分离式霍普金森杆

作为研究NIST的一部分,其已开发精密工程分离式霍普金森杆 - 和快速加热能力相结合。该设备已被发达国家提供的材料属性的信息,以提高高速加工过程的有限元建模

NIST 分离式霍普金森杆 采用 两根 1.5 米长,直径 15 mm 的高强度钢杆,其安装在轴承上,以便存在其他方向的弯矩时,可以轴向滑动。这些称之为事件杆传输杆。另外,还有第三个杆 – 称之为撞击杆 – 采用同质钢制成。 但其长度更短。

圆柱形试样被固定在两个杆之间,并精确对中。以消除径向影响。这样就可以采用一维波理论 一个空气枪对着撞击杆,以不同速度开火。

撞击杆发送一个冲击波通过事件杆传输到试样上。当压力波到达试样时e, 在杆和试样之间的冲击差异将输入波分裂成两个部分。

第一部分是沿着事件杆反馈的拉伸波。第二部分是作为压缩波 - 快速并且永久地 – 使试样产生塑性变形。然后压缩波传输到传输杆上。 NIST 分列式霍普金森杆只会对试样产生塑性变形

NIST 分裂式霍普金森杆促进美国制造业对基于科学建模,决策,生产的转化。

脉冲加热

另外,NIST 设备配有可控的电阻加热系统,从另一方面了解测试样品的度量衡特性

加热系统原本开发用于测量金属在高温情况下的物理特性。例如金属融化的关键点。现在起被用于试样的预加热。

NIST 分列式霍普金森杆可以在一秒钟加热试样达到 1,000ºC,并在切断电流后维持数秒钟 

这种结合了预加热系统的 NIST 霍普金森杆能够使研究者了解加热速率和时间对试样产生的影响。,因此高速加工方式可以被模拟

尽管 脉冲加热速率 较目前高速机加工过程慢,但其比其他传统方法来得更为迅速。这样可以使应力测量更加高效,更少的时间了解很多微观结构,如退火,晶体生成和固态相变等。

数据采集的重要性

对于 NIST 分列式霍普金森杆来说,高性能的数据采集设备和数据分析 对于其来说是至关重要的。同时也为开发先进的度量衡方法和工具具有非常重要的意义。

一般来说,对于单种材料需要进行 5到 10次 测试,保证高重复性是非常重要的,才能进行不同测试数据的比较。此外,测试时破坏性的,样品非常薄,在测试中会产生永久变形。.

在设计中,系统设置了很多常量,确保所有相关的数据能够被正确地采集 并进行分析。因为在测试中时间间隔只有几毫米

解决方案: Genesis HighSpeed

为满足所有需求, NIST 开发了软件系统称之为 分列式霍普金森杆数据处理和分布系统 (PADS).

HBM Genesis HighSpeed 数据采集设备提供 分列式霍普金森杆到 PADS. HBM 能够满足  NIST 需求因为 Genesis HighSpeed 是一个 非常结实的 DAQ 系统 能够采集在测试中关键三个点的数据 –

  • 最初的压向冲击,
  • 反射压力波
  • 和随之产生的拉伸波 –

在非常短的时间范围内。HBM 能够为客户提供从传感器,应变片到数据采集的完整解决方案。.

HBM’s Genesis HighSpeed DAQ 特点是其可以再非常低的电压情况下精确记录,因为其采用了高速 A/D 转换板。对于只有数毫米的信号,数据采集系统需要非常高的频率响应。 一般来说,对于应变片数据采集系统需要 2 MHz 采集,而对于加热数据需要 100kHz。

应变片 是用于测量 NIST 分列式霍普金森杆 的标准技术。通常,两个应变片对称黏贴在杆的表面。 应变片安装在事件杆和传输杆的中点,采用一维波理论分析可以获取样品的对于应变的响应。应变片组成惠斯通电桥,通常产生的信号只有几毫伏。

两组应变片组成一个全桥电路。上游应变片有双重目的,其测量材料的应变和反射应变。下游应变片记录传输应变。

Genesis HighSpeed DAQ 另外一个优势是容易使用,软件容易根据应用进行修改。

HBM Genesis HighSpeed 数据采集技术在 NIST 试验中心。
高速摄像机用作试验一部分,以确保涉及 HBM Genesis HighSpeed 数据采集的视觉信息被记录

数据采集更容易

传统上,工程师采用静态,脚本语言,如 Fortran 或 Matlab 进行测量。但是 Genesis HighSpeed 和 HBM 相关软件 具有非常优秀的图形化界面,操作更容易。

同时,工程师需要进行测试和分析数据获取有意义的数据。但是, HBM 提供一个数据库存储原始数据,并实时处理。采用 Genesis HighSpeed 设备,意味着数据可以通过网络或通过独立计算机都可以完成。

一个有用的案例是 Data PADS, 交互性重新计算 应力/应变 关系 和其他数据曲线,并存储原始数据,描述应变数据如何被处理。NIST 开发的 PADS 包括一个存储高速视频的 数据库, 热敏相机视频, 高速发射数据,以及技术文档和相关信息。并且软件可以有多个用户,用于不同的测试任务,并采用不同的配置。

除了一维数据,例如标定常数和测试条件, NIST 分列式霍普金森杆产生多种 二维数据,例如,电流,温度,发射和应变数据 vs. 时间. 三维数据例如热图像和可见光图像 vs. 时间。

结论

采用 NIST 分裂式霍普金森杆已经开始模拟切削过程,如切削形成,极端压力和温度条件下道具和工件之间的相互作用。在产生大的塑性变形,大应变等地方,具有非常重要的意义。

一些材料,高速切割过程中,接近融化点。建模和仿真已经取得了明显的进展。 NIST 分离式霍普金森杆可以明显地提高材料特性,提高精度和可靠性以及模拟设备加工过程。

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