مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

F1814

3 کاربران نهایی
کاربران نهایی, همه کسانی هستند که می توانند MES مبتنی بر ابر را تحت تأثیر قرار دهند و استفاده نمایند, که این افراد معمولاً کارگران و مدیران کارگاه می باشند. مدیران کارگاه, ابزارها و محیط های دیگری دارند که می توانند برای ایجاد تغییرات و بهبود عملکرد کارگاه استفاده شوند. مدیران, توانایی اضافه کردن شغل های جدید به لیست کار و ویرایش شغل های موجود را دارند. مدیران همچنین می توانند شاخص های تجزیه و تحلیل عملکرد را برای جنبه های مختلف فرایند تولید مشاهده کنند. اعضای اجرایی شرکت می توانند از گزارش های عملکرد ایجاد شده توسط MES برای درک روندها در تولید استفاده کنند که می توانند برای شکل دادن به آینده شرکت استفاده کنند. کارمندان در بخش مالی, از دیگر سیستم های فناوری اطلاعات مانند نرم افزار برنامه ریزی منابع سازمانی استفاده می کنند که برای کنترل منابع شرکت، کاهش هزینه و افزایش بهره وری استفاده می شوند. یک MES مبتنی بر ابر به راحتی می تواند با دیگر سیستم های فناوری اطلاعات هماهنگ شود و ارتباطات را در یک شرکت افزایش دهد.

3. خدمات کلیدی
3.1 میان افزارRFID
میان افزارRFID, یکی از مهمترین ویژگی های MES است. مسئولیت خدمات است که داده های خام و ارتباطات بین دستگاه ها را مدیریت می کند. دو ویژگی کلیدی با این سرویس مرتبط هستند – جمع آوری / کسب داده ها و مدیریت نگهداری. مدیریت نگهداری در این مقاله مورد بحث قرار نخواهد گرفت، زیرا هنوز پیاده سازی نشده است.
جمع آوری داده ها برای پیاده سازی مناسب سیستم های اجرای ساخت و تولید ضروری است. سبک سنتی کاغذ سازی عملیات ها، اغلب در معرض خطا قرار دارند و در میان چیزهای دیگر, قادر به مقابله با فروشگاه های دینامیک نیستند. این مشکلات به طور عمده به دلیل جمع آوری بی موقع اطلاعاتی رخ می دهند که می توانند از طریق استقرار مناسب از دستگاه های هوشمند مبتنی بر RFID مانند کارگران، ماشین آلات و منابع بوجود می آیند. شکل 1 نشان می دهد که چگونه برنامه گوشی هوشمند، شکاف اتصال بین دستگاه های RFID و Cloud MES را پر می کند. استفاده مناسب از این مقوله در مراحل کلیدی، به روزسازی غالب داده ها را میسر می سازد و از جمله چیزهای دیگر، شناخت مکان و وضعیت را میسر می سازد. هنگامی که این داده ها جمع آوری می شود، به صورت اطلاعاتی سازماندهی می شود که می توانند مورد استفاده قرار گیرند تا بازخورد مناسب قابل ارسال باشد. با توجه به ماهیت RFID، بسیاری از اقدامات امنیتی برای جلوگیری از از دست رفتن اطلاعات باید انجام شوند.3.2سرویس برنامه ریزی و زمان بندی
خدمات (سرویس های) برنامه ریزی و زمان بندی, راهنمایی مناسب در مورد بهینه سازی فرآیندها و عملیات ها را ارائه می دهد. این سرویس به دو ویژگی می پردازد – مدیریت فرآیند و عملیات ها و زمان بندی دقیق. مدیریت فرآیند, روش مورداستفاده برای تعریف فرآیند است که مواد خام باید تحت آن قرار گیرند تا به محصول نهایی تبدیل شوند. در حالیکه عملیات و زمان بندی دقیق برای تعیین زمان و میزان طویل بودن فرآیند مورد استفاده قرار می گیرد.
هنگامی که کارها ثبت می شوند، مدیران, اطلاعاتی مانند اولویت، اهمیت، فرآیند ماشینکاری برای استفاده و غیره را وارد می کنند. سپس سرویس میان افزار، این داده ها را جمع آوری و سازماندهی می کند تا روش بهینه را بتوان محاسبه کرد. این سرویس را می توان برای هر نمونه با استفاده از مجموعه ای از قوانین یا منطق حاکم توسط پارامترهای ورودی و همچنین داده های زمان واقعی فرموله نمود. هنگامی که روش فرایند شناخته شده باشد، عملیات ها و زمانبندی مفصل را می توان تولید نمود و به کارگران ارسال کرد. این کار با در نظر گرفتن محدودیت های از قبیل تاریخ های تعیین شده، توسط مشتریان یا در غیر این صورت و تنظیم خودکار برنامه های زمان بندی فعلی و آینده صورت خواهد گرفت.
3.3. دید در زمان واقعی و ردیابی
هدف از این سرویس, فراهم نمودن بهبود در تبادل اطلاعات برای تصمیم گیری مربوط به برنامه ریزی و کنترل زمان واقعی مواد است. برای رسیدن به موفقیت, باید چندین گام برداشته شوند. این کار شامل جمع آوری به موقع داده های به موقع و تفسیر مفید و بازخورد اطلاعات می باشد.
جمع آوری به موقع داده ها توسط سرویس میان افزار مدیریت می شود و با کمک استقرار مناسب برچسب های RFID صورت می گیرد. اطلاعات سازمان یافته جمع آوری شده توسط این برنامه برای ایجاد اطلاعات معنی دار استفاده می شود که می توانند به صورت گرافیکی صفحه نمایش داده شوند. مدیران یا سایر کاربران مجاز می توانند وضعیت فعلی طبقه کارگاه را ببینند، تخصیص منابع، سطوح موجودی، عملکرد کارگران و غیره را برای اطمینان از اینکه هر تصمیمی می تواند بر مبنای زمان واقعی گرفته شود, را ردیابی یا ویرایش نماید.

4. یک مطالعه موردی
4.1 درباره این مورد
مطالعه موردی انتخاب شده, یک شرکت ساختگی است که جواهرات را با استفاده از منابع منحصر به نیوزلند و میراث آن تولید می کند. کارگران در این شرکت, جواهرسازانی باتجربه هستند که به ندرت نیاز به پیگیری یک برگه دستورالعمل دارند. این کارگران ممکن است در برخی از مواد و تکنیک ها متخصص باشند اما می توانند هر کاری را انجام دهند. سپس جواهرات تولید شده به چند فروشگاه خرده فروشی در سراسر کشور عرضه می شود. این فروشگاه ها عموماً سفارشات بزرگ را برای محصول ها مختلفی که دارای مهلت بلند مدت هستند قرار می دهند. این شرکت در یک منطقه گردشگری برجسته قرار گرفته است و مشتریان اغلب در مورد جواهراتی که می توانند به طور سفارشی ساخته شوند, پرس و جو می کنند. سفارشات سفارشی-ساخت عموماً دارای مهلت کوتاه تری هستند و تفاوت در مهلت به این معنی است که برخی از وظایف به طور قابل توجهی بر لیست کار در مقایسه با سایر وظایف تاثیر می گذارند. این مطالعه موردی یک مثال عالی از تولید سفارشی مقیاس کوچک را فراهم می کند.
این شرکت از سه منبع اصلی برای کاتالوگ طلا و جواهر خود استفاده می کند – جید / سبز سنگ، پووا پاوا و نقره. از آنجا که هر یک از این مواد دارای ویژگی های منحصر به فرد هستند، دستگاه های مختلفی برای اطمینان از کار دقیق و با کیفیت به طور مداوم مورد استفاده قرار می گیرند. هر نوع جواهرات نیز دارای فرایند تولید متفاوت است که تا اتمام آن پیگیری خواهد شد.

فرایند ساخت گوشواره های نقره ای معمولاً با نورد کردن نقره به صورت ورقه ها شروع می شود که سپس آماده برش لیزری می باشند (شکل 2). حلقه های نقره ای تماماً در محل در یک کوره تولید می شوند. این کار با دستکاری دستی یک نسخه مومی آغاز می شود که برای خلق یک قالب لاستیکی قابل استفاده مجدد شروع می شود. قالب برای ایجاد نسخه مومی که یک جزء کلیدی در ریخته گری موم توخالی است مورد استفاده قرار می گیرد. سپس جاهای خالی موم با یک گچ مقاوم در برابر حرارت پوشیده می شوند و هنگامی که تنظیم شده باشد, نقره مذاب در آن ریخته می شود. نقره ذوب شده, موم را ذوب می کند و جای آن را می گیرد. هنگامی که قالب سرد شده باشد، گچ شکسته می شود و حلقه نقره ای بر جای می ماند.
مواد پوسته Paua در حالت خام تحویل داده می شوند. Paua دارای یک مقیاس سخت است که باید برداشته شود تا لایه های جاذب زیرین در معرض قرار گیرد. پس از آن کارگران Paua را در اندازه های مناسب برای کار برش می دهند و سپس حکاکی آنها را به شکل دلخواه شروع می کنند. به همین ترتیب، سنگ سبز (یشم) در مقاطع بزرگ تحویل داده می شود که قبل از برش و شکل دادن به سنگ, باید در اندازه مناسب برش داده شود.
یک روز نرمال در این شرکت را بدون RT-MES به عنوان مورد پایه در نظر بگیرید. کارگران با کارهای موجود شروع می کنند که از روز قبل تکمیل نشده اند. سیستم فعلی کارکنان یک محصول واحد را از ابتدا تا انتها ایجاد می کند و مواد اولیه را به اشکال قابل کنترل تبدیل می کند. علاوه بر این، مشتریان در طول روز آنها را دریافت می کنند. هر مشتری دارای الزامات و طرح های خاص خود است که بر روی فرم های کاغذی نوشته شده اند. سپس آنها به صورت دستی وارد سیستم می شوند و برنامه های شغلی به صورت دستی براساس مهارت های کارگر اختصاص می یابد.
مشكل فعلی كه شركت با آن مواجه هستند، یک روش نامناسب برای ردیابی منابع مورد استفاده و زمان است. این شرکت همچنین به یک روش بهینه سازی فهرست کار برای هر کارگر و توانایی پیگیری منابع مختلف را در زمان واقعی نیاز دارد. علاوه بر این، این شرکت در تلاش است تا با کاهش مصرف کاغذ خود، میزان رد پای کربن را کاهش دهد.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

فشار یکنواخت p0 = 1MPa بر روی کل سطح هر پوسته‌ی بیضوی کاسینی اعمال شده است. در این مورد، مقدار اختصاصی حاصل از تجزیه و تحلیل انشعابی الاستیک خطی به طور مستقیم با بار کمانش خطی مطابقت دارد، در حالی که مقدار طول قوس حاصل از تجزیه و تحلیل غیر خطی الاستیک برابر بار بار کمانش غیرخطی است. سه نقطه فضایی برای هر یک از مدل‌ها برای جلوگیری از حرکات بدنه‌ی صلب، که همانند CCS2013 [28] به صورت زیر است: Uy = Uz = 0، Ux = Uy = 0، Uy = Uz = 0. این شرایط مرزی منجر به محدودیت بیش از حد به علت فشار یکنواخت اعمال شده، نشد.

علاوه بر این، برای تجزیه و تحلیل غیر خطی الاستیک، حالت‌ خاص به دست آمده از تجزیه و تحلیل الاستیک خطی انشعابی مربوط به مدل کامل، ارائه شده است، که به طور گسترده برای ارزیابی محافظه کارانه‌ی ظرفیت حمل بار از پوسته‌ی دورانی در مرحله طراحی اولیه مورد استفاده قرار گرفته است [ 27، 29]. نسبت عیوب به نسبت ضخامت دیوار، 0.4 بود. جدول 1 و شکل 2 و 3 نتایج حاصل از محاسبات عددی را ارائه می‌دهد.

3. نتایج و بحث
3.1 تجزیه و تحلیل انشعاب الاستیک خطی
رفتار کمانش الاستیک خطی پوسته‌های بیضوی کاسینی اساساً تحت تاثیر شاخص شکل، kc قرار می‌گیرد. همانطور که در جدول 1 و 2 نشان داده شده است، بار کمانش خطی، pLBA، برای اولین بار به صورت یکنواخت با افزایش شاخص شکل به علت کاهش انحنای اوجی (نصف النهاری) کاهش می‌یابد. این مشاهدات شبیه به مطالعات قبلی انجام شده در مورد کمانش پوسته‌های بیضوی کاسینی در محدوده 0.9kc ≤ ≤ 0.6 است [6]. به طور قابل توجهی پس از یک نقطه‌ی عطف (kc = 0.9)، افزایش قابل توجهی در بار کمانش دیده می‌شود، احتمالا به این دلیل است که رفتار کمانش پوسته‌های بیضوی کاسینی در این محدوده عمدتاً توسط دو پوسته کوچک متقارن تعیین می‌شود. انحنای مریدین این پوسته‌های کوچک به سرعت با شاخص شکل افزایش می‌یابد. با این وجود، برخی از نوسانات بار کمانش مشاهده شد، احتمالاً به دلیل انحنای گاوس منفی وسط ناحیه‌ی اتقال که دو پوسته کوچک را به هم متصل می‌کرد، بود. نوسانات مقایسه‌ا‌ی نیز در یک مطالعه‌ی قبلی یافت شد [6].

حالت کمانش خطی پوسته‌های بیضوی کاسینی در محدوده 0.9kc < ≤ 0 یکسان بود و شکل تعدادی از امواج پیرامونی (n) همراه با یک نیم موج طولی (m = 1) که برای پوسته‌ی مدور با انحنای گاوس مثبت معمول است [15،24]. حالت های خمشی خطی در محدوده kc ≤ 0.92 ≤ 0.9 در شکل دو موج پیرامونی و یک نیم موج طولی بود. پس از این محدوده، حالت‌های کمانش خطی پوسته‌های بیضی کاسینی، به حالت‌های خمشی خطی دو پوسته کوچک متقارن، هر کدام با انحنای مثبت گاوس، تبدیل می‌شوند. هرچقدر مقدار بار کمانش خطی بیشتر باشد، تعداد امواج پیرامونی بیشتر خواهد بود. هرچه انحنای اوجی (نصف النهاری) بیشتر باشد، تعداد امواج پیرامونی بیشتر خواهد بود.

3.2 تجزیه و تحلیل الاستیک غیر خطی به صورت هندسی با نواقصی که شامل می‌شود.
با توجه به تجزیه و تحلیل خطی الاستیک، شاخص شکل، kc، عیوب پوسته‌های بیضوی کاسینی عمدتاً تحت تاثیر رفتارهای انعطاف پذیری غیر خطی خود قرار می‌گیرند. همانطور که در جدول 1 و شکل 2 نشان داده شده است، رابطه‌ی بین بار کمانش بحرانی، pGNIA و شاخص شکل تقریبا مشابه با رابطه‌ی مربوط به پوسته‌های بیضی کاسینی، به جز مورد kc = 0.1 است. این استثنا بعدا در این قسمت شرح داده شده است. برای 0≤kc ≤ 0.8، نسبت بار بحرانی کمانش، pGNIA، به بار کمانش خطی، pLBA، به طور قابل توجهی با شاخص شکل افزایش یافت. این نشان می‌دهد که هرچه شاخص شكل بالاتر باشد، حساسیت نسبت به انحراف شکل بار کمانش بحرانی کمتر است. با این حال، برای kc> 0.8، هیچ ارتباط آشکاری میان بار کمانش بحرانی و شاخص شکل وجود ندارد، زیرا رفتار کمانش پوسته‌های بیضوی کاسینی در این محدوده به شدت تحت تاثیر هندسه مناطق میانی آنها همراه با نقایص پیچیده‌ای از حالت خاص است.

مسیرهای تعادل ناقص پوسته‌های بیضوی کاسینی که به عنوان بار اعمال شده، p و نسبت ضریب نفوذ به دیوار حداکثر umax / t، نشان می‌دهد که آیا ساختار پس از نقطه بحرانی پایدار است یا نه.
به طور مشخص، طبق جدول 1 و شکل 2، بار کمانش بحرانی پوسته‌ی تقریباً کروی با (kc = 0.1) تقریبا 5.5٪ بالاتر از پوسته کروی با (kc = 0) بود، با آنکه بارگذاری بار کمانش خطی آن نسبت به پوسته کروی کمی کمتر بود. این ممکن است به دلیل این واقعیت باشد که پوسته‌ی تقریباً کروی با یک هندسه کمی نامتقارن نسبت به پوسته کروی با هندسه کاملا متقارن به عیوب شکلی، کمتر حساس است. علاوه بر این، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده، شعاع اوجی (نصف النهاری) در منطقه میانی (استوا) پوسته‌ی تقریبا کروی (kc = 0.1) کمی بیشتر از شعاع پوسته کروی بود (180 میلی متر)، در حالی که شعاع اوجی (نصف النهاری) در منطقه‌ی باقی مانده، و همچنین شعاع پیرامونی در تمام محدوده، کمتر از 180 میلی متر بود. برای تایید این پدیده‌ی قابل توجه، چهار ضخامت نسبتاً ضخیم برای اندازه ضخامت دیواره، یعنی 0.1، 0.2، 0.3 و 0.4، برای کمانش پوسته‌های تقریبا کروی و کروی مورد بررسی قرار گرفت. نسبت محور اصلی، a به محور کوچک، b، با افزایش ابعاد عیوب نسبت به ضخامت دیواره (مقدار ضمنی در ستون 6 جدول 2) افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد که یک پوسته کروی تقریباً کامل با اندازه‌ی عیوب کوچک نسبت به ضخامت دیواره، تقریبا به شکل دایره‌ی محلی از هم گسیخته می‌شود. مقدار پرانتز در ستون آخر جدول 2 نشان می‌دهد که شعاع معادل پیش بینی شده یک دندانه محلی، ، تطابق خوبی با شعاع r به دست آمده از معادله تجربی دارد [32]:

جایی که R0 شعاع پوسته کروی، و H عمق دندانه‌ی محلی به دست آمده از نتایج عددی، a محور اصلی محور دندانه و b محور جزئی است.
به نظر می‌رسد که که یک پوسته‌ی بیضوی کاسینی با kc = 0.1 را می‌توان در شرایط مختلف مهندسی مانند تانک‌های زیر آب و پوسته‌های کم عمق زیردریایی و کپسول‌های مصنوعی تحت فشار خارجی استفاده کرد. در چنین شرایطی، پوسته‌های جدار نازک که به ناچار دارای نقایص کوچک هستند اغلب طراحی شده‌اند تا به همان اندازه که ممکن است مقاومت کنند؛ کمانش ممکن است عامل تأثیرگذار اصلی در چنین طرح‌هایی باشد. علاوه بر این ممکن است تصور شود که بسیاری از موجودات طبیعی کروی مانند سلول‌های زیستی [34،35]، دانه‌های گرده [36،37] و کپسول‌های ویروسی [2،38] ممکن است پیکربندی تقریبا کروی داشته باشند؛ پوسته‌ی بیضوی کاسینی با شاخص‌های بسیار کوچک شکل است که می‌تواند بارهای زیاد و قابل ملاحظه‌ای و گسیختگی در محدوده‌ی الاستیک را پشتیبانی کند. این فرض نیاز به اعتبار بیشتری دارد.

3.3 آزمایش
برای اینکه اثربخشی kc = 0.1 پوسته‌ی بیضوی کاسینی به صورت آزمایشی بررسی شود، شش مقیاس مدل آزمایشگاهی به طور آزمایشی در این بخش ساخته، اندازه گیری و آزمایش شده بود. سه تای آنها به طور اسمی دارای kc = 0.1 پوسته بیضوی کاسینی یکسان بودند، دیگران به طور اسمی دارای kc = 0 پوسته‌های بیضوی کاسینی (پوسته‌های کروی) یکسان بودند. اندازه اسمی آنها در سه ردیف اول جدول 1 ذکر شده است.
پوسته‌ها در راستای محور دوران از طریق نمایش لایتوگرافی استریو (SLA) ساخته شده بود که بر اساس مدل‌های سه بعدی CAD با هندسه‌ی کامل بود. همه آنها در سازه‌ی مشابه ساخته شده بودند. برای اطمینان از پایان سطح بهتر، یک نقطه پشتیبانی خوب استفاده شد. به منظور رهایی از از تکیه گاه درون پوسته‌ها پس از ساخت، خلاص شدن از دو سوراخ دایره‌ای (2α = 8°) با شعاع 6.75 میلی متر در دو قطب برای هر مدل طراحی شده است، نمونه‌ای از پوسته‌ی بیضوی کاسینی در شکل 6 (a) نشان داده شده است. رزین حساس به نور برای ساخت پوسته استفاده شده است که دارای مدول یانگ E = 2510MPa، نسبت پواسون μ1 = 0.41، استحکام کششی 33 مگاپاسکال و چگالی جرمی 1130 کیلوگرم در متر مکعب است.

پس از اندازه گیری، هر سوراخ با استفاده از کلاهک کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن به شدت تحت پوشش قرار گرفت و تقویت شد. این نوع ماده کامپوزیت بسیار قوی تر از رزین حساس به نور بود. ضخامت دیواره‌ی کلاهک‌ها حدود 2 میلیمتر است و زاویه قوس 2β = 37 درجه، نمونه‌ای از kc = 0 پوسته‌ی بیضوی کاسینی در شکل 6 (b) نشان داده شده است. در این حالت، آب نمی‌تواند داخل پوسته‌ها شود و اثر سوراخ‌ها روی کمانش پوسته در طی آزمایش، به حداقل رسیده است. پس از هر آزمایش، هر پوسته‌ی گسیخته شده از مخزن تحت فشار بیرون آورده می‌شود. سپس، پوسته‌ها به آرامی در یک مخزن تحت فشار قرار گرفتند. این مخزن دارای قطر داخلی 200 میلی متر، طول کل 1000 میلیمتر، فشار حداکثر 20 مگاپاسکال و از آب به عنوان عامل فشار استفاده شده بود. فشار داخل مخزن با استفاده از یک مبدل فشار ثبت شده و توسط یک پمپ دستی کنترل می‌شود. تمام پوسته‌ها به طور ناگهانی با یک کاهش ناگهانی فشار، از هم گسیخته شدند. ضخامت دیواره هر پوسته با گیج میکرومتر اندازه گیری شد. نتایج آزمایش و اندازه گیری در جدول 3 و 8 نشان داده شده است، که تکرارپذیری قابل قبول آزمایشات را نشان می‌دهد.

روشهای مدلسازی و مانیتورینگ برای داده های فضایی و تصویری

Modeling and monitoring methods for spatial and image data

چکیده
مقدمه
مدلسازی و مانیتورینگ کیفیت محصول:ترکیب شکل های سطحی و داده های چندسنجشگری
مدلسازی و مانیتورینگ شکل محصول: چالشهای اصلی و راه حلهای ممکن
ترکیب داده های چندسنجشگری
رهنمودهای آتی در مدلسازی داده های محصول
مدلسازی و مانیتورینگ سیگنال پروسه و داده های تصویری: چالشهای اصلی و راه حل ممکن
سنجش in situ از طریق تحلیل داده های ویدئویی-تصویری در ساخت افزوده
نتیجه گیری ها

چکیده
تحلیل کامپیوتری داده ها به روش سنجش هوشمند باعث تغییر پارادایم در آمار صنعت شده است که در بخش تولید گسسته بکار می رود. فناوریهای نوظهوری (مانند تولید افزوده، تولید در سطح خرد) همراه با راه حل های بازرسی نوین (مانند سیستم های غیرتماسی، توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس) و سنجشگرها با سرعت بالا و چندرشته ای (مانند ویدئوها و تصاویر، سیگنالهای آکوستیک، حرارتی، برق و فشار) برای نسل جدید داده های کلان صنعت راه را هموار کرده اند که به روشهای مدلسازی و مانیتورینگ نوینی برای تولید با نقص سطح صفر می باشد. در این مقاله که از مسائل صنعتی واقعی شروع به بحث می کند، برخی چالشهای اصلی که بخشهای صنعت مربوطه با آن مواجه اند مورد بحث قرار می گیرد. در این مقاله بویژه راه حل های پایدار و مسائل مطرح آتی توضیح داده می شوند.

1- مقدمه
هوشمندی و قابلیت دسترسی به کلان داده ها بنا به اتفاق نظری گسترده به محرک های فناوری انقلاب صنعتی چهارم یعنی Industry 4.0 تبدیل شده اند. همانند کلیه انقلابهای صنعتی قبلی، محرک چهارمین انقلاب صنعتی همان نوآوری های فناوری بوده است. نیروهای محرک انقلاب صنعتی اول همان تولید مکانیکی با قدرت آب و بخار بودند، الکتریسیته و خطوط مونتاژ انقلاب صنعتی دوم را بوجود آوردند، و ورود کامپیوترها برای اهداف اتوماسیون باعث تسهیل پیدایش انقلاب صنعتی سوم گردید. پیشرفتهای بینظیر درباره حجم داده ها، قدرت محاسباتی با کامپیوتر و ارتباطات کامپیوتری، شکل های جدیدی از تعاملات انسان با ماشین از طریق واقعیت افزوده، و پیشرفتهای نوظهور در زمینه علوم روباتیک و چاپ سه بعدی باعث هموارسازی راهی به سوی نسل جدیدتولید دیجیتالی در انقلاب صنعتی چهارم شده است(Brettel, et al, 2014; Baur and Wee, 2015).
انقلاب صنعتی چهارم دربرگیرنده پیشرفتهای فناوری متفاوت گوناگونی می باشد (Rüßmann et al., 2015، شکل 2)، که به رویکردهای نوینی برای تحلیل داده ها نیازمند است (Lee, Bagheri and Kao, 2014 and 2015; Jazdi, 2014; Wang, Törngren and Onori, 2015). درکل، افزایش حجم داده ها، تنوع و سرعت آنها (یعنی چارچوب کلان داده ها) دربرگیرنده چالشهای متعددی برای آماردانان صنعت و مهندسان کیفیت می باشد (Steinberg, 2016; Megahed and Jones-Farmer , 2015; Jones-Farmer, Ezell and Hazen, 2014). برای مثال، سیستم های سایبرفیزیکی اتصالی بالا (Lee, Bagheri and Kao, 2014 and 2015; Jazdi, 2014; Wang, Törngren and Onori, 2015) مبین رشته های متعدد داده های واقعی و مجازی می باشند که باید به طور مناسبی با هم ترکیب شده و تحلیل بشوند. اینترنت سایبر-امنیتی و صنعتی برای کارها (Wells et al. 2014, Turner et al., 2015) نیازمند شیوه های جدید مانیتورینگ ابر داده ها و بهینه سازی آنهاست (Aceto et al., 2015). سنجش فراگیر پروسه ها و عملگرهای صنعت (برای طراحی صفحه کاربری های مشترک انسان-ماشین) به حجم عظیمی از داده های تصویری و سیگنال منجر می شود که باید به نحو مناسبی تحت بررسی قرار گیرد.
بحث درباره کلیه تاثیرات انقلاب صنعتی چهارم درباره مدلسازی داده های صنعت، مانیتورینگ و کنترل آنها خارج از بحث این مقاله است. در این مقاله، چالشها و فرصتهای مربوط به مدلسازی و مانیتورینگ داده های کیفیت در محصولات مکانیکی با ارزش افزوده بالا مورد توجه قرار می گیرد. ازا ینرو، بخشهای صنعت مانند هوافضا، خودروسازی، ابزارسازی، و تولید ابزارهای ماشین آلات به طور تخصصی درنظر گرفته می شوند. بعلاوه، به مرحله تولید در زمان عمر این محصولات بطور تخصصی توجه می شود.
در سرتاسر مقاله، مسائل صنعت واقعی به عنوان نمونه های انگیزشی به طور تخصصی مطرح می گردد. همچنین، توجه ویژه ای به برخی پروسه های جدید تولید (چاپ سه بعدی یا تولید افزوده –AM) و راه حل های جدید مترولوژی حجمی و ابعادی (یعنی سنجشگرهای مترولوژی غیرتماسی، ویدئوهای با سرعت بالا، توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس-CT) مبذول خواهد شد.
برای ساده سازی مطالب، این بحث را در دو بخش اصلی سازماندهی می کنیم. اولین بخش متمرکز بر خصوصیات کیفیت راجع به محصولات است درحالیکه دومین بخش راجع به داده های پروسه است. به طور خلاصه، ما درباره شیوه های مدلسازی و مانیتورینگ محصول و داده های کیفیت پروسه به طور جداگانه بحث خواهیم کرد. تفکیک مطالب به این شکل حالت ساختگی دارد چون معمولا از دست اندرکاران صنعت خواسته می شود که در آن واحد با رشته داده های محصول و نیز پروسه مواجه شوند و این دو منبع اطلاعاتی را بهم متصل کنند تا بتوانند اقدامات مناسبی را برای پیشبرد پروسه به سمت تولید با نقص سطح صفر تعیین نمایند.
این دو بخش با ساختار مشابهی سازماندهی شده است. اول از همه، زمینه صنعت و برخی مثالهای انگیزشی مطرح می شود. بعد از آن، راه حل های موجود برای مدلسازی و مانیتورینگ داده ها به طور مختصری توضیح داده می شود. سرانجام، رهنمودهایی برای تحقیقات آتی در قسمت نتیجه گیری ارائه خواهد شد.

Abstract

Intelligent sensing and computerized data analysis are inducing a paradigm shift in industrial statistics applied to discrete part manufacturing. Emerging technologies (e.g., additive manufacturing, micro-manufacturing) combined with new inspection solutions (e.g., non-contact systems, X-ray computer tomography) and fast multistream high-speed sensors (e.g., videos and images; acoustic, thermic, power and pressure signals) are paving the way for a new generation of industrial big-data requiring novel modeling and monitoring approaches for zero-defect manufacturing. Starting from real industrial problems, some of the main challenges to be faced in relevant industrial sectors are discussed. Viable solutions and future open issues are specifically outlined.

1- Introduction

There is a widespread consensus that smartness and big data availability are technological drivers of the fourth industrial revolution, i.e., Industry 4.0. As in all previous revolutions, the fourth is driven by technological innovations. Water- and steam-powered mechanical manufacturing were driving forces for Industry 1.0; electricity and assembly lines drove Industry 2.0; and the introduction of computers for automation purposes catalyzed Industry 3.0. Unrivaled advances in data volumes, computational power and connectivity; new forms of human-machine interactions via augmented reality; and emerging advance in robotics and 3D printing are paving the way to the new generation of digital production in Industry 4.0. (Brettel, et al, 2014; Baur and Wee, 2015).

Industry 4.0 involves many different technological advances (Rüßmann et al., 2015, Figure 2), which require novel approaches for data analysis (Lee, Bagheri and Kao, 2014 and 2015; Jazdi, 2014; Wang, Törngren and Onori, 2015). Overall, the increase of data volume, variety and velocity (i.e., the ―big data‖ framework) poses several challenges for industrial statisticians and quality engineers (Steinberg, 2016; Megahed and Jones-Farmer , 2015; Jones-Farmer, Ezell and Hazen, 2014). For example, the highly interconnected cyber-physical systems (Lee, Bagheri and Kao, 2014 and 2015; Jazdi, 2014; Wang, Törngren and Onori, 2015) imply multiple streams of real and virtual data that have to be appropriately fused and analyzed. Cyber-security and industrial internet of things (Wells et al. 2014, Turner et al., 2015) ask for new approaches for data cloud monitoring and optimization (Aceto et al., 2015). Pervasive sensing of industrial processes and operators (to design machine-human interfaces) causes a huge amount of image and signal data that have to be appropriately studied.

Discussing all the effects of Industry 4.0 on industrial data modeling, monitoring and control is out of this paper scope. In this paper, the attention will be limited to challenges and opportunities in modeling and monitoring quality data of high-value-added mechanical products. Therefore, industrial sectors as the aerospace, automotive, tooling and machine-tools production will be specifically targeted. Furthermore, attention will be specifically devoted to the manufacturing stage of these products’ lifetime.

Throughout the paper, real industrial problems will be specifically introduced as motivating examples. Special attention will be devoted to some emerging manufacturing processes (3D printing or additive manufacturing – AM) and new dimensional and volumetric metrology solutions (i.e., non-contact metrology sensors, high-speed videos, X-ray computer tomography – CT).

For the sake of simplicity, the discussion will be organized in two main sections. The first will focus on quality features concerning products, while the second section will concern process data. In short, we will discuss approaches for modeling and monitoring product and process quality data, separately. This distinction is clearly artificial, as industrial practitioners are usually asked to face both the product and process data streams at the same time and link these two sources of information to define appropriate actions to drive the process toward zero-defect manufacturing.

The two sections will be organized following a similar structure. The industrial background and some motivating examples will be firstly introduced. Then, existing solutions for data modeling and monitoring will be briefly described. Eventually, directions for future research will be presented in the conclusions..

روشهای مدلسازی و مانیتورینگ برای داده های فضایی و تصویری

Modeling and monitoring methods for spatial and image data

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده

1-مقدمه

2-توصیف مدل و فرضیات

2-1 فرضیات مدل اصلی

2-2 پروفایل سرعت

2-3 ماندگی جریان محیط

3-مدل سازی ریاضی

3-1 معادله پیوستگی

3-2 شار حرکتی x

3-3 شار حرکت y

3-4 روابط هندسی

5-روش حل

6-شرایط ازمایشی و روش ها

7-نتایج و ارزیابی

7-1 مسیر جت

7-2 طول نفوذ جت

7-3 مسیر مرکزی جت

7-4 تجزیه سرعت مرکزی

8-نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1-مقدمه
جت های شناور توربولانت تشکیل یک سیستم چند فازی پیچیده می دهند که اهمیت زیادی در بسیاری از محیط ها و شرایط صنعتی دارند. یک جت شناور، زمانی تشکیل می شود که یک جریان پیوسته از سیال تراکم پایین حاصل از نازل ها وارد یک محیط مایع با تراکم بزرگ تر می شوند. بسته به مومنتوم جت اولیه و تفاوت تراکم بین دو سیال، جت به حباب هایی تجزیه می شود که مستقیما در خروجی و یا در پایین دست جریان وارد می شود.1- پارامتر های جریان، 2- پارامتر های محیطی و و 3- عوامل هندسی. اولین گروه شامل سرعت جت اولیه، سطح توربولانس، وزن جت، مومنتوم و کمبود تراکم بین و سیال محیطی. دومین گروه از متغیر ها شامل پارامترهای سیال محیطی نظیر سطح توروبلانس، جریان و رضایت تراکم میباشد. این عوامل بر رفتارجت در فاصله از روزنه تاثیر می گذارد. در نهایت، عوامل هندسی شامل عمق غوطه وری جت، شکل جت، جهت و نزدیکی آن به مرز ها و سطح ازاد می باشد.
فعالیت تحقیقاتی زیادی در زمینه جت های شناور در طی 50 سال اخیر منجر به مطالعات ازمایشی زیاد و تعدادی از مدل های متفاوت، مسیر جریان جت را توصیف می کند. تحقیقات ازمایشی مختلف در دهه های اخیر بر روی جت ها ارایه کرده و نتایج موید رویکرد مدل سازی ریاضی است( لیانگ و همکاران 2016، تطیب 2015، هاربی 2012، فرانسیس و همکاران 2014)
مدل های ریاضی بر اساس رفتار جت در منابع را می توان به سه مقوله متفاوت تقسیم بندی کرد: مدل های انتگرال، مدل های مقیاس طولی و مدل هایی که از فنون انتگرال و مقیاس های طولی استفاده می کنند. مدل های انتگرال که بر اساس معادله حفاظت از جرم می باشند، رایج ترین موارد می باشند: آن ها به طور گسترده ای در عملیات مهندسی برای پیش بینی ویژگی های تخلیه جت شناور استفاده می شوند( فیشر و همکاران 1979). بیشتر این مدل ها تنها از جریان مومونتوم و جرم در مجموعه ای از معادلات حفاظتی استفاده می شوند. با این حال، آن ها اشاره به مدل های انتگرال درجه اول دارند. با این حال، داده های ازمایشی و محاسبات جت شناور با تغییرات تراکم بالا را می توان در ادبیات و منابع یافت. بیشتر تحقیقات برای تغییرات تراکم پایین انجام می شوند به خصوص زمانی که تقریب معتبر است و جت به طور عمودی تخلیه است( هاربی و همکاران 2014 الف). داده های ازمایشی اندک و محاسبات برای درک جریان استفاده میشوند( هاربی و همکاران 2014 ب).
گراپر و بینز 1977 پیشنهاد کرده اند که کران بالای تعمیم پذیری تقریب باسینک این است که اختلاف چگالی کسری اولیه برابر با 0.05 است. به طور کلی، می توان گفت که تقریب باسینک برای اختلاف تراکم کسری اولیه کوچک است که با نشان داده می شود. پلوم غیر بوسینگ توسط برخی محققان مطالعه شده است( وودز 1997). زیائو و همکاران(2009) به مطالعه و توسعه مدل انتگرال برای جت های شناور افقی با فرضیه اصلاح شده استفاده کرده اند. سیستم معادلات حفاظت مدل انتگرال برای دست یابی به راه حلهای عددی در منطقه گذار از جت استفاده می شوند. می توان نتیجه گرفت که برای جت شناور، تقریب باسینک زمانی نقض می شود که ماندگی توده ای را بیش از مقدار واقعی براورد کند. این مطالعه نشان می دهد که تقریب بوسینسک زمانی معتبر است که تغییرات تراکم کم تر از 10 درصد فرض ماندگی نیاز کلیدی برای مدل انتگرال است.
نرخ ماندگی یک جت توربولانت به صورت سیال محیطی تعریف می شود که در حاشیه قرار می گیرد و از این روی در بدنه جت قرار داده شد. عوامل ماندگی می باشند که لایه ترکیبی بین جت و محیط اطراف آن را نشان می دهند. این فرایند اثر افزایش جریان وزنی جت کل است( هوف و همکاران 1956). اولین مورد شامل استفاده از رویکرد ماندگی در مدل جت عمومی است. و به این ترتیب جریان از حجم کنترل ثابت عبور کرده و معادلات حرکت در حجم کنترل استفاده می شوند. یک مورد دیگر مربوط به مالونهوف و همکاران 1985، وود 1993 و لی 1996 و جیر کا 2004 است.
مورتون 1965 به این نتیچه رسیده است که یک ماندگی متوسط در جریان جت مانند می باشد که متناسب با سرعت مرکزی میانگین است. لیست و همکاران(1979) نشان داده اند که مکانیسم ماندگی در هر دو جت و پلوم یکسان است و با حرکات بزرگ مقیاس دوره ای غالب است و این سیال محیطی را تشکیل می دهد. جریان غیر ترکیبی وارد سیال توربولانت شده و با حرکت کشن های کوچک وارد می شود. ابراهام 1963 نشان داده است که سرعت انبساط جریان شناور مستقل از نوع جریان بوده و این مصرف جایگزین مناسبی است. لیست و امبرگر 1973، قادر به رابطه دو فضا و و مشتق ثابت های ماندگی برای جت و پلو است. تیلور 1985، کاستونینس (1975) و اگراول و پراساد (2004) نشان داده اند که جت های شناور توربلانت، محیط اشفته معمولا با ارتباط سرعت جریان به جریان میانگین پارامتر سازی می شوند. از این روی پیشنهاد شده است که از طریق رئوس کوچک مقیاس نیز موسوم به متیو و باسو (2002) است.
مطالعات عددی و ازمایشی مختلف ، ارزش نرخ ماندگاری برای مثال را نشان داده اند و فرض بر این است که نرخ محلی ماندگاری متشکل از دو مولفه است: یک مورد مولفه ماندگاری ناشی از گشتاور جریان می باشد، در حالی که دیگری، مولفه ماندگاری مطلوب است، در حالی است که دیگری مولفه ماندگاری ناشی از شناور است.
هم چنین موضوع دیگر، مولفه ماندگاری ناشی از شناوری است. هم چنین، آن ها گزارش کرده اند که نرخ محلی ماندگاری موجب افزایش جت می شود . این عدم تشابه نرخ ماندگاری در امتداد مسیر جت بحث شده است. محققان دیگر ، رفتار جت شناور را با استفاده از معادلات انتگرال پیش بینی کرده اند. باتچلر (1954) نشان داده اند که ماندگاری قوی از محیط زمانی رخ می دهند که بر اساس وحدت می باشد، اگرچه نسبت تراکم نزدیک به می باشد.
بر روی جت های شناور افقی با تغییرات تراکم بالا، مطالعات زیادی صورت نگرفته است. و تقریبا داده های ازمایشی را نمی توان در منابع یافت. با این حال جت های گازی افقی بسیار مطالعه شده اند. با این حال جت های گازی افقی غوطه ور در مایع، ویژگی عای جریان متفاوت را ا ز چریان کاز-گاز نشان می دهند زیرا شکست حباب در جریان فاز متوقف می شود . از این روی، یک مسئله اصلی درک این جریان ها، محاسبه ساختار های عددی جریان و تایید مدل های عددی و اندازه گیری ازمایشی آن هاست. محققان در تلاش برای درک و.یژگی های فواره گازی، به اندازه گیری های نقطه ای نظیر پروب های مقاومت الکترونی برای تفکیک فاز مایع و گاز متکی بوده اند. در این فنون، پرب در نقطه اندازه گیرری برای برخی زمان ها انجام شده و از این روی در فضا عبور می کند. سنجش عنصر یک نقطه اندازه گیری متشکل از نقاط اندازه گیری مختلف می باشد. در این میدان با جریان نامنظم و ناپایدار، اندازه گیری کلی مطلوب است زیرا اطلاعات اولیه را می توان کسب کرد. یک مثال در خصوص اندازه گیری کلی، عکس برداری سرعت است و در گذشته استفاده شده است( مگ الان و کینگ 1982، لات و فات 1989) و جزییات کمی از تصاویر ثبت شده بسیار پایین بود.
در این مطالعه، مدل عددی انتگرال برای پیش بینی رفتار گاز افقی تزطریق شده از لوله های مستقیم در محیط اب تحت شرایط مختلف استفاده شده است. از این روی عکس برداری با سرعت بالا برای ثبت موقعیت و حرکت فواره کامل استفاده می شودو تصاویر دیجیتال برای استخراچ موقعیت واسط تحلیل شد. از این روی اندازه گیری جهانی و اثر مستقیم نیز در نظر گرفته شد. پارامتر های جت گاز با انجام میانگین گیری زمانی تصاویر ثبت شده بدست امد. معادلات مدل و روش های حل ب با مسیر های خروجی گرافیکی در برنامه متلب کد گذاری شده و با داده های ازمایشی مقایسه شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Turbulent buoyant jets form a complex multiphase system, which have a great interest in many environment and industrial applications. A buoyant jet is formed when a continuous stream of low-density fluid with large momentum originating from a nozzle enters into a liquid medium with bigger density. Depending on the initial jet momentum and the density difference between the two fluids, the jet breaks up into a train of bubbles, either immediately at the nozzle exit or at some distance downstream. Three general groups of factors govern the buoyant jet behavior they are: (i) jet parameters, (ii) environmental parameters and (iii) geometrical factors. The first group includes the initial jet velocity, the turbulence level, the jet mass, momentum and the density deficit between the jet and the ambient fluid. The second group of variables includes the ambient fluid parameters, such as turbulence level, currents, and density stratification. These factors usually begin to influence the jet behavior at some distance from the orifice. Finally, the geometrical factors include the depth of submergence of the jet, the jet shape, its orientation and proximity to solid boundaries or to the free surface. The considerable research activity in the area of buoyant jets over the past 50 years has resulted in different experimental studies and a number of different models that mathematically describe the jet flow path. Different experimental investigations have been conducted in the past few decades on the turbulent jets and the results provided support for the mathematical modeling approach (Liang et al., 2016; Taib, 2015; Harby 2012; Francis et al., 2014). The mathematical models based on the jet behavior existing in the literature can be classified mainly into three different categories: integral models, length-scale models, and models that use a combination of both length-scales and integral techniques. Integral models which are based on the conservation equations of mass, momentum and buoyancy fluxes are the most common ones; they are widely used in engineering practice for the prediction of the characteristics for these buoyant jet discharges (Ficher et al., 1979). Most of these models consider only the mean mass and momentum fluxes in the set of conservation equations. Hence, they can be referred to as first-order integral models. However, few experimental data and calculations on the buoyant jet with large density variations can be found in the literature. Most of the researches were carried out for small density variation when the Boussinesq approximation is valid and the jet is discharged vertically (Harby et al., 2014a). There is still very little experimental data and calculations to understand well these flows (Harby et al., 2014b). Crapper and Baines 1977 suggested that the upper bound of applicability of the Boussinesq approximation is that the initial fractional density difference ρ0/ρa is 0.05. In general, one can say that the Boussinesq approximation is valid for small initial fractional density difference, ρ0/ρa 1. The non-Boussinesq plume was studied by a number of researchers (Woods, 1997; Carlotti and Hunt, 2005). Xiao et al. 2009 studied and developed a nonBoussinesq integral model for horizontal buoyant round jets with a modified entrainment hypothesis. The system of conservation equations of the integral model was solved to obtain numerical solutions in the transition region from jet-like to plume-like. They concluded that for a strongly buoyant jet the Boussinesq approximation is violated which will over-predict the mass entrainment and under-estimate the buoyancy effect. This study reveals that the Boussinesq approximation is valid when the density variation is less than 10% being the entrainment assumption a key requirement for the integral model. The entrainment rate of a turbulent jet is defined as the ambient fluid that is mixed across the jet edge and becomes incorporated into the body of the jet. The agents of entrainment are turbulent eddies forming a mixing layer between the jet and its surroundings. This process has the effect of increasing the total jet mass flux (Houf et al., 1956). The first to incorporate the entrainment approach into a general jet model was Fan and Brook (1969) which used the Eulerian integral method, in which the flow passed through a fixed control volume, and integrated the equations of motion over that control volume. Other ones, who have used this approach, are: Muellenhoff et al. (1985), Wood (1993), Chu and Lee (1996) and Jirka (2004). Morton 1965 concluded that there was an average entrainment into the jet-like flow that was proportional to the mean centerline velocity. List et al. 1979 showed that the entrainment mechanism is the same in both jets and plumes and is dominated by almost periodic large-scale motions which engulf the ambient fluid. The unmixed fluid is transported well into the turbulent fluid and mixed by the action of small eddies. Abraham 1963 showed that the rate of expansion of a buoyant flow was independent of the type of flow (jet-like or plume-like) and with this alternative assumption proceeded to the solution. List and Imberger 1973; Jirka and Harleman 1979 were able to relate the two assumptions and derive the entrainment constants for the jet and the plume. Taylor (1958), Kotsovinos (1975) and Agrawal and Prasad (2004) suggested that for turbulent buoyant jets, the turbulent entrainment is usually parameterized by relating the inflow velocity to the mean flow in the jet body also they suggested that a substantial contribution to entrainment is made through nibbling of small scale vortices see also Mathew and Bassu (2002). Numerous experimental and numerical studies provided values of the entrainment rate for example Houf and Schaefer (2008), ElAmin et al. (2010) and El-Amin and Kanayama (2009) assumed that the local rate of entrainment consisted of two components; one was the component of entrainment due to jet momentum while the other one was the component of entrainment due to buoyancy. Also, they reported that the local rate of entrainment increases as the jet leaves the momentum-dominated region and enters a region where the effects of buoyancy become more pronounced. This non-similarity of the entrainment rate along the jet trajectory has been discussed by Carazzo et al. (2006). Other authors predicted the behavior of the buoyant jet by using integral equations formulated under the assumption of axial symmetry and self-similar transverse profiles (Fisher et al., 1979; Wood, 1993; Pantokratoras, 1998). Batchelor (1954) showed that a strong entrainment from the ambient will take place when the density ratio tends to unity (ρg/ρa→1) while as the density ratio tends to zero (ρg/ρa→0) the entrainment falls to zero and as the density ratio varies between the two limits there will be a smooth transition. The horizontal buoyant jets with large density variations have not received sufficient research before, and almost no experimental data could be found in the open literature. However, submerged horizontal gas jets in liquid exhibits different flow characteristics from gas-gas flow because bubble breakup occurs in two-phase flow and the unsteady motion of the gas-liquid interface has a strong influence on the momentum transfer and the buoyancy force. Hence, it remains a challenging issue to understand well these flows, to calculate the flow structures numerically, to verify the numerical models and to measure them experimentally. In their efforts to understand the characteristics of submerged gas jets, past researchers have relied on point measurements such as electro-resistivity probes to separate the liquid and gas phases for study (Mori et al., 1982; Ito et al., 1991). In these techniques, the probe is placed at the measurement point for some time and is then traversed in space. The sensing element can be a singular measurement point or be composed of several measuring points capable of simultaneous measurement at multiple spatial locations. In either case, the probe itself is intrusive and only permits timeaveraged whole-field measurements since the probe can only exist at one (or several) points in space at any given time. In such an unsteady and highly irregular flow field, a global measurement is preferred since instantaneous information can be obtained. An example of a global measurement is high-speed photography, which has been used in the past (McNallan and King 1982; Loth and Faeth 1989) to observe the interface, but the level of quantitative detail gathered from the recorded images was very low. In this study, an integral numerical model was developed to predict the behavior of a horizontal gas jet injected from straight tubes into water ambient under different operating conditions. Since a major goal of this work was to study the interface motion itself, the technological limitations imposed by traditional measurement techniques were unacceptable. Thus high-speed photography was used to record the position and motions of the entire gas jet and the digital images were analyzed to extract the interface position. Thus direct and instantaneous global measurements of the interface were taken. Recorded images are a projection of the density variations seen in the test section. The gas jet parameters were obtained performing first a time-average of the recorded images followed by a careful analysis of the processed data. The model equations and a solution procedure was coded with input and graphical output routines into a MATLAB program and finally compared with the experimental data.

یک روش تکراری برای حل پاسخ دینامیکی سیستم های متصل به وسایل نقلیه ریلی بر اساس پیش بینی نیروهای چرخ- ریل

An iterative method for solving the dynamic response of railway vehicletrack coupled systems based on prediction of wheel-rail forces

چکیده
1- مقدمه
2-مدل دینامیک چرخ-ریل
2- 1 معادلات حرکت زیر سیستم
2-3 مدل تعامل چرخ-ریل
3- روش تکراری بر اساس پیش بینی
4- روش پیش بینی خطای حداقل مربعات وزنی
5-مثال های عددی
5-1 بی نظمی مسیر دوره ای
5-2 بی نظمی مسیر اندازه گیری شده
6 –نتیجه گیری

چکیده
 یک روش تکراری بر اساس پیش بینی نیروهای چرخ- ریل برای تعیین پاسخ دینامیک و پویای سیستم وسیله نقلیه ریلی ارایه شده است. ایده کلیدی روش موجود، اصلاح ارزش یا مقدار آغازین هر مرحله در طی تکرار با پیش بینی است. روش تکراری مرسوم با تکرار مرحله فعلی در مقدار تبدیل شده قبلی نیروی چرخ- ریل شروع می شود. با این حال در این روش، نیروهای چرخ-ریل پیش بینی شد توسط پیش بین خطای حداقل مربعات وزنی به عنوان مقدار شروع برای مرحله فعلی استفاده می شود.معادلات حرکت وسیله نقلیه و زیر سیستم ها به طور جدا تثبیت شده و به طور مکرر حل می شوند. بر طبق پاسخ ریل و مجموع چرخ ها و با در نظر گرفتن ناهمواری مسیر، نیروهای ریل –چرخ پیش بینی شده با مدل تعامل چرخ- ریل اصلاح می شود که در آن روابط هندسی تماس ریل- چرخ و نیروهای خزش ریل –چرخ در نظر گرفته می شوند. روش استراحت برای حل مسئله انتشار عددی در فرایند تکراری استفاده می شود.
یک وسیله نقلیه متحرک که در یک مسیر انعطاف پذیر دو لایه ای حرکت می کند در این مطالعه در نظر گرفته شد. صحت روش پیشنهادی با مقایسه نتایج حاصل از روش فعلی با نتایج حاصل از نرم افزار تجاری NUCRAS تایید شده و کارایی با مقایسه با روش تکراری سنتی تایید می شود.نتایج عددی نشان می دهد که روش فعلی نه تنها نتایج مشابهی با نرم افزار NUCRAS از حیث صحت می دهد بلکه موجب صرفه جویی 25 درصدی در هزینه های محاسباتی در مقایسه با روش تکراری سنتی می شود. با توجه به ارتباط تماس چرخشی غیر خطی، به طور کامل در نظر گرفته شده است، روش حاضر می تواند نتایج دقیق تر از مدل کامپوننت وسیله نقلیه را دریافت کند. در ضمن، کارایی روش حاضر با استفاده از پیش بینی نیروهای ریل چرخ با پیش بینی کننده WLSE افزایش می یابد.
1- مقدمه
مدل پویا سیستم متصل به وسیله نقلیه و روش راه حل آن برای یک سری مطالعات پیشرفته مانند ارزیابی ایمنی در حال اجرا و قابلیت راحتی سواری از قطارهای با سرعت بالا، پیش بینی سایش چرخ و سر و صدای ارتعاش ضروری است. نتایج عددی می تواند به عنوان راهنمایی نظری برای پیدا کردن علت برخی از مشکلات مهندسی عملی مانند دور چرخ ها، راه راه ریخته گری، شناسایی منابع ارتعاش یا سر و صدا، و توسعه راه حل ها یا درمان های مربوط به این مشکلات استفاده شود. بنابراين اهميت بهينه سازي پاسخ ديناميک سيستم ریل- وسیله نقلیه به طور موثر و دقيق است. پاسخ پویای سیستم متصل به وسیله نقلیه می تواند در فرکانس یا دامنه زمان حل شود [1]. روش فركانس براي راه حل كارآمدي از طول نامحدود و ساختارهاي خطي دوره اي خصوصا براي راه حل تعامل ديناميكي چرخدنده در فركانس هاي بالا مورد استفاده قرار مي گيرد، اما راه حل حوزه زماني لازم است كه در آن ناهماهنگي هاي مهمي نظير ارتباط هندسه تماس چرخ و چوب برای حل پاسخ دینامیکی خودرو و سیستم مسیر در حوزه زمان، عمدتا دو روش در دسترس وجود دارد: روش متصل و روش تکراری. روش پیوند به عنوان یک کل سیستم و زیر سیستم های مسیر را در نظر گرفته و معادلات سیستم متصل را بدون هیچ گونه تکرار با یک روش ادغام گام به گام حل می کند. با این حال، ماتریس ضریب سیستم با توجه به موقعیت وسایل نقلیه در مسیر متفاوت است و باید در هر گام زمانی به روز شود و تجزیه شود. این کارآیی محاسباتی را کاهش می دهد. یکی دیگر از نقاط ضعف این است که شکل گیری ماتریس ضریب بستگی به مدل های وسیله نقلیه و ردیابی دارد، به عبارت دیگر، اگر یک نوع جدید از وسیله نقلیه یا مسیر معرفی شده باشد، باید همه ضرایب را تغییر داد. روش تکراری می تواند به طور موثر از این کاستی ها اجتناب کند.
در روش تکراری، کل سیستم به دو زیر سیستم در رابط خودرو و مسیر تقسیم می شود. دو زیر سیستم با ایجاد تعادل نیروها و سازگاری جابجایی در نقاط تماس بین چرخ ها و ریل ها متصل می شوند. معادلات حرکت دو زیرسیستم به طور جداگانه با یک روش تکرار حل شده است. سبز و کبون [2،3] شامل ساختار بارهای وسیله نقلیه با پاسخ مودال پل برای پیش بینی پاسخ دینامیکی آن در یک مجموعه داده شده از بارهای چرخ وسیله نقلیه بود و این روش را برای تعامل پویا بین وسیله نقلیه و پل با روش تکرار . یانگ و فندر [4] یک روش تکراری برای حل پاسخ دینامیکی پل یانگ تسه رودخانه در ووهان تحت یک قطار متحرک با 2 لوکوموتیو و 4 وسیله نقلیه حمل و نقل ارائه کردند. زو و همکاران [5] تجزیه و تحلیل دینامیکی سیستم های پل متحرک و سیستم های مجهز به کابل در باد متقابل را با روش تکراری انجام داد. هارنت (6)یک مدل عددی را توسعه دادند که یک قطار چند منظوره سهبعدی و یک پل عنصر محدود را برای بررسی اثرات پارامترهای مختلف مانند سرعت قطار، فرکانس قطار به پل، جرم و فاصله نسبت ها، کاهش دماي پل، در پاسخ ديناميک پل هاي راه آهن با روش تجديد نظري اصلاح شده نيوتن رافسون. ژانگ و همکاران [7] یک مدل دینامیکی دوبعدی بادی را پیشنهاد کرد که اثر محافظتی برج پل را با موانع باد مثلثی مورد بررسی قرار داد و معادلات دینامیکی پل خودرو را با بارهای خارجی متفاوت تغییر داد. نگوین و همکاران [8] وسایل نقلیه و زیر ساخت را به عنوان دو سیستم جداگانه در نظر گرفتند، هرچند یک مدل تماس چرخ-ریل پیشنهاد شده بود و یک طرح تکرار جدید برای حل مسائل نیروی تماس چرخ و ردیابی تماس از دست داد. هاوک و قالی [9] یک روش تحلیلی را پیشنهاد دادند که به نام “روش تدریجی تکرار پویا” (IDSM) برای حل یک پاسخ از یک سیستم پل اسلحه برقی که به وسیله کامیون های چند محور بدون در نظر گرفتن اثرات زبری از آن عبور می کرد، پیشنهاد کرد. مارشلی و همکاران. [10] با تعامل یک پل پیوسته چند اسپیندل مدل شده توسط صفحات ایزوتروپیک با وسیله نقلیه مدل سازی شده توسط هفت درجه از سیستم آزادی جرم محور آزاد به سرعت ثابت شد و پاسخ دینامیکی خودرو و پل را به صورت تکراری محاسبه کرد. فراری و همکاران [11] تعامل پویا بین یک وسیله نقلیه مسافری و یک پل مورد مطالعه قرار گرفت و عملکرد و کارایی دو روش تکرار را که در طول تاریخ تمام وقت (WTH) یا در گام زمانی تک (STS) انجام می شد، مقایسه کرد. وینچنزی و همکاران [12] تعامل پویا بین قطارها و پل را تجزیه و تحلیل کرد و یک بررسی پارامتری را انجام داد، از جمله تاثیر سرعت سفر و وزن قطار در پاسخ دینامیکی. لی و همکاران [13] یک الگوریتم تکرار متقابل را برای حل پاسخ دینامیکی خودرو CRH3 قطار چین و سیستم جفت ریل دنده ارائه داد. لی و همکاران [14] یک روش عددی کامپیوتری برای تجزیه و تحلیل سیستم های متحرک وسیله نقلیه نقلیه از ویژگی های غیر خطی و بررسی همگرایی طرح های تکراری محاسبات با و بدون جهش چرخ. در روش تکرار، تجزیه ماتریس ضریب در هر گام زمانی می تواند اجتناب شود و بنابراین یک روش راه حل کارآمد می تواند جداگانه بر اساس ویژگی های ساختاری هر زیرسیستم توسعه یابد. اما لازم به ذکر است که فرایند تکرار ممکن است به آسانی به هم نزدیک نباشند و یا به طور آهسته همگام شوند، مخصوصا برای سازه های بزرگ. این معایب دامنه استفاده از روش تکرار محدود را محدود می کند
برای غلبه بر نقایص روش های راه حل فوق، یک روش راه حل تکراری بر اساس پیش بینی نیروهای ریل چرخ در این مقاله ارائه شده است. نیروهای رانش چرخ ها توسط پیش بینی کننده WLSE پیش بینی شده و سپس به معادلات حرکت وسیله نقلیه تعویض می شوند و به طور جداگانه مسیر را برای حل پاسخ دینامیکی هر زیرسیستم می دهند. با توجه به پاسخ چرخ ها و ریل ها، با توجه به بی نظمی مسیر، نیروهای تماس پیش بینی شده با مدل تعامل چرخ-rail اصلاح می شود. اگر تفاوت بین نیروهای اصلاح شده و پیش بینی شده بیشتر از تحمل مشخص شده باشد، تکرار ادامه می یابد تا همگرایی به دست آید. تکنیک آرام سازی برای جلوگیری از مشکل انتشار عددی در روند تکرار پذیرفته شده است. با در نظر گرفتن وسیله نقلیه CRH2 [15] بر روی یک مسیر مستقیم به عنوان مثال، پاسخ پویای وسیله نقلیه به انواع مختلف بی نظمی های مسیر، در حوزه زمان با روش فعلی، روش تکرار معمول و NUCARS، حل می شود. دقت روش فعلی با مقایسه دقیق نتایج عددی با NUCARS نشان داده شده است و کارایی با مقایسه هزینه های محاسبات با روش تکراری متعارف بدست می اید

Abstract

An iterative method based on prediction of wheel-rail forces is presented to determine the dynamic response of railway vehicle-track coupled systems. The key idea of the present method lies in the modification of the starting value of each step during the iteration by prediction. The conventional iterative method begins iteration of the current step at the previously converged value of the wheel-rail forces. However, in the present method, the predicted wheel-rail forces by the Weighted Least-Squares Error (WLSE) predictor are used as the starting value for the current step. The equations of motion of the vehicle and the track subsystems are established separately and solved iteratively. According to the response of the wheelsets and the rails, and considering the track irregularity, the predicted wheel-rail forces are corrected by the wheel-rail interaction model in which detailed wheel rail contact geometry relations and nonlinear wheel rail creep forces are taken into account. The relaxation technique is adopted to solve the problem of numerical diffusion in the iterative process.

A moving vehicle travelling on a two layer flexible track is considered in this study. The accuracy of the proposed method is verified by comparing the results obtained from the present method with the results from the commercial software NUCARS and the efficiency are verified by comparing with the conventional iterative method. Numerical results show that the present method not only gives results comparable to those using the NUCARS software in terms of accuracy, but also saves at least 25% computational cost compared with the conventional iterative method. With the nonlinear wheel-rail contact relation fully considered, the present method can get more detailed results of the vehicle-track coupled model. Meanwhile, the efficiency of the present method is enhanced by means of prediction of wheel-rail forces with the WLSE predictor.

1- Introduction

The dynamic model of the vehicle-track coupled system and its solution method are essential to a series of advanced studies, such as evaluation of running safety and ride comfort performance of high speed trains, prediction of wheel wear and vibration noise. The numerical results can be used as a theoretic guidance for finding out the cause of some practical engineering problems such as out of round wheels, rail corrugation, identifying the sources of vibration or noise, and developing solutions or treatments to those problems. Therefore, it is of significance to solve the dynamic response of the vehicle-track coupled system efficiently and accurately.

The dynamic response of the vehicle-track coupled system can be solved in either the frequency or the time domain [1]. The frequency method is applicable for efficient solution of infinite length or periodic track structures, especially for the solution of wheelrail dynamic interaction at high frequencies, but the time domain solution appears to be necessary where there are significant nonlinearities such as wheel rail contact geometry relation and stickslip.

For solving the dynamic response of the vehicle and track system in time domain, there are mainly two methods available: the coupled method and the iterative method. The coupled method considers the vehicle and the track subsystems as a whole and solves the coupled system equations without any iteration by a step-by-step integration method. However, the system coefficient matrices vary according to the position of the vehicles on the track and must be updated and decomposed at every time step. This will reduce the computational efficiency. Another drawback is that the formulation of coefficient matrices depend on both the vehicle and track models, that is to say, all coefficients must be changed if a new type of vehicle or track is introduced. The iterative method can effectively avoid these shortcomings.

In the iterative method, the whole system is divided into two subsystems at the interface of vehicle and track. The two subsystems are coupled by enforcing equilibrium of forces and compatibility of displacements at the contact points between the wheels and the rails. The equations of motion of the two subsystems are solved separately with an iterative procedure. Green and Cebon [2,3] involved convolution of the vehicle loads with modal response of the bridge to predict its dynamic response under a given set of vehicle wheel loads and extended this method to include dynamic interaction between the vehicle and bridge by an iterative procedure. Yang and Fonder [4] presented an iterative method to solve the dynamic response of the Yangtze-River Bridge at Wuhan under a moving train with 2 locomotives and 4 freight vehicles. Xu et al. [5] performed dynamic analysis of coupled train and cable-stayed bridge systems in cross winds with an iterative procedure. Majka and Hartnett [6] developed a numerical model which incorporated a three dimensional multi-body train and a finite element bridge to investigate the effects of various parameters, such as the speed of the train, train-to-bridge frequency, mass and span ratios, bridge damping, on the dynamic response of railway bridges with a modified Newton-Raphson iterative procedure. Zhang et al. [7] proposed a coupled wind-vehicle-bridge dynamic model which considered the shielding effect of bridge tower with triangular wind barriers and solved the vehicle-bridge dynamic equations with time-varying external loads. Nguyen et al. [8] considered the vehicles and substructure as two separate systems interacting though a proposed wheel-rail contact model and proposed a new iterative scheme for solution of wheel-rail contact forces and checking contact loss. Hawk and Ghali [9] proposed an analytical procedure called the iterative dynamic substructuring method (IDSM) to solve the response of a beam-slab bridge system traversed by multi-axle trucks without consideration of roughness effects. Marchesiello et al. [10] dealt with the interaction of a multi-span continuous bridges modelled by isotropic plates with a vehicle modelled by seven degrees of freedom mass-spring-damper system moving at constant speed and computed the dynamic response of the vehicle and the bridge iteratively. Feriani et al. [11] studied the dynamic interaction between a travelling vehicle and a bridge and compared both the performance and the efficiency of the two iterative procedures which performed either on the whole time history (WTH) or in the single time step (STS). Vincenzi et al. [12] analyzed the dynamic interaction between trains and a bridge and carried out a parametric investigation, including the influence of the travelling speed and the weight of the train on dynamic response. Lei et al. [13] presented a cross iteration algorithm to solve the dynamic response of the China’s high speed train CRH3 vehicle and slab track coupling system. Li et al. [14] developed a computer-aided numerical method for analyzing coupled railway vehicle-bridge systems of nonlinear features and investigated the convergence of iterative computation schemes with and without wheel jumps. In the iterative method, the decomposition of the coefficient matrices at every time step can be avoided and thus a more efficient solution method can be developed separately according to the structural characteristics of each subsystem. But it is worth noting that the iteration process may not be easy to converge or converge slowly, especially for large-scale structures. These disadvantages restrict the scope of application of the iterative method.

To overcome the drawbacks of the aforementioned solution methods, an iterative solution method based on prediction of wheel rail forces is proposed and verified in this paper. The wheel-rail forces are predicted by the WLSE predictor and then substituted into the equations of motion of the vehicle and track separately to solve the dynamic response of each subsystem. According to the response of the wheelsets and the rails, considering the track irregularity, the predicted contact forces are corrected by the wheel-rail interaction model. If the difference between the corrected and the predicted forces is greater than the specified tolerance, iteration continues until convergence is achieved. The relaxation technique is adopted to avoid the problem of numerical diffusion in the iterative process. Taking the CRH2 vehicle [15] running on a straight track as an example, the dynamic response of the vehicle to different types of track irregularities is solved in time domain by the present method, the conventional iterative method and NUCARS, respectively. The accuracy of the present method is demonstrated through a detailed comparison of numerical results with NUCARS and the efficiency is verified by comparing the computation cost with the conventional iterative method..

یک روش تکراری برای حل پاسخ دینامیکی سیستم های متصل به وسایل نقلیه ریلی بر اساس پیش بینی نیروهای چرخ- ریل

An iterative method for solving the dynamic response of railway vehicletrack coupled systems based on prediction of wheel-rail forces

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2.4 توانایی مدیریت چرخه عمر محصول برای برنامه ریزی فرآیند
روش های برنامه ریزی فرایند موجود با تاکید بر مرحله تولید از چرخه عمر محصول محدود هستند. بسط توانایی های برنامه ریزی فرآیند برای ارزیابی اثرات طراحی محصول در سایر مراحل چرخه تولید توسط یکپارچه سازی با مدیریت چرخه عمر محصول، می تواند تولید ارزش بیشتری را ممکن کند. بنابر این نیاز است به حرکت از برنامه‌ریزی فرآیند که از الزام منفرد به تولید ویژگی‌ها و خروجی های خاص محصول استخراج شده است به سمت انتخاب فرایندهای بهینه شده که در طراحی محصول برای اینجاد امکان برای فرآیندها پس از استفاده از محصول تکمیل شده اند. این فرآیندها شامل موارد زیر هستند: استفاده مجدد، تولید مجدد یا بازیافت. چنین روشی منجر به کشف همه جایگزین هایی که الزامات فرایند را رعایت می‌کنند خواهد شد که برای بهینه سازی جامع که شامل تمرکز بر مقاوم سازی در همه فرآیندها و برنامه ریزی های بهینه شده برای همه فرآیندهای 6R می شود مفید خواهد بود. ارزیابی همه جایگزین های فرآیند نیازمند ویژگی‌های کامل مواد یا فرایندها و دسترسی به داده ها و مدل ها است که چالش مهمی است. در حالیکه ، برنامه‌ریزی فرآیند پیشرفته نیازمند دانش بالایی است در توسعه چنین توانایی مدیریت چرخه عمر محصول توسعه داده شده ای برای برنامه‌ریزی فرایند، نیاز به توسعه فرایند تکرار را کاهش یافته و به تولید ارزش مقاوم کمک خواهد شد.

2.5 مدل های هزینه چرخه عمر
مدلهای هزینه چرخه عمر بهتر، پیشبینی دقیق تری از هزینه ها و بهینه سازی محصول و فرایند هایی را که مربوط به ارزش کلیه چرخه عمر ست را ممکن میکند. همچنین این مدل ها می توانند محصولات بهتری را با هزینه کمتری تحویل دهند. توانایی ارزیابی جایگزین ها و مشخص کردن بهترین ارزش کلی محصول و فرآیند نیازمند درک جزئیات همه عوامل هزینه در ابتدای فرآیند توسعه است. اما مسیر سنتی، به دست آوردن دانش هزینه از طریق تحلیل داده های گذشته است. زیرا که می دانیم و درک می کنیم را محدود می کند و مسیر نوآوری را سد می کنند . در عوض برای ساخت مدل‌های هزینه دقیق که در آن همه جایگزین‌های محصول ارزیابی می‌شونددرک زیادی از المان های هزینه اساسی برپایه نیازمندیها لازم است . مدلهای هزینه بهتری که همه چهار مرحله چرخه عمر محصول که در شکل ۴ به آن اشاره شده است را مشارکت می دهند منجر به ارزیابی هزینه دقیقتر در ابتدای توسعه فرآیند و کاهش هزینه محصول خواهند شد. همچنین این مدل ها منجر خواهد شد به اینکه توسعه طراحی محصول امکان مدیریت بهتر محصول در انتهای عمر آن را فراهم آورد. یعنی همان استفاده مجدد، تولید مجدد یا بازیافت که منجر به بازیابی ارزش بیشتری خواهند شد. علاوه بر این مدلهای هزینه چرخه عمر کلی با کاهش سرعت افزایش ریسک هزینه ی غیر منتظره، ارزش تجاری مهیا می‌کند. مخصوصا در مواردی که مسئولیت تولید کننده در قبال محصول ادامه دار است.

2.6 مدیریت انتهای عمر با تمرکز بر 6R
برنامه ریزی بهبودیافته انتهای عمر محصول کاهش تاثیرات زیست محیطی، صرفه جویی در انرژی و بیشینه کردن ارزش چرخه عمر کلی محصول را ایجاد می کند. با وارد کردن ملزومات انتهای عمر در فرآیند مفهوم سازی طراحی بهترین طرح های جایگزینی را میتوان برای محصول در نظر گرفت و می‌توان آن را در اطلاعاتی که محصول را همراهی می کنند وارد نمود. مفهوم 6R پایه عظیمی برای القای برنامه‌ریزی انتهای عمر در فرآیند توسعه فراهم می‌کند. وقتی همه ترکیبات شیر درگیر شده و بهینه شدند نتیجه برنامه های مدیریت چرخه عمر خواهد بود. همچنین اعمال راهبرد مدیریت انتهای عمر بایستی با تمرکز بر انتخاب هایی با بازیابی ارزش بالاتر مثل استفاده مجدد و تولید مجدد باشد و نه بازیافت همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است منجر به صرفه‌جویی انرژی خواهد شد. فاصله ای بین فرهنگ، فرایندهای تجاری و ابزارهای فناورانه در دسترس برای رسیدن .به این دیدگاه وجود دارد. دقیق ترین فعالیتهای انتهای عمر توسط شرایط آیین‌نامه‌ی اجبار شده اند. به عنوان مثال در اتحادیه اروپا. در حالی که ممکن است این آیین نامه ها با اثر باشند یک مورد تجاری متقاعد کننده به عنوان عامل محرک ترجیح دارد چراکه مدیریت انتهای عمر بهبود یافته باعث ایجاد جریان درآمد جدیدی خواهد شد که به شرکت در بهبود ارزش برند و سهم بازار کمک خواهد کرد.

2.7 جایگزین های تولید قابل انعطاف و قابل مقیاس
در سال های اخیر عملیات تولید برای پذیرش شبکه های تامین مجتمع به تدریج تکامل یافته اند. برای بهبود عملکرد مقاوم سازی سه بعدی تکامل تولید بایستی سیستم های مناسب و قابل مقیاس کردن باشند که محصولات را در پرمنفعت ترین مکان با استفاده از بهترین منابع، روش ها و تجهیزات در دسترس تولید می کنند تا کاهش هزینه قابل توجهی را موجب شود و مزایای مقاوم سازی و افزایش بهره‌وری را به صورت قابل توجهی افزایش دهند. زیرساخت ها و روش های موجود اغلب چنین تولید منعطف و قابل مقیاسی را پشتیبانی نمی کنند. سیستم قابلیت سازگاری برای مهیا کردن همه ارزش مقاوم سازی در حالت منعطف را ندارد. به کارگیری روش های تولید منعطف و قابل مقیاس مثل استفاده از توانایی‌های یکپارچه‌سازی سیستم‌های تولید قابل پیکربندی مجدد برای ممکن ساختن حلقه بسته جریان مواد مبتنی بر 6R شرکتها را برای کاهش ریسک و رسیدن به کیفیت در هنگام دریافت نیاز مشتری کمک خواهند نمود. این موضوع در شکل ۶ نشان داده شده است. هزینه های حمل و نقل و مسائل مقاوم سازی مربوطه نیز می‌توانند با استفاده از راهبرد هایی مثل تولید منعطف و قابل مقیاس در نقطه مصرف کاهش یابد. همه اینها می توانند به کاهش هزینه و افزایش سودآوری کمک کنند در حالیکه مقاوم سازی را نیز بهبود می‌دهند و بنابر این روش تجارت خوبی را ایجاد میکنند.

2.8 ابعاد تولید مقاوم
در حال حاضر هیچ روش استانداردی برای اندازه‌گیری یا مقایسه دستاوردهای خط انتهایی سه گانه وجود ندارد. مهیا ساختن چنین روشی مقیاس رایج و ارزیابی مناسبی از عملکرد را ممکن خواهد نمود. این روش منجر به مهیا ساختن معیاری برای مقاومت محصولات و فرآیندها از میان مرزهای جهانی، فرهنگ ها و روشهای تجارت و تولید خواهد شد. معیارهای استاندارد همچنین از تعیین پاداش ها و انگیزه ها پشتیبانی خواهند کرد که این به دستیابی به عملکرد چرخه عمر بهینه سازی شده و محصولات و فرایندهای با مقاومت بهتر منجر خواهند شد. بیشتر کارهای حال حاضر درباره استاندارد سازی اندازه گیری مقاومت سازی در اروپا انجام میشود یا از اروپا آغاز شده است. به عنوان مثال گزارشگری جهانی نوآوری. قالب های اندازه گیری و شاخص های تولید مقاوم بهتر، ارزیابی قطعی تر تاثیر نوآوری های مقاوم سازی را بر موقعیت رقابتی و همچنین شناخت نقاط تمرکز را ممکن خواهد ساخت. همچنین شاخص ها می تواند در ارزیابی منافع کوتاه مدت در برابر منافع بلندمدت نوآوری‌های مقاوم سازی کمک کنند که کمکی به تصمیم گیری دارای اهمیت راهبردی برای اینجاد ارزش تجاری و مقاوم سازی خواهد بود.
به عنوان مثال یکی از تلاش‌های اخیر شامل قالب کاری و شاخص‌های کاملی برای ارزیابی عملکرد تولید مقاومت در سطوح محصول و فرایند است. چنین روشهایی به شرکت‌ها کمک می‌کنند تا بتوانند عملکرد طراحی‌های محصول جایگزین (شکل ۶ب را ببینید) یا فرآیندهای تولیدی مختلف را ارزیابی کنند تا بتوانند عملکرد تولید مقاومت نسبی خود را در مقایسه با مرجع به بینند. توانایی ارزیابی عملکرد در کنار مفاهیم اصلی که با (عناوین دسته ها و زیر دسته ها در مراجع ۱۳ و ۱۴ شناخته می‌شوند) تصمیم گیری بهتر را با در نظر گرفتن عملکرد خط انتهایی سه‌گانه ممکن خواهد نمود.

2.9 سایر راهبردها
علاوه بر راهبرد هایی که در بخش های بالا بحث شدندحوزه‌های دیگری نیز در نیاز به توسعه توانایی راهبردی برای این جاده ارزش از طریق تولید مقاوم مشخص شده اند. در سیستم های فعلی، دریافت دانش اغلب سیستمی نیست و کل محیط درک محصول چرخه عمر کلی را نیز پوشش نمی‌دهد. اینها مواردی هستند که برای تولید و طراحی مقاوم ضروری هستند. یم‌گیری‌های که از اطلاعات واقعی لحظه ای حاصل شده باشند شرکت‌ها را قادر خواهند ساخت تا تصمیمات بهتری بگیرند و هزینه‌ها را کاهش دهند. همچنین اطلاعات بصیرتی در شرکتها ایجاد خواهند کرد که شرکت را از رویدادهای غیر منتظره مصون نگاه داشته و ریسک را کاهش خواهد داد. دسترسی بهتر به اطلاعات به حذف فعالیت های اضافی کمک نموده، مقاوم سازی را افزایش داده و منافع را افزایش می دهد که منجر به افزایش ارزش تجاری کل می شود. این یکی دیگر از راهبردهای مورد نیاز برای اینجاد امکان ایجاد ارزش از طریق تولید مقاوم است. روزانه حملات سایبری باعث ضررهایی در سطح جهان می‌شود و ریسک شبکه‌های تامین که از خرابی قابل توجهی رنج می‌برند بالا است. در حالیکه حفاظت در برابر حمله مهم است در عین حال مهم است که شبکه تأمین قادر باشد تا به صورت قابل اطمینان اطلاعات مورد نیاز را بدون ترس و در محدوده قابل قبولی از ریسک تبادل کنند. مهیا ساختن یک محیط آزاد، به اشتراک گذاشته شده و ایمن انگیزه این اهمیت است. بنابرین پلاتفورم های مشارکت ایمن مورد نیاز است در چنین محیطی اشتراک که مطمئن اطلاعات مورد نیاز را از طریق شبکه تامین با جلوگیری از چنین هزینه هایی ممکن خواهد نمود.
با قرار گرفتن در کنار هم با یک هدف مشترک به صورت شراکت عمومی- خصوصی و کار با همدیگر برای ایجاد ارزش، جامعه تولید می تواند بر چالش‌هایی غلبه کند که تحمل آن برای هر جزء غیر ممکن است. چنین شرایطی می‌تواند اتصالی را از نیازهای صنعتی صحیح به منابع مالی برای آغاز فعالیت های پژوهشی ایجاد کند که تضمین کننده ی ارزش قابل دستیابی صنعتی است. به عنوان مثال یکی از چنین نوآوریهایی در ایالات متحده شبکه ملی برای نوآوری در تولید است. موسسه های شبکه ملی به صورت شراکت عمومی- خصوصی برای توسعه تکنولوژی های منتقل شونده با درجه بالا تشکیل شده اند که نمی‌توانند به تنهایی توسط یک شریک دانشگاهی یا صنعتی تامین شوند. تعدادی از موسسه های شبکه ملی در زمینه فناوری های تولید متفاوت قبلا تاسیس شده اندو کار برای تاسیس موسسه جدید برای تولید مقاوم که بر توسعه تکنولوژی برای کاهش مصرف ماده، انرژی و سایر منابع در کنار کاهش اتلافات تمرکز خواهد کرد در دست اقدام است.
فرصت پذیرفتن ارزیابی های مشارکتی به عنوان یک سیستم که به صورت راهبردی مدیریت می شود فرصتی را برای تصمیم گیری بهینه، پایداری در عملیات و مقاوم سازی سرمایه گذاریایجاد می کند. ارزیابی های مشارکتی در دپارتمان های عملیاتی در سازمان هاانجام میشود و کمتر آگاهی نسبت به نیاز به روش سیستمی برای مدیریت ارزیابی وجود دارد. اما یک نیاز راهبردی برای سازگارکردن دیدگاه جامع تر مدیریت ارزیابی به منظور تضمین اینکه تمامی منابع در هنگام نیاز در دسترس خواهند بود لازم است. این عمل منجر به کاهش هزینه ها از طریق مهندسی قابل اعتماد، توسعه تجارت مطمئن‌تر، کاهش ریسک، محافظت در برابر اختلال، تصویر مشارکتی و جایگاه تجاری بهبود یافته می شود.
3. دیدگاهی برای سیستم ها، فرایندها و محصول مقاوم
نگاه فرموله شده توسط مدیران صنعتی در تولید مقاوم تاکیدی بر حالت ایده‌آل مطلوب برای ساختن تولید مقاومت به عنوان یک توانمند کننده برای تولید ارزش و موفقیت کل سرمایه‌گذاری تجاری است. در این حالت طراحی محصولات مقاوم تر یک فرایند مجازی خواهد بود که توسط گروه کاملی از ابزارهای مبتنی بر کامپیوتر انجام می‌شود که این ابزارها امکان ارزیابی الزامات مقاوم سازی و احتمالات جایگزینی محصول را فراهم خواهند آورد. علاوه بر این، سیستم های مشاوره ای با دانش به انتخاب بهترین جایگزین برای همه زیر مونتاژ ها و مواد را ممکن خواهند ساخت.
برای بهبود ایجاد ارزش، در آینده تولید محصولات با ارزیابی همه جایگزین ها پشتیبانی خواهد شد. این جایگزین ها شامل فرآیندها و سایر منابع مورد نیاز برای تولید بهترین جایگزین ها به منظور بهینه سازی و ایجاد ارزش کلی است. این جایگزین ها که شامل مقاوم سازی میز می شود توسط سیستم های مبتنی بر دانش پشتیبانی خواهند شد. تعامل بین مواد و فرایندها به طور کامل بر اساس قواعد علمی طرح ریزی خواهد شد. تحلیل تعامل انتخاب مواد و فرایند شامل هزینه، زمان و تاثیرات ، عملی خواهد بود. در آینده شرایط مواد، منابع، زباله ها و گاز های منتشر شده به صورت برخط و مداوم قابل رصد خواهد بود. توانایی بالای در مدلسازی و شبیه سازی برای فرایندهای منفرد وجود خواهد داشت و این توانایی ها از طریق فرآیندها یکنواخت خواهد شد و دانش جدید به دست آمده راهنمای ارزیابی خواهد بود.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2.4 اندازه گیری های مکانیکی و مشخه یابی ریزساختار
نمونه های سینتر شده با استفاده از ورق های سیلیکون کاربید و سوسپانسیون الماس به ضخامت 0.5 میکرومتر جلا داده شدند. چگالی حجم نمونه با استفاده از روش ارشمیدس با اتانول به عنوان محیط غوطه وری اندازه گیری شد. چگالی Al2O3 و GPL بکار رفته، 3.97 و 2.1 گرم در مترمکعب بود. چگالی نسبی با تقسیم چگالی توده به چگالی نظری مخلوط پودر محاسبه شد. آزمایشات سختی ویکرز تحت فشار 1 کیلوگرم انجام شد. استحکام خمشی و چقرمگی شکست نمونه های سینتر شده با استفاده از تست های خمش چهار نقطه ای روی Instron 6025 بدست آمد. در آزمون های استحکام خمشی، نمونه ها در اندازه ی 13 × 2 1.5 2/1 میلیمتر ماشینکاری شدند. طول دهانه و سرعت باز شدن فک ها برای تست های استحکام 10 میلیمتر و 0.05 میلیمتر در 1 دقیقه بود. برای جلوگیری از تمرکز تنش، تمام لبه ها و گوشه های نمونه ها با استفاده از کاغذهای سنگ زنی SiC محفوظ شدند. از روش پرتو V-notch تک لبه برای تعیین چقرمگی شکست نمونه های سینتر شده در دمای اتاق استفاده شد. نمونه های 15× 3× 2 میلیمتر برای اندازه گیری چقرمگی، ماشینکاری شدند. شکاف در مرکز نمونه های آزمایش توسط یک چرخ الماس برش خورده و با استفاده از تیغ به کمک خمیر الماس تا 1 میکرون تیزتر می شود. نسبت بین عمق شکاف و ضخامت نمونه تقریباً 0.25 بود. دهانه های داخلی و خارجی از 6 و 10 میلیمتر و همچنین یک سرعت متقاطع 0.05 میلیمتر در دقیقه در تست های چقرمگی استفاده شد. برای هر ماده 5 نمونه آزمایش شد. از SEM برای بررسی سطوح شکست سرامیک ها و نمونه های صیقلی اچ شده حرارتی استفاده شد. اندازه دانه به کمک نرم افزار (UTSHCSA ، ایالات متحده) اندازه گیری شد. حداقل 200 داده برای اندازه گیری اندازه دانه هر ماده انجام شد. میکروسکوپ رامان (Renishaw InVia Reflex و Witec Alpha 300R) برای توصیف GPL ها در مخلوط های پودری و نمونه های سینتر شده با طول موج لیزر 532 نانومتر استفاده شد. برای بررسی محتویات GPL در نمونه های مصنوعی، آنالیز گرماسنجی حرارتی (TGA ، NETZSCH (STA 449C) انجام شد. نمونه های سینتر شده با استفاده از یک مش 140 برای خرد کردن مخلوط پودر برای روش TGA ، آسیاب و الک شدند. در هر آزمایش، یک مخلوط پودر 100 میلی گرمی در یک بوته Al2O3 قرار داده شد و در محدوده دمایی بین 200 تا 800 درجه سانتیگراد در هوا بررسی شد. 800 درجه سانتیگراد به عنوان حد بالا در آزمایشات TGA با توجه به اکسایش GPLها مطابق با منابع 24-26 در این دما مورد استفاده قرار گرفت.

2.5 آزمایش زیست سازگاری آزمایشگاهی
نمونه ها به شکل دیسک با قطر 18 میلیمتر و ضخامت 2 میلیمتر برای ارزیابی زیست سازگاری ماشینکاری شدند. تمام کامپوزیت های GPL / Al2O3 و گروه کنترل (سرامیک خالص Al2O3) به طور جداگانه در آب یون زدائی شده و با استون به مدت 15 دقیقه به طور جداگانه تمیز شدند تا هر گروه شیمیایی سطحی یا آلودگی سطحی در طی مراحل ساخت و آزمایش مکانیکی، از بین بروند. سپس تمام نمونه ها با قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش یک شبانه روز قبل از آزمایش های بیولوژیکی استریل شدند.
تمام معرف های زیستی از سیگما آلدریچ (Poole UK) به دست آمد، مگر اینکه خلاف این تصریح شود. سنجش MTT به منظور بررسی زنده ماندن خط سلولی قبل از استئوبلاستیک (MC3T3) در نمونه های سینتر شده انجام شد. سلول های MC3T3 از منبع نیتروژن مایع (در گذر) ذوب، کشت در حداقل ماده ضروری Dulbecco (DMEM) (سیگما D6546 ، با 10٪ سرم جنین گاوی ، 2٪ L- گلوتامین ، 2-4٪ 2- [4- (2-هیدروکسی اتیل) – 1-piperazinyl] اتانسولفونیک اسید (HEPES) بافر و 1٪ پنی سیلین-استرپتومایسین) و در 37 درجه سانتیگراد جو رطوبت دار با 5٪ CO2 القاح می شوند. پس از رسیدن به 80٪ تفکیک سلولی ، نمونه ها سانتریفیوژ و دوباره معلق شدند. سپس سلول ها بر روی نمونه های آماده شده در تراکم 50000 سلول در سانتی-متر مربع قرار داده شدند، برای یک دوره زمانی طراحی شده کشت داده شدند و سپس به راحتی با نمک بافر فسفات (PBS) شسته شدند تا از سلول های شناور قبل از آزمایش MTT خلاص شوند.
10٪ وزنی به حجم محلول MTT (5 میلی گرم در میلی لیتر پودر MTT در PBS) با هر روش اضافه شد. پس از لقاح به مدت 4 ساعت در دمای 37 درجه سانتیگراد، 1 میلی لیتر حلال (0.1 میلی لیتر در اسید هیدروکلریک در 2-پروپانول) اضافه شد و به مدت 2 دقیقه مخلوط شد تا بلورهای فرمازان تشکیل شوند. محلول فرمازان درون یک صفحه 96 قرار داده شد. داده های جذب با استفاده از اسپکتروفتومتر میکروپلیت (Glowmax Multi ، Promega Southampton ، UK) در طول موج 560 نانومتر بدست آمد.
مجموعه دیگری از آزمایش های چسبندگی سلول با استفاده از سلول های بنیادی مغز استخوان (BMSCs) انجام شد. سلول های اولیه از استخوان درشت نی استخراج و سپس در آلفا MEM کشت داده شدند (با 10٪ سرم جنین گاوی ، 2٪ L- گلوتامین ، 1٪ پنی سیلین-استرپتومایسین و 2.4 HE HEPES بافر) و در 37 درجه سانتیگراد در جو رطوبت دار با 5٪ CO2 لقاح می شوند. BMSC از کشت سلولی جدا شد و سپس بر روی نمونه های آماده کشت گذاشته شد. در همین حال، بسترهای پلی اتیلن و پلی آمی متیل سیلوکسان (PDMS) به ترتیب به عنوان منابع مثبت و منفی مورد استفاده قرار گرفت. سلول ها در انکوباتور در 37 درجه سانتیگراد با آلفا MEM مکمل کشت داده شدند. پس از 3 روز کشت سلولی، سلول ها با 1ug / ml Calcein و 1ug / ml Propidium Iodide رنگ آمیزی و در میکروسکوپ های فلورسانس بررسی شدند.

3. نتایج و بحث
3.1 تأثیر محتوای GPL بر ریزساختارها و خواص مکانیکی کامپوزیت های GPL / Al2O3
3.1.1 محتوای GPL در کامپوزیت های سینتر شده
نتایج آزمایشات TGA در شکل S2 نشان داده شده است. مشخص شده که کامپوزیت های سینتر شده GPL / Al2O3 به ترتیب 0.4 ، 0.69 و 0.79 درصد وزنی٪ GPL دارند و درصد حجم مربوط به GPLها در کامپوزیت های سینتر شده 0.75 ، 1.3 و 1.48 درصد حجمی که پایین تر از مقدار اسمی GPLs در کامپوزیت ها هستند را نشان می دهد. بخشی از GPLها در طی فرآیند پخت درجه حرارت بالا مصرف می شوند.

3.1.2 ریزساختار نمونه های از پیش تهیه شده
سطوح شکست نمونه های سینتر شده در شکل 2 نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که زمینه خالص Al2O3 یک حالت شکست بین دانه ای را نشان می دهد در حالی که کامپوزیت های Al2O3 تقویت شده با GPL در حال حاضر هر دو حالت شکست بین دنده ای و درون دانه ای دارند. حالت شکست توسط استحکام زمینه سرامیکی و مرزدانه بین آنها تعیین می شود. برای Al2O3 خالص، مقاومت مرزهای دانه ضعیف تر از دانه Al2O3 است، که باعث می شود در امتداد مرزهای دانه شکاف ایجاد شود. در حالی که برای کامپوزیت های Al2O3 تقویت شده با GPL ، حالت شکست مشاهده شده حاکی از مرز دانه های تقویت شده و بهبود متوسط چقرمگی شکست است]27[. علاوه بر این، اندازه دانه زمینه Al2O3 با افزایش درصد GPLها کاهش می یابد، که این امر به اثر گیرافتادن GPLها در مرزهای دانه نسبت داده می شود. برای به دست آوردن اندازه متوسط دانه زمینه Al2O3 ، سطوح نمونه های سینتر شده حرارتی و صیقلی اچ شده با استفاده از SEM مشخصه یابی شدند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، با افزودن GPLها کاهش قابل توجهی در تعداد دانه مشاهده می شود. با افزایش درصد GPLها، زمینه های Al2O3 یک ریزساختار یکنواخت تر و ریزتر را نشان می دهند. اندازه دانه های زمینه های Al2O3 در شکل S3 ترسیم شده است. مشاهده می شود که با افزایش غلظت GPLها از 0 تا 1.48 درصد حجمی، اندازه دانه ها از 4.31 به 2.87 میکرومتر کاهش می یابد. انتظار می رود، پالایش قابل توجه در ریزساختار زمینه به افزایش سختی و استحکام خمشی کمک کند. ریزساختارهای بدست آمده در مطالعه حاضر با استفاده از ذرات Al2O3 خام با اندازه nm 150 با گزارش های قبلی که در آن اندازه ذرات Al2O3 خام بین nm 140-150 بود، مقایسه شد [28, 29]. در کار سانتاناچ ، Al2O3 یکپارچه با اندازه دانه µm 7.5 با استفاده از SPS در دمای 1500 درجه سانتیگراد تولید شد [28]؛ در حالی که در این کار Al2O3 خالص تهیه شده در دمای 1650 درجه سانتیگراد با استفاده از سینترینگ (تفجوشی) با فشار کمتر، اندازه دانه بسیار کوچک تری دارد. این نتیجه دلالت بر این دارد که نرخ انتقال جرم و رشد دانه در Al2O3 یکپارچه در سینترینگ با فشار کم در مقایسه با فرآیند سینترینگ به کمک فشار، آهسته تر است. با این حال، اندازه دانه (µm 2.87) به دست آمده برای کامپوزیت GPL / Al2O3 ، 1.4 درصد حجمی در مطالعه حاضر بزرگتر از اندازه دانه (زیر µm 1) برای کامپوزیت GPL / Al2O3 0.59 درصد حجمی در دمای پایین تر (1500 درجه سانتیگراد) با استفاده از SPS است [29]. این واقعیت نشان می دهد که رشد دانه Al2O3 نسبت به محتوای GPLها به دمای سینترینگ حساس تر است و نرخ رشد دانه در کامپوزیت های GPL / Al2O3 می تواند در سینترینگ با فشار کم به دلیل دمای سینترینگ نسبتا بالاتر از سینترینگ فشاری، بیشتر باشد.

3.1.3. طیف های رامان از GPL اولیه و GPLها پس از آسیاکاری گلوله ای و سینترینگ
طیف های رامان GPL اولیه و GPLها بعد از فرآیند آسیاکاری گلوله ای در شکل S4 نشان داده شده است. کاملا مشهود است که پیک های D در GPLها در مخلوط های پودری، شدت های کمتری نسبت به پیک های D در GPL اولیه نشان می دهند.
برای به دست آوردن فهم بیشتر در مورد ساختارهای GPLها، پارامترهای رامان در جدول 1 گردآوری شده است. ذکر شده است که GPLها در مخلوط های پودری نسبت های بسیار کم تری از شدت های پیک های D به G (ID/IG) در مقایسه با GPLهای اولیه نشان می دهند، که این امر نشان دهنده کاهش نواقص در GPLهاست [18]. این نتیجه را می توان با آگلومراسیون (انباشتگی) GPLها در حین آسیاکاری گلوله ای توضیح داد، که منجر به کاهش تعداد نواقص لبه ای می شود. از طرف دیگر، نسبت I2D/IG در GPLها در مخلوط های پودری کم تر از این نسبت در GPL اولیه است، که وقوع مجدد یک آگلومراسیون در GPLها را نشان می دهد. علاوه بر این، با افزایش درصد GPLها نسبت I2D/IG کاهش می یابد، که دلالت بر افزودن درصد بالایی از GPLها دارد که تمایل بیشتری به تشکیل آگلومره های GLP دارد [22]. این استدلال را می توان با افزایش پهنای کامل در نصف ارتفاع پیک بیشینه (FWHM) باندهای دو بعدی همراه با افزایش درصد GPLها پشتیبانی کرد.

طیف های رامان GPL اولیه و GPLها در نمونه های سینتر شده در شکل 4 مقایسه شده است. مشاهده می شود که GPLها در نمونه های سینتر شده، زمینه های طیفی بسیار بالاتری را در مقایسه با GPL اولیه نشان می دهند. زمینه های طیفی افزایش یافته را می توان به فعل و انفعال GPLها با Al2O3 در طی فرآیند سینترینگ نسبت داد. در همین حال، بدیهی است که GPLها پس از سینترینگ، به طور قابل توجهی نواقص گرافیتی بیشتری را (ID / IG) نشان می دهند، و وجود حالت D + G در نمونه های سینتر شده مشاهده می شود. از طرف دیگر، همچنین ذکر شده است كه GPLها در نمونه های سینتر شده اثرات بسیار ضعیف تری از G و باندهای دو بعدی را در مقایسه با GPL اولیه نشان می دهند، که این امر دلالت بر ایجاد آسیب طی فرآیند سینترینگ دارد. نتایج مشابهی در کار مارک گزارش شد که در آن پیک های G و 2 بعدی کاهش یافته و بعد از آن ایجاد آسیب در GPLها توسط یک لیزر پالسی مشاهده شد [30]. نشان داده شده است که GPLها می توانند به آسانی مولکول-های اکسیژن را جذب کرده و دوپ کردن حفره در GPLها توسط مولکول های اکسیژن می تواند در دمای نسبتاً کم (300 درجه سانتیگراد) اتفاق بیفتد، که این امر یکپارچگی GPLها را تغییر داده و باعث تغییر مکان باند G می شود [31-33]. با این حال، در کار ما از دمای سینترینگ بسیار بالا (1650 درجه سانتیگراد) استفاده شده است و انتظار می رود علاوه بر دوپ کردن حفره، فعل و انفعال بین GPLها و اکسیژن در چنین دمای بالایی، به طور قابل توجهی افزایش یابد. در نتیجه، GPLها ممکن است قادر به واکنش با مولکول های اکسیژن برای تشکیل گاز دی اکسید کربن باشند، که این امر منجر به اتلاف GPLها می شود.

مطالعه آزمایشی اثر پارامترهای برش بر نیروی برش در فرآیند چرخش

xperimental study of Effect of Cutting Parameters on Cutting Force in Turning Process

مقدمه
نتیجه گیری

چکیده
: هدف از این مقاله, مطالعه اثر پارامترهای برش بر نیروی برش (Fc) و نیروی تغذیه در فرآیند چرخش است. آزمایشات روی یک ماشین تراش مرکز دقت انجام شدند و تاثیر پارامترهای برش با استفاده از تحلیل واریانس (ANOVA) بر اساس یک رویکرد تنظیم شده مطالعه شد. بر اساس اثرات اصلی, نمودارهای به دست آمده از طریق طراحی عامل کامل, سطح بهینه برای زبری سطح و نیروی برش و عمق برش انتخاب شدند و تعامل تغذیه و عمق برش به طور چشمگیری بر واریانس تاثیر گذاشت. در مورد زبری سطح, از سه سطح از پارامترهای در نظر گرفته شده, معادله رگرسیون خطی نیروی برش نشان داده است که تغذیه, عاملی موثر است و تعامل تغذیه و سرعت نیز به همین ترتیب. چرخش فولاد نرم با استفاده از Hss یکی از عملیات های ماشین کاری اصلی در صنعت تولید است که نقش چشمگیری در بهینه سازی پارامترهای برش دارد و این تحقیق به آن می پردازد.
1- مقدمه
چرخش, یک شکل از ماشینکاری است, یک فرآیند حذف ماده که برای خلق قطعات چرخشی با برش مواد غیرلازم استفاده می شود. فرآیند چرخش به ماشین یا ماشین تراش, قطعه کار, پیچ و بست ها و ابزار برش نیاز دارد. قطعه کار, یک قطعه از ماده ای از پیش شکل یافته است که چفت و بست می شود که و به خودی خود به ماشین چرخش متصل می شود تا چرخش در سرعت های بالا میسر شود. برشگر معمولاً یک ابزار برش تک نقطه ای است که در ماشین تامین می شود. ابزار برش, به قطعه کار دوار تغذیه می شود و ماده را به شکل تراشه های کوچک برای رسیدن به شکل مطلوب می برد.

نتیجه گیری

از آزمایشات, نشان داده شده است که سرعت تغذیه دارای تاثیر چشمگیری بر نیروی برش و زبری سطح است. سرعت برش هیچ اثر چشمگیری بر نیروی برش و زبری سطح قطعه کار انتخاب شده ندارد. عمق برش دارای اثر چشمگیر بر نیروی برش است, اما یک اثر غیر چشمگیر بر زبری سطحی دارد. در بهینه سازی فرآیند چرخش با توجه به مصرف توان, تمرکز باید بر انتخاب یک ترکیب مناسب سرعت تغذیه و عمق تغذیه باشد. زبری سطحی بهینه را می توان با انتخاب مقادیر نسبتاً بالای سرعت (بیش از 65.37 متر در دقیقه), مقادیر بالاتر عمق برش (بیش از 0.75 میلی متر) و مقادیر نسبتاً پایین از نرخ تغذیه (کمتر از 0.10 میلی متر بر دور) به دست آورد.

Abstract

The purpose of this paper is to study the effect of cutting parameters on cutting force (Fc) & feed force in turning Process. Experiments were conducted on a precision centre lathe and the influence of cutting parameters was studied using analysis of variance (ANOVA) based on adjusted approach. Based on the main effects plots obtained through full factorial design, optimum level for surface roughness and cutting force were chosen depth of cut, and the interaction of feed and depth of cut significantly influenced the variance. In case of surface roughness, from the three levels of cutting parameters considered Linear regression equation of cutting force has revealed that feed, the influencing factors were found to be feed and the interaction of speed and feed. As turning of mild steel using HSS is one among the major machining operations in manufacturing industry, the revelation made in this research would significantly contribute to the cutting parameters optimization.

1- Introduction

Turning is a form of machining, a material removal process, which is used to create rotational parts by cutting away unwanted material as shown in Figure 1.1.The turning process requires a turning machine or lathe, work piece, fixture, and cutting tool. The work piece is a piece of pre-shaped material that is secured to the fixture, which itself is attached to the turning machine, and allowed to rotate at high speeds. The cutter is typically a single-point cutting tool that is also secured in the machine. The cutting tool feeds into the rotating work piece and cuts away material in the form of small chips to create the desire shape.

CONCLUSION

From the experiments it is shown that the feed rate has significant influence on both the Cutting force and Surface roughness. Cutting Speed has no significant effect on the cutting force as well as the surface roughness of the chosen work piece. Depth of cut has a significant influence on cutting force, but an insignificant influence on surface roughness. In turning process optimization with respect to power consumption, the focus should be on choosing an appropriate combination of feed rate and depth of cut. Optimum surface roughness can be achieved by selecting relatively higher values of speed (>65.37m/min), higher values of depth of cut (>0.75mm), and relatively lower values of feed rate (<0.10mm/rev).

مطالعه آزمایشی اثر پارامترهای برش بر نیروی برش در فرآیند چرخش

xperimental study of Effect of Cutting Parameters on Cutting Force in Turning Process

تجزیه و تحلیل مشخصه دینامیک دوک برای سیستم بازسازی ماشین محور

Dynamic Characteristic Analysis of the Spindle for the Oriented Machine Remanufacturing System

It was researched by a CNC spindle system after remanufacturing as the object, used the finite element analysis software ANSYS spindle system .Firstly, the urgency of the remanufacturing spindle and processing is analyzed; secondly it was established by the finite element model and being dynamic performance analysed, it was obtained by first five natural frequencies, vibration type and the largest integrated deformation on the specific conditions and different structural parameters of the spindle system; they are analyzed by the supporting stiffness, the supporting span and other structural parameters of the spindle system low natural vibration characteristics and its antivibration performance. For the spindle system dynamic design and similar components and residual stress VSR process provides a useful analysis of data and feasible method of analysis.

1 Introduction

The machine tool spindle is the important components for the precision machining of the machine. Because the spindle system dynamic performance plays a key role in affecting the machining accuracy, it is particularly important to research the remanufactured spindle components and analyze the function of the repaired spindle.

With the rapid development of China’s industries, the demand for CNC machine tools is increasing, the country has a large technical equipment control technology, design technology and assembly technology as a key development direction [1]. The nature of remanufacturing is the machine repair, is a high-tech restore, academician Binshi xu led research team is the pioneer remanufacturing technology, they has been successfully applied the surface of the repair technique to the machine remanufacturing recovery of mechanical precision [2]. The CNC machine tools is a key production line equipment, machines parts the specification, high precision, expensive features, does not allow waste, so large machine remanufacturing of machinery is high precision [3, 4]. Deformation caused by machine vibration source is complex, the processing errors are not easy to identify, the cause of the vibration generated by the machine movement has a significant impact on machining accuracy, especially straightness errors in the vertical plane, will directly affect the ultimate precision machine tools [5, 6, 7].The effect of vibration on the machine is one serious problem of large machine tools remanufacturing [8, 9].

This paper analyzes the spindle through the static and dynamic performance [10, 11], before the re-manufacturing to make reasonable arrangements for the parameters of the spindle, increase the accuracy level is too high to avoid causing parts remanufacturing costs [13].

همترازی قطعه خام خودکار توسط یک رویکرد جدید بینایی ماشین

Automated raw part alignment by a novel machine vision approach

چکیده
1- مقدمه
1-1- همترازی قطعه خام: ارتباط و مشکل ساز
1-2- آخرین وضعیت
2- خودکارسازی همترازی قطعه
2-1- مشخصات قطعه خام
2-2- رمزگشایی هندسه اتوماتیک
2-3- الگوریتم همترازی خودکار قطعه خام
2-4- همترازی در ماشین
3- نتایج و نتیجه گیری

چکیده
قطعات خام بزرگ قبل از شروع فرآیند ماشینکاری، به فرآیند زمانبر همترازی با ابزار ماشین نیاز دارند. فرآیند همترازی به دو مرحله نیاز دارد: اول، خصوصیات هندسه، و دوم، همترازی. مهارت های مهم لازم هستند و علاوه بر مصرف زمان برای نیروی کار و ماشین آلات، ریسک وارد شدن به کمبود مواد بالا است. در این مقاله یک راه حل جدید همترازی خودکار بر اساس تکنولوژی دید در سه بعدی، با هدف به حداقل رساندن زمان فرآیند همترازی قطعه خام ارائه شده است. پتانسیل این راه حل برای کاهش زمان فرایند همترازی در ابزارهای ماشین در موارد آزمایشی سنگ زنی نشان داده است.
1- مقدمه
1-1 همترازی قطعه خام: ارتباط و مشکل ساز
یک مسئله مهم برای حل توسط اپراتورهای ماشین ، محل اولیه قطعه خام است. قطعات اولیه توسط فرآیندهای نادرست مانند ریخته گری و یا جوش تولید می شوند و دارای سطوح و یا ویژگی های قابل اعتمادی که فرآیند موقعیت یابی اولیه را سهل می نماید نیستند.
همترازی اولیه قطعه در دستگاه یک فرایند حیاتی است، زیرا ماده اضافی قطعه اولیه (مقدار بیش از حد) با توجه به قطعه نهایی باید در تمام سطوحی که ماشینکاری می شود توزیع شود. اگر قطعه طوری واقع شده باشد که ماده اضافی بیش از حد در یک سطح وجود داشته باشد، این امکان وجود دارد که کمبود ماده در محل مخالف وجود خواهد داشت و در نتیجه قطعه خراب خواهد شد. هزینه خراب شدن می تواند نه تنها به خاطر هزینه های قطعه خام، بلکه به دلیل هزینه فرآیند ماشینکاری تا کنون انجام شده بسیار بالا باشد.
با توجه به زیان بالا (پول، انرژی، و زمان) در ارتباط با رد قطعه، همترازی اولیه توسط فرآیندهای طولانی زمانبر انجام می شود. روش های مختلف برای تنظیم وجود دارند که همه آنها دارای یک بخشی خاصی از فرآیند هستند که بر روی خود دستگاه انجام می شود. این فرایند نیروی کار-محور است و معمولا به روشی غیرتکراری (فرآیند خاص قطعه) با ریسک بالای خطا انجام می شود.
یک روش همترازی معمولی شامل دو مرحله می شود: 1. مشخص کردن قطعه، 2. تنظیم قطعه. خصوصیات قطعه خام را می توان بر روی یک ماشین اندازه گیری مختصات (CMM) انجام داد، اما انجام آن تنها با قرار دادن قطعه بر روی سطح صاف و با استفاده از دستگاه های اندازه گیری ارتفاع غالب است (شکل 1). این جایگزین برای CMM-S در هنگام کار با قطعات بسیار بزرگ بسیار غالب است.

Abstract

Large raw parts require a long time consuming process of alignment into the machine tool, before the machining process starts. Alignment process requires two steps: first, characterization of geometry, and second, alignment. Important skills are necessary, and, besides the time consumption of workforce and machine, the risk of getting into shortage of material is high. The paper presents a novel automated alignment solution based on 3D vision technology, with the aim of minimising the total raw part alignment process time. The potential of the solution to reduce the alignment process time in machine tools is demonstrated in milling pilot cases.

1- Introduction

1-1 Raw part alignment: relevance and problematic

One important issue to solve by the machine operators is the initial location of the raw part. Raw parts are produced by inaccurate processes like casting or welding, and they don’t have reliable surfaces or features that ease the process of initial positioning.

Initial alignment of the part at the machine is a critical process, as the excess material of the raw part (overstock) with respect to the final part has to be distributed at all the surfaces to be machined. If the part is located so that there is too much excess material at one surface, it is quite possible that there will be shortage of material at the opposite site, and therefore the part will be spoiled. Cost of spoiling can be very high, not only because of the cost of the raw part, but also because of cost of the machining process performed so far.

Due to the high loss (money, energy, and time) associated to the rejection of a part, initial alignment is done by long time consuming processes. There are different approaches for that setting, all of them having a certain part of the process being performed on the machine itself. This process is labour intensive, usually performed in a nonrepetitive way (part specific process), with high risk of error.

A typical alignment method consists of two steps: 1. Part characterisation, and 2. Part setting. Raw part characterisation could be done on a Coordinate Measuring Machine (CMM), but it is more frequent for it to be done by just putting the part on a flat surface and using height measurement devices (Fig. 1). This alternative to the CMM-s is especially frequent when dealing with very large parts.