CN109663891A - 射芯设备和用于控制射芯设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种射芯机(1)，所述射芯机用于通过将芯砂混合物(21)喷射到与所述射芯机(1)相关联的芯盒(18)中的至少一个空腔(19)中的过程来生产芯。所述射芯机(1)包括：处于可调整的初始机器压力(P₀)的压缩空气源(10)，所述可调整的初始机器压力(P₀)是所述过程的一个可调整的过程条件；以及喷射头(13)，所述喷射头通过包含有电子控制的喷射阀(11)的至少一个管道(12)而流体地耦合到所述压缩空气源(10)，所述喷射头(13)被配置成容纳一定量的所述芯砂混合物(21)，从而产生所述喷射头(13)的一定的填充度，所述填充度是所述过程的一个可调整的过程条件；计算装置(50、60)，所述计算装置与所述射芯机(1)相关联，所述计算装置(50、60)被配置成执行所述过程的模拟，所述模拟使用所述过程的模型，所述计算装置(50、60)被配置成被告知若干过程条件，包括所述可调整的过程条件。

Description

射芯设备和用于控制射芯设备的方法

技术领域

本公开涉及包括粒状材料的流动的过程，其中压缩空气的膨胀是用于向空腔填充粒状材料的驱动力，例如，以便制备将要在用于铸造金属的模具中使用的芯，例如砂芯。本公开还涉及用于控制机器以生产由例如砂芯的粒状材料组成的塑型主体的机器的计算机实施的方法。

背景技术

在多种铸造过程中广泛地使用砂芯以使用多种多样的金属合金类型来生产金属铸造零件以用于广泛的应用。砂芯表示铸件的内部中空的结构。砂芯的基本要求涉及机械强度、尺寸精度和化学稳定性。砂芯由基本的砂(粒状材料)和粘结剂系统组成。在主要的芯生产过程之前，使用特定设备将砂、粘结剂组件和任选地添加剂混合在一起。对于主要生产过程，使用射芯机。

在工业实践中广泛地使用通过使用所谓的射芯机来生产砂芯。射芯是高度复杂的过程，其特征在于空气和砂的耦合流动。在实践中，所述过程是受控应用的试错，直到所述过程对连结到机器的特定芯盒有效为止。所述过程在实践中具有若干不确定性，从而导致可变的砂芯质量。在现有技术机器中，实际上不存在可以能够根据可变的过程条件来重新调整过程压力和其它过程条件的可用的动态机器控制。

在本领域中，基本上缺少对确定瞬态过程序列的重要状态变量的测量。实际上，不存在用于单独地确定空气和砂的瞬态质量流量、相关机器位置内还有芯盒内的局部位置处的速度的测量能力。

得到缺失的信息将实现在工业实践中生产可靠的芯的极大改进。实时地(计算的时间短于循环时间)确定瞬态过程条件将使得能够在一个生产循环与下一个生产循环之间调整过程条件。这将实现动态和实时的过程控制。

发明内容

目的是提供一种克服或者至少减少上文提及的问题的射芯机。

由独立权利要求的特征来实现前述和其它目的。从附属权利要求、描述和图式中容易明白其它实现方式。

根据第一方面，提供一种用于射芯机，所述射芯机用于通过将芯砂混合物喷射到与所述射芯机相关联的芯盒中的至少一个空腔中的过程来生产芯，所述射芯机包括：

压缩空气源，所述压缩空气源处于可调整的初始机器压力P₀，

所述可调整的初始机器压力P₀是所述过程的一个可调整的过程条件，以及

喷射头，所述喷射头通过包含有电子控制的喷射阀的至少一个管道而流体地耦合到所述压缩空气源，

所述喷射头被配置成容纳一定量的所述芯砂混合物，从而产生所述喷射头的一定的填充度，

所述填充度是所述过程的一个可调整的过程条件，以及

计算装置，所述计算装置与所述射芯机相关联，所述计算装置被配置成执行所述过程的模拟，所述模拟使用所述过程的模型，

所述计算装置被配置成被告知若干过程条件，包括所述可调整的过程条件，

通过向射芯机提供被配置成模拟射芯过程的计算装置，有可能提供对所述射芯机的所述可调整的设定/过程条件中的任一者的推荐。这允许在所产生的芯的质量差到不可接受的水平之前调整射芯机来改变条件。因此，所产生的芯的质量可以维持在稳定高的水平并且时间是安全的，这另外用于对可调整的设定/过程条件的经验(试错)调整。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置被配置成执行所述过程的模拟以基于所执行的模拟的结果来确定一个或多个可调整的过程条件的改进设定或最佳设定。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置被配置成针对每个过程循环或者针对每批给定数目的过程循环来执行模拟。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置被配置成在比过程循环周期更少的时间内并且优选在每个过程循环期间执行模拟。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述模型是所述过程的数学-物理模型，优选的是，所述模型是所述过程的简化的数学-物理模型。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述模型是所述过程的简化的一维表示，所述简化的一维表示优选是在主要局部流方向上考虑的。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置被告知并且所述模型考虑到以下过程条件中的一者或多者：

-所述电子控制的喷射阀的开启时长，

-电子控制的喷射阀的特性，

-喷射阀的开启程度曲线，

-所述管道在喷射阀上游的部分的形状和尺寸，

-所述管道在喷射阀下游的部分的形状和尺寸，

-所述喷射头的形状和尺寸或者容积，

-喷射缸的形状和尺寸或者容积，

-开口的形状、尺寸和数目，

-压缩空气源的特性，例如，与所述压缩空气源相关联的压缩空气容器的容积，

-喷射喷嘴的形状、尺寸和数目，

-空腔的形状、尺寸和数目，

-通风孔的数目、特性和位置

-芯砂混合物的性质，例如粒度、流变性质、粘结剂性质。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置耦合到所述射芯机。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置是所述射芯机的一部分。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述射芯机包括用于检测填充度的传感器，所述传感器耦合到所述计算装置。

在所述第一方面的可能的实现形式中，所述计算装置被配置成基于所执行的对所述初始机器压力P₀和/或所述填充度H的模拟的结果而提供推荐值。

根据第二方面，提供一种用于控制射芯机的方法，所述射芯机用于通过将芯砂混合物喷射到与所述射芯机相关联的芯盒中的至少一个空腔中的过程来生产芯，所述射芯机包括：

压缩空气源，所述压缩空气源处于可调整的初始机器压力P₀，

所述可调整的初始机器压力是所述过程的可调整的过程条件P₀，以及

喷射头，所述喷射头通过包含电子控制的喷射阀的至少一个管道而流体地耦合到所述压缩空气源，

所述喷射头被配置成容纳一定量的所述芯砂混合物，从而产生一定填充度的喷射头

所述填充度是所述过程的可调整的过程条件，

所述方法包括在计算装置上使用所述过程的模型并基于若干过程条件，包括所述可调整的过程条件，来执行所述过程的模拟，

并且基于所执行的模拟的结果来确定一个或多个可调整的过程条件的改进值或者最佳值，并且根据所述所确定的改进值或者最佳值来调整所述可调整的过程条件中的一者或多者。

在所述第二方面的可能的实现方式中，所述方法包括求解耦合方程组以确定所述芯砂混合物和空气的瞬态流体流量。

在所述第二方面的可能的实现形式中，所述模型是所述过程的数学-物理模型，优选的是，所述模型是所述过程的简化的数学-物理模型。

在所述第二方面的可能的实现形式中，所述模型是所述过程的简化的一维表示，所述简化的一维表示优选是在主要局部流方向上考虑的。

在所述第二方面的可能的实现方式中，所述方法包括基于所执行的对所述初始机器压力P₀和/或所述填充度H的模拟的结果而提供推荐值。

根据第三方面，提供包括计算机程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时使得所述处理器实施根据所述第二方面的可能的实现方式中的任一者的方法，所述计算机可读存储介质包括：

使用射芯机进行射芯的过程的计算机模型的软件代码，

用于使用所述模型来执行所述过程的数值模拟的软件代码，

用于输出所述过程的可调整的过程条件的推荐值或者最佳值的软件代码。

将通过在下文描述的实施例明白这些和其它方面。

附图说明

在本公开的以下详细部分中，将更详细地参考在图式中示出的示例性实施例来阐释所述方面、实施例和实现方式，其中：

图1说明识别用于过程的功能部分和芯盒的典型的射芯机的基本设置，所述芯盒包含表示将要生产的砂芯的形状的实例的空腔。

图2说明图1的射芯机的示意性设置，其示出与射芯机相关联的相关机器部分和阀的代表性直径、容积。

图3是说明控制图1的射芯机的方法的流程图。

图4a是表示在少量喷射喷嘴下在不同位置处的计算输出、瞬态压力曲线的图表的实例。

图4b是表示在增加数目的喷射喷嘴下在不同位置处的计算输出、瞬态压力曲线的图表的实例。

图4c是表示计算输出、瞬态空气质量流量和砂质量流量的图表的实例。

图5a是耦合到射芯机的控制单元的控制模块的图解表示，

图5b是集成到射芯机的控制单元中的控制模块的图解表示，以及

图6是集成于3D模拟软件中或者耦合到3D模拟软件的过程控制模块的图解表示。

具体实施方式

在以下详细描述中，详细参考示例性实施例来描述射芯机以及控制所述射芯机的方法。

图1说明示出主要功能部分的射芯设备或机器1的示例性实施例。在实践中，细节可能会变化，但过程原理通常对于各种类型的射芯机1都相同。

所述射芯设备具备压力罐10。所述压力罐10用于在生产循环之前存储特定量的压缩空气(可以使用其它气体)。射芯机1的主体是喷射头13，所述喷射头的顶部通常例如使用盖子13a进行封闭。喷射头13还被称为料斗、喷头或料仓。压力罐10和喷射头13通过一根或多根管子12进行连接。一个或多个电子控制的喷射阀11控制空气通过所述管子12。电子控制的阀或喷射阀11在计算装置60(图5)的控制下操作，所述计算装置是射芯机1的一部分或者与所述射芯机相关联或者耦合到所述射芯机。在所示出的实施例中，喷射缸15插入喷射头13中。在所示出的实施例中，在喷射头13之内但在喷射缸15之外存在外部空间14。空气/气体可透过的开口15a形成让空气流动到喷射缸15中的通道。在实施例(未示出)中，射芯机1被构造成没有喷射缸15。在此实施例中，在喷射头13内部存在简化的空腔14。喷射头13在底部处被喷射板16封闭。在所示出的实施例中，喷射头13的下部部分23朝向喷射板16变宽，从而提供用于与芯盒18相互作用的更大的区域。喷射板16通常含有孔洞，其中空气和芯砂混合物的砂可以流出。喷射板16在实施例中直接连接到芯盒18。在本实施例中，喷射喷嘴17插入到喷射板16的孔洞。喷射喷嘴17还被称为吹管。

喷射喷嘴17将射芯机1连接到芯盒18。通常，如图1的实施例中所示，在喷射板与芯盒18之间形成间隙。芯盒18含有一个或多个空腔19，所述空腔表示将要生产的砂芯的形状。芯盒18通常由两个或更多个部分组成，这取决于砂芯的复杂性。

芯盒18通常含有若干通道20，所述通道用于将空气排出芯盒18。为了使最少的砂流动到这些通道20中，具有减小的开放区域(所谓的通风孔20a)的主体在通道20的末端处定位在与空腔19的接口处。存在具有不同量的开放区域的可用的若干类型的通风孔。通风孔20a示出具有开槽通道的金属主体的典型设计。狭槽宽度通常在例如0.2mm到0.6mm的范围内，这取决于将要使用的基本砂的粒度分布。

如下使用射芯机1生产砂芯：

将特定量的所制备的芯砂混合物21填充到喷射头13中。芯砂混合物21的填充高度H(图2)(除了可能的其它方面之外)取决于射芯机1的大小以及将要填充的芯空腔19的形状、尺寸和数目。优选同时向压力罐10填充压缩空气，直到达到预先界定的喷射压力P0为止。通常，可以在2个极端(例如，2巴和8巴)之间的范围内选择喷射压力。将要施加的喷射压力在现有技术中是通过根据质量标准的试错来确定。通常，更高的喷射压力值产生更好的芯质量，但还会由于增加的磨损(磨耗)影响而减少芯盒18的使用期限。

通过在来自计算装置50的命令下打开一个或多个电子控制的喷射阀11来启动射芯过程。将特殊阀类型用作喷射阀11，所述阀类型打开得非常快，例如在0.1秒到0.3秒内。随后，压缩空气膨胀离开压力罐10，通过管子12进入喷射头13。在区域14中并且在砂22上方的容积中的喷射缸15内，快速地达到高压力水平P1(＜P0)。在最高压力梯度的方向上，空气还开始流过喷射缸15内的芯砂混合物21、向下朝向喷射喷嘴17流动。芯砂混合物的粒状特征以及在局部不同的压实程度导致显著的压力损耗。尤其在垂直方向上存在显著的压力梯度。另一相关影响是在填充有芯砂混合物21的区域内形成压力的显著的时移。流动的空气与芯砂混合物的粒状颗粒相互作用。因此，流动的空气是砂流动的驱动力。砂跟着空气流过喷射喷嘴17进入芯盒空腔19。在流动到芯盒18中时，砂经过加速并且具有特定动能。在空腔19内，流入的砂压实并且减慢。在通过通风孔主体20a将空气排出芯盒18时，芯砂混合物以优选较高的压实程度保持在芯盒空腔19内。

如果所述喷射过程按计划进行，那么空腔19会被砂完全填满，并且在所述喷射过程结束时，所得的砂芯具有较高和均匀的压实程度。在特定时间之后，即，当空腔19被完全填满时，关闭喷射阀11。通过开启喷射头阀(未示出)来排放喷射头13，直到在喷射头13内达到大气压力为止。接下来，喷射头13向上移动，从而允许移除芯盒18以便固化并射出砂芯，其后将砂芯放置回射芯机1中。

芯砂混合物21包括粘结剂，所述芯砂混合物和粘结剂一起通常被称为粘结剂系统。依据粘结剂系统的化学过程，随后应用不同的技术来固化芯。在固化时，沙粒与沙粒上的表面层之间的粘结剂形成固态3D网络，从而产生所得的砂芯的特定机械强度。在固化程序之后，打开芯盒18、移出射芯机1并且射出固化的砂芯。确切的程序可以依据机器类型和芯盒设计而变化。在射出砂芯之后，将芯盒18移动回到射芯机1中并且进行封闭。随后如上文描述重复生产步骤。

使用射芯机1生产砂芯是高产的。依据(例如)芯的大小、空腔19中的芯的数目以及循环时间，可以在一天之内生产大量的芯。

芯生产过程涉及大量的不确定性。生产条件通常不如所需那样进行复制，并且因此芯的质量和废品率可能会意外地变化。从机器角度来看，所述过程在生产循环开始时主要受到压力罐10中的初始压力P₀控制。进行额外的过程控制的另一手段可以是改变喷射阀11的操作，或者添加可以彼此独立地受到控制的其它阀和连接管子。分别在WO2016095179A1、DE112014005849T5中描述了这种类型的过程控制。

所述过程条件在一个生产循环与下一个生产循环之间可能会在某一程度上变化。使用砂重新填充喷射头13通常导致可变的初始砂高度H。在几个循环内可能会将喷射头13喷射空并且随后重新填充。射芯机1内的瞬态过程条件还很大程度上取决于耦合到射芯机1的特定芯盒18。总的空腔容积19、喷射喷嘴17的数目、位置和直径以及通风孔20a的数目、位置和开放区域会影响所述瞬态过程条件。另外，通风孔20a的开放区域可能会由于沙粒和固化的粘结剂对所述开放区域的堵塞而在循环操作中变化。

在现有技术机器中，实际上不存在允许根据所描述的可变的过程条件来重新调整过程压力的可用的动态机器控制。当(例如)喷射头13中的砂高度H在单个生产循环之间变化时，需要对所述过程条件进行重新调整以便维持恒定的过程状态变量并且实现可靠的芯质量。在现有技术中确定(测量)的唯一过程因素是压力罐10中的初始空气压力P₀。

在本领域中，基本上缺少对确定瞬态过程序列的其它重要过程变量的测量。实际上，在现有技术中不存在用于单独地确定空气和砂的瞬态质量流量、相关位置内(射芯机1和芯盒18内)的局部位置处的速度的测量能力。

因此提出通过使用模型对射芯机1内部以及在实施例中还有芯盒18内部的条件的奇迹模拟来获得缺失的信息。数值模拟模仿现实世界射芯过程和射芯机1随时间的操作。数值模拟需要射芯过程或者射芯机的数学-物理模型或者逻辑表示。此模型表示选定的射芯机和射芯过程的关键特性、行为和功能。所述模型表示系统/过程自身，而模拟表示系统/过程随时间的操作。数值模拟使用系统、实体、现象或者过程的模型、数学或者其它逻辑表示作为模拟的基础。

通过数值模拟得到缺失的信息将实现在工业实践中生产可靠的芯的极大改进。进一步提出实时地(即，计算的时间短于循环时间)确定瞬态过程条件使得能够在一个生产循环与下一个生产循环之间调整过程条件。这实现实时过程控制。

虽然基本上缺少对空气和砂的高度动态和耦合的流体流量的测量，但可以通过计算来确定瞬态过程。可以使用数学-物理模型在计算机上模拟所述过程。数学-物理模型用于3D过程模拟。此类软件，例如提供了生产芯的过程模拟的综合能力，包含对芯盒设计的优化。

在实践中，目标是在制造芯盒18之前设计出稳健的芯盒，并且其中过程条件的意外变化不会显著影响芯的质量。在3D过程模拟中，将射芯机1和芯盒18的所有相关部分表示为3D容积。过程模拟计算空气和砂的整个瞬态流量。因此，获得整个过程透明度。

然而，射芯生产循环通常在一分钟的量级内，并且上文提及的软件的3D模拟会持续显著更长时间，并且因此不是用于实时过程控制的适当工具。

在这里提出提供一种用于实时地快速计算所需的信息的方法。在射芯过程中，通过空气的压力梯度来驱动空气和砂流量。可以将所述过程的复杂的3D表示精简为在主要局部流方向上考虑的简化的1D表示。

可以通过使用局部几何容积(V)、直径(d)和距离(高度h和长度l)以及生产相关过程条件(例如，压力罐10中的初始空气压力P₀或者喷射单元15中的芯砂混合物21的高度)以简化的方式来表示射芯机1以及所耦合的芯盒18的相关部分。图2说明计算的输入。

在整个过程的任何位置处计算所有瞬态变量。通常，感兴趣的是检查具有不同的瞬态流量条件的区域。沿着所假设的一维流概述所述过程，第一区域在此实施例中是在喷射阀11前面(上游)的压力罐10和管子12。所关注的下一个区域是喷射阀11。空气压力和空气流条件在喷射阀11的前后相差显著。喷射头13具有两个不同的区域。外部区域14以及喷射缸15的上部部分仅含有空气，具有几乎相同的瞬态行为，这是因为当与空气和砂的所耦合的二相流相比时，单相气体流非常快速。喷射头13的填充有芯砂混合物21的下部内部区特别受到关注。在所述过程期间，喷射头13中的砂水平H根据对芯盒18的填充而降低。根据砂水平的降低，砂上方的空气体积22增加。喷射喷嘴17特别受到关注。当与喷射头13相比时，不同形状的几何形状具有小得多的直径。砂主要通过喷射喷嘴17受到加速。通过喷射喷嘴17的空气和砂的耦合的流需要考虑经过调整的压力损耗条件。在芯盒填充开始时，空气可能容易逃离通风孔主体20a。在那时，在芯盒空腔19中未形成显著的压力，这将减小垂直压力梯度和因此流出喷射头的流体。随着从底部到顶部填充的芯盒18的填充度增加，在通风孔主体20a处用于排气的开放区域逐渐减小。压实通风孔20前方的砂会降低排气功效。另外，空气必须流过被压实的砂，这进一步添加了流动阻力，并且动态地增加压力损耗。需要监测空气和砂的总的质量平衡。当砂在系统内部移动时，在喷射头13、喷射喷嘴17与芯盒空腔19之间计算质量平衡。空气的质量平衡包含机器和芯盒18的不同部分内的初始空气质量以及在所述过程期间的空气损耗，其中空气逃离通风孔20并且因此离开系统。

瞬态过程的确定需要流体动力学领域的任何技术人员从作为现有技术的流体动力学的标准教科书已知的若干基本方程。用公示表示所述方程以进行一维计算：

1.)压力的本构方程，取决于空气的压缩系数：

P/P_ref＝(ρ/ρ_ref)^κ

空气压缩的等熵指数通常可以近似为κ:＝1.4

2.)连续方程，其中空气视为可压缩的并且砂不可压缩：

其中在空气的情况下i＝a并且在砂的情况下i＝s：

a)对于可压缩的空气ρ_a，一维方程是：

b)对于不可压缩的砂，ρ_s＝常数，所得的一维方程是：

3.)动量方程：

源项包含：

a)摩擦损耗(例如，壁摩擦和扰动)，

b)机器特有压力阀中的损耗，使用特征K_v值

c)机器特有管子中的损耗，应用特定摩擦系数λ，

d)例如在喷射缸内的空气与砂之间的界面力，考虑Ws<<W_a：

F_a,s:＝-(β₁+β₂*M_p(z,t))*W_a(z,t)

e)由于砂在喷射喷嘴内的加速而引起的损耗

f)根据d)填充芯盒空腔期间的损耗

g)通风孔内的压力损耗，使用特征ζ值

h)由于砂在z方向上的重量而引起的重力驱动的加速度

所使用的变量的描述：

F_a,s空气与砂之间的界面力[N]

K_V K_V值，压力阀的特征压力[-]

M_p(z)可压缩空气的质量流量[kg/s]

P总空气压力[Pa]

P_ref空气的参考压力(标准条件)[Pa]

Q_p可压缩空气的体积流量[m³/s]

t时间[s]

t₀开启压力罐管子处的阀的时间[s]

U_i(x,y,z,t)相i的速度向量

W_a空气的相速度[m/s]

W_s砂的相速度[m/s]

β₁界面力Fa,s的一次项

β₂界面力Fa,s的二次项

ε_a空气的体积分数[-]

ε_s砂的体积分数[-]

ΔP压力差[Pa]

ζZeta值，恒定压力损耗系数(例如，针对通风孔)[-]

κ可压缩空气的恒定等熵指数κ:＝cP/c_V＝1。4[-]

λ管子中的摩擦系数[-]

ρ密度[kg/m³]

ρ_a空气的可压缩密度[kg/m³]

ρ_ref空气的参考密度[kg/m3](标准条件)

ρ_s砂颗粒的恒定密度[kg/m³]

流体动力学领域的技术人员清楚如何将基本方程与系统中的任何位置的额外项组合在一起。还清楚的是，将空气视为不可压缩将是本申请的简化。此外，数值数学领域的任何技术人员清楚如何求解所得的耦合方程组。

图3中的流程图表示过程控制模块50(还称为计算装置或者电子控制单元)的实施例，其指示基于一维模型的瞬态流量的迭代解。所述流程图中的描述集中于可压缩空气的计算，可压缩空气在可压缩空气与不可压缩的砂的耦合流中处于支配地位。在所述计算中考虑的是所有区域的空气和砂。对所述过程的描述示出空气存在于所有区域(容积)中，并且还示出砂存在于喷射头13的区域中、喷射喷嘴17中以及芯盒空腔19内。

在所述计算开始时，在步骤30中，读入如图1和图2中指示的相关几何形状和过程数据。对于在图中示出的射芯机1，这些是(例如)：

-压力罐10的初始压力P₀和容积，

-从压力罐10到喷射阀11的管子12的直径和长度，

-喷射阀11的特性，例如K_v值和阀开启时间，

-从喷射阀11到喷射头的管子12的长度和直径，

-外部区域14的容积、(有效)直径和高度，

-起初填充有空气的喷射缸15的直径和高度，

-喷射头13的砂填充部分(图2中的具有索引3到5的对应部分)的直径和高度和容积(在未从直径末端高度进行计算的情况下)。

对于芯盒18，有用的数据是：

-可以是不同类型的所有喷射喷嘴17的数目、直径、长度和特定压力损耗，

-空腔19的容积和几何形状特定信息，

-可以是不同类型的所有通风孔主体20a的数目、位置(基本上在垂直方向上区分)和压力损耗性质。

应注意，有意义的模拟并非需要上文列出的所有几何形状和过程数据，并且应注意，还可以使用额外的几何形状和过程数据。

喷射喷嘴17将射芯机1连接到芯盒。如果射芯机1或者芯盒18中的一者被单独地分析，那么它们是两个系统的部分。

数据库可以提供机器专有数据。还可以使用适当的接口经由键盘来手动地键入输入数据。

在步骤31中，设定计算的初始值。随后使用第一时间步骤来开始主要的迭代计算，其中喷射阀11在步骤32中开始开启。

在步骤33中，计算穿过喷射阀11的质量流量。在所述时间步骤结束时，存在压力罐10中还有喷射头13的质量、密度和压力的新的值。

在步骤34中，计算喷射头13的空气容积区域中的空气质量的所得的变化(容积14和22)还有此区域的容积变化(考虑区域21的芯砂混合物水平H的降低)。

在步骤35中，计算容积14和22的空气密度。结果包含所有砂区域中的新的空气压力、新的压力损耗、芯砂混合物21中和喷射喷嘴17中的新的速度。

在步骤36中，检查新的压力损耗是否产生芯盒空腔19中的新的压力，其中所述值在与上一个值相比时位于阈值内。如果否，那么重复步骤34和35。

如果达到所需的精度，那么在步骤37中计算进入芯空腔19中的质量流量。需要考虑两个不同的质量。空腔19中的新的空气质量(其可以减少排放的空气的量)和新的砂质量，其中可以假设芯砂混合物在空腔19内从底部到顶部压实。

在步骤38中，计算新的空气密度(在填充有芯砂混合物的区域上方)。新的密度导致新的空气压力，其中考虑流出通风孔20的空气和局部压力损耗的变化。

在步骤39中，将通风孔20外部的新的压力与参考压力进行比较。如果差值不小于阈值，那么重复步骤37和38。

步骤40检查实际的时间步骤并且计算跳回到步骤32，直到达到为计算考虑的总过程操作时间或者(例如)直到芯盒空腔19被压实的砂(芯砂混合物)完全填满。在非常短的时间内执行总的计算并且总的计算不一定需要高性能计算装置。

在计算结束时，得到系统中的所有不同区域的详细结果。瞬态结果包含空气和砂(芯砂混合物)各自的质量流量和速度。得到其中存在砂和空气的所有区域的空气分数和砂分数。得到所有区域的瞬态质量平衡。这些结果实际上无法进行测量并且因此提供用于设计和操作射芯机1以及优化芯盒18的重要信息。

得到所有区域的空气压力的瞬态结果。图4a和图4b示出针对不同的芯盒18接收到的典型曲线的实例。这些图演示喷射喷嘴17的变化如何影响射芯机1的特定区域内的瞬态压力。图4c示出空气和砂的瞬态质量流量的实例。

压力数据可以直接用于校准并调整机器操作并且用于设计和优化射芯机1。任何合适的计算装置可以独立于射芯机1来使用所述概念。使用过程控制模块50(计算装置或者电子控制单元)所计算的数据还可以用作3D过程模拟中的动态边界条件。

实施例将过程控制模块50链接到射芯机1的计算装置或者将所述过程控制模块集成在所述计算装置内。图5表示示例性实施例。

现有技术射芯机1包含可以链接到常规的计算装置的计算装置或者机器控制单元。所述计算装置可以执行多种多样的服务。过程控制是将要由计算装置执行的典型任务。

为了如上文描述操作主要过程射芯，尤其要控制压力罐10中的初始机器压力P₀。一旦经过调整以通过使用特定芯盒生产出特定的芯，值(例如4巴)便保持恒定。

在现有技术中，不存在考虑其它可变的过程条件的动态调整。具体来说，在初始机器压力P₀、喷射头13的填充度、芯盒18的操作状态、其它机器专有的可变条件与对动态射芯过程的所得的影响之间不存在基于规则的相关性。

所描述的实施例提供射芯过程的动态操作的相关信息。具体来说，系统的所有相关部分的条件与空气和砂的瞬态质量流量相关。过程控制模块50因此使得能够评估过程并且通过实时地调整过程条件来进行动态优化。

实例：

如果(例如)喷射头13的填充度，即，喷射缸15中的砂高度21在两个生产循环之间变化，那么可以使用过程控制模块来计算新的情形，优选在射芯机1内测量新的砂高度值的输入。

优选的是，可以在射芯机1的计算装置60中得到所述数据，并且可以直接地并且优选自动地使用所述数据作为计算的输入。所述计算的输出是如上文描述的整个系统(包含芯盒18)内的瞬态压力。而且，可以得到空气和砂在所述过程期间的瞬态流量，从而指示生产所连结的芯盒18的芯空腔19的填充条件。

通过使用过程控制模块50，可以将填充条件与之前的循环进行比较，或者例如与可以界定当前机器与所使用的芯盒的组合的最佳条件(至少偏好)的参考条件进行比较。可以迭代地改变可变的过程条件以便取得(例如)参考过程条件。因为在非常短的时间内执行计算，所以在下一个生产循环之前执行迭代调整。对于下一个生产循环，可以设定机器压力和其它可调整的参数，从而产生对于尽可能最佳的芯生产是标称值(目标值)的过程条件。

计算装置通常包含存储介质，其中可以生成或者提供数据和数据库。对于机器和连结的芯盒的组合而出现的所有情形的最佳过程条件可以另外存储在数据库中。如果再次出现相同的情形，那么可以在不进行进一步计算的情况下得到最佳过程条件。这种用于应用本公开的扩展的方法可以被视为自我学习系统。

可变的过程条件的其它实例是芯盒的修改，其中可以改变喷射喷嘴17或者通风孔20a。随时间改变过程条件的典型影响是通风孔20a的堵塞。砂颗粒和固化的粘结剂减少通风孔的开放区域。瞬态质量流量和瞬态压力受到影响。通过使用过程控制模块，可以动态地重新调整过程条件，例如初始压力P₀。

对射芯过程的模拟对于如上文描述动态地控制所述过程非常有用。另外，可以使用目前的模拟过程来设计和优化射芯机1。喷射头13的几何形状和大小是可变的。而且，可以与其它相关机器部分组合地并相关地优化阀11的类型和大小。

可以将所述方面和可能的实现方式集成到机器1的计算装置60中或者链接到计算装置60，所述计算装置例如经由网络和网络接口而与机器1数据连接以便动态地调整所述过程。为了设计和优化射芯机，任何计算装置可以独立于射芯机1来使用所述概念。

还可以使用用于3D过程模拟的模拟软件来模拟射芯过程。图6概述工作站60(计算装置60)上的示例性设置。

如今的3D过程模拟是现有技术。空气和砂的二相流的过程模拟是高度复杂的。可用的和所使用的数学-物理模型通常简化了复杂的现实。通常，缺少用于调整可变的过程条件的所测得的数据。为了在实践中进行模拟，通常使用经过检验的和合理的数据。

如图1中所示在模拟中表示整个系统通常导致较高的计算工作。如果将要详细分析机器具体细节，那么需要尽可能最佳地表示整个系统。

通常，过程模拟的目标是优化芯盒18的设计并且优化芯的质量。优选的是，模拟域包含芯盒19以及优选喷射喷嘴17的相关部分。

将机器专有条件设定为边界条件。在喷射喷嘴17处，设定压力以及空气和砂边界条件。通常通过用户的经验来设定瞬态压力条件的适当的界定。压力罐10的初始压力P₀不直接表示喷射喷嘴17处的条件。

所描述的实施例单独地针对空气和砂提供将要根据喷射过程的进度而动态地使用的缺失的瞬态压力、瞬态质量流量和瞬态速度。

模拟软件的用户可以加载包含所有相关特定数据的机器数据集。还可以通过使用适当的接口来直接键入数据。所需的唯一的其它输入是在真实的射芯机1处使用的实际过程条件。用户可以在喷射头13中应用(例如)初始机器压力P₀和砂高度。

在过程模拟之前，使用过程控制模块进行的计算提供空气和砂的瞬态压力和所描述的瞬时数据。

瞬时数据用作3D模拟的动态边界条件。随着过程的进度而动态地改变空气和砂的空气压力、质量流量和速度。通过将本教导应用于过程模拟，结果的精度得到显著增加。模拟用户接收独立于个人经验的准确的边界条件。

3D过程模拟是用于设计芯盒18的适当工具。模拟还可以用于设计喷射头几何形状，这可以另外考虑将要应用的芯盒18。因此，精度将得到显著增加。可以经由网络将模拟的结果从计算装置60传输到接收方。

另一应用是使射芯机1分别与射芯过程和3D过程模拟相互链接。可以通过真实的过程数据来调整模拟，并且可以通过使用高级的模拟结果来改进真实的过程。过程控制模块在两种情况下使用相同的数据，并且可以容易在两个系统之间交换数据。

射芯机1连接到网络以及工作站60，在所述工作站上执行过程模拟。射芯机1机器和模拟软件可以直接更换数据，其中过程控制模块是链接，从而提供共同的语言和如所描述的过程确定信息。

在实施例中，所述方法是用于通过以下操作而在下一个循环之前校准过程条件的过程：将实际生产条件与标称状态进行比较，并且随后在有偏差的情况下进行重新调整以便确保标称条件。

在实施例中，所述方法用于控制射芯机的设定以便实现预先界定的过程条件，即，所述方法用于优化生产单元的“物理”设置(最佳过程条件)。

射芯机1和/或计算装置60可以具备用于接收用户输入的用户界面，所述用户输入例如为模型和显示输出所需的数据。所述用户输入可以包括(非详尽列举)相关的生产过程条件和界定模制部分/空腔的数据。所述用户界面可以包括在上面显示模拟结果的显示器。

模拟结果在实施例中存储在数据库中。数据库可以是计算装置60或者工作站60的一部分，或者可以是单独的计算机可读介质。

用于执行模拟的软件在实施例中存储在计算机可读介质上。

已经结合本文的各种实施例描述了各个方面和实现方式。然而，本领域技术人员在实践所要求保护的主题的过程中可以通过对图式、公开内容和所附权利要求进行研究来理解和实现所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，词语“包括(comprising)”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求中叙述的若干项目的功能。在相互不同的附属权利要求中叙述某些量度的不争事实并不指示不可以有效地利用这些量度的组合。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其它硬件一起供应或者作为其它硬件的一部分而供应的光学存储介质或者固态介质，但计算机程序还可以通过其它形式分布，例如经由互联网或者其它有线或无线电信系统进行分布。

在权利要求中使用的参考符号不应被解释为限制范围。

Claims (16)

1.一种射芯机，所述射芯机用于通过将芯砂混合物喷射到与所述射芯机相关联的芯盒中的至少一个空腔中的过程来生产芯，所述射芯机包括：

压缩空气源，所述压缩空气源处于可调整的初始机器压力，

所述可调整的初始机器压力是所述过程的一个可调整的过程条件，以及

喷射头，所述喷射头通过包含有电子控制的喷射阀的至少一个管道而流体地耦合到所述压缩空气源，

所述喷射头被配置成容纳一定量的所述芯砂混合物，从而产生所述喷射头的一定的填充度，

所述填充度是所述过程的一个可调整的过程条件，以及

计算装置，所述计算装置与所述射芯机相关联，所述计算装置被配置成执行所述过程的模拟，所述模拟使用所述过程的模型，

所述计算装置被配置成被告知若干过程条件，包括所述可调整的过程条件。

2.根据权利要求1所述的射芯机，其中，所述计算装置被配置成执行所述过程的模拟以基于所执行的模拟的结果来确定一个或多个可调整的过程条件的改进值或者最佳值。

3.根据权利要求1所述的射芯机，其中，所述计算装置被配置成在比过程循环周期更少的时间内针对每个过程循环或者针对每批给定数目的过程循环来执行模拟。

4.根据权利要求1或3所述的射芯机，其中，所述模型是所述过程的数学-物理模型。

5.根据权利要求4所述的射芯机，其中，所述模型是所述过程的简化的一维表示，所述简化的一维表示是在主要局部流方向上考虑的。

6.根据权利要求1或3所述的射芯机，其中，所述计算装置被告知并且所述模型考虑到以下过程条件中的一者或多者：

-所述电子控制的喷射阀的开启时长，

-电子控制的喷射阀的特性，

-电子控制的喷射阀的开启程度曲线，

-所述管道在喷射阀上游的部分的形状和尺寸，

-所述管道在喷射阀下游的部分的形状和尺寸，

-所述喷射头的形状和尺寸或者容积

-喷射缸的形状和尺寸或者容积

-开口的形状、尺寸和数目，

-压缩空气源的特性，

-喷射喷嘴的形状、尺寸和数目，

-空腔的形状、尺寸和数目，

-通风孔的数目、特性和位置

-芯砂混合物的性质，例如粒度、流变性质、粘结剂性质。

7.根据权利要求1或3所述的射芯机，其中，所述模型根据瞬态过程条件来考虑所述射芯机与所耦合的空腔之间的依赖关系。

8.根据权利要求1或3所述的射芯机，其中，所述计算装置与所述射芯机数据连接，或者所述计算装置是所述射芯机的一部分。

9.根据权利要求8所述的射芯机，包括用于检测所述填充度的传感器，所述传感器耦合到所述计算装置，且/或包括用于检测所述初始压力的压力传感器，所述压力传感器耦合到所述计算装置。

10.根据权利要求9所述的射芯机，其中，所述计算装置被配置成基于所执行的模拟的结果来提供所述初始机器压力和/或所述填充度的最佳推荐值。

11.一种用于控制射芯机的方法，所述射芯机用于通过将芯砂混合物喷射到与所述射芯机相关联的芯盒中的至少一个空腔中的过程来生产芯，所述射芯机包括：

处于可调整的初始机器压力的压缩空气源，

所述可调整的初始机器压力是所述过程的一个可调整的过程条件，以及

喷射头，所述喷射头通过包含有电子控制的喷射阀的至少一个管道而流体地耦合到所述压缩空气源，

所述喷射头被配置成容纳一定量的所述芯砂混合物，从而产生所述喷射头的一定的填充度，

所述填充度是所述过程的一个可调整的过程条件，

所述方法包括在计算装置上使用所述过程的模型并基于若干过程条件，包括所述可调整的过程条件，来执行所述过程的模拟，并且基于所执行的模拟的结果来确定一个或多个可调整的过程条件的改进值或者最佳值，并且根据所述所确定的改进值或者最佳值来调整所述可调整的过程条件中的一者或多者。

12.根据权利要求11所述的方法，包括求解耦合方程组以确定所述芯砂混合物和空气的瞬态流体流量。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述模型是所述过程的数学-物理模型。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述模型是所述过程的简化的一维表示，所述简化的一维表示是在主要局部流方向上考虑的。

15.根据权利要求11或12所述的方法，包括基于所执行的对所述初始机器压力和/或所述填充度的模拟的结果而提供推荐值。

16.一种包括计算机程序代码的计算机可读存储介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时使得所述处理器实施根据权利要求11至15中任一项所述的方法，所述计算机可读存储介质包括：

使用射芯机进行射芯的过程的计算机模型的软件代码，

用于使用所述模型来执行所述过程的数值模拟的软件代码，

用于输出所述过程的可调整的过程条件的推荐值或者最佳值的软件代码。