автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса лазерной резки металлов на основе объемного распределения температурного поля

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ

Специальности:

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 О ЙЮН 2011

Набережные Челны - 2011

4851285

Работа выполнена на кафедре «Высокоэнергетическая и пищевая инженерия» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Камская государственная инженерно-экономическая академия».

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Заморский Валерий Валентинович

доктор технических наук, профессор Хайруллин Асфандияр Халпуллович

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович кандидат технических наук, доцент Ахметсагнров Рамнль Ильясовпч

Федеральное государственное унитарного предприятие «СКТБ «Мединструмент»

Защита состоится « »М10Л,& 2011г. в на заседании

диссертационного совета Д 212.309.01 в Камской государственной инженерно-экономической академии по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Камской государственной инженерно-экономической академии.

Ваши отзывы, заверенные печатью, просим выслать по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ИНЭКА www.ineka.ru.

Автореферат разослан « ¿Д » шаиа 2011г.

Ученый секретарь у' / Л.А. Симонова

диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лазерная резка металлов успешно применяется в различных отраслях промышленности и продолжает развиваться. Основными направлениями развития лазерной резки являются повышение её эффективности и достижение высоких показателей качества реза - низкой шероховатости поверхности реза, прямых стенок реза, малой зоны термического влияния и т.д.

Преимуществом лазерной резки является высокая скорость, экономия материала и производительность процесса, незначительная зона термического воздействия, изготовление изделий любой сложности в единичных экземплярах, высокая повторяемость сложных изделий в любых количествах, отсутствие деформации материала. Используя возможности лазерной резки, можно раскроить по сложному контуру практически любой листовой материал при отсутствии механического воздействия на обрабатываемый материал.

Одной из задач, встающих при проектировании технологических процессов, является минимизация времени обработки заготовки с целью снижения себестоимости изделия. При рассмотрении задачи оптимизации процесса можно решить подзадачу сокращения выходного брака в виде коробления металла и перегрева заготовки при раскрое листового металла.

Применительно к процессу раскроя листового материала, когда на одном листе может быть расположено достаточно большое количество заготовок и, следовательно, температурное поле после вырезанной до этого детали повышает коэффициент поглощения ЛИ от 0,2 до 0,7, вопрос автоматизации подготовки ТП при решении общей задачи повышения качества резки листовых заготовок приобретает первостепенную значимость.

Для лазерной резки требуется минимизировать энергопотребление, ширину реза, обеспечить минимальную шероховатость реза и зону термического влияния.

Показатели качества резки металлов зависят от параметров ЛТК, к которым относятся плотность мощности излучения, скорость перемещения ЛИ, физико-химических свойств металла и вспомогательного газа.

Решение задачи заключается в оптимальном выборе не только звеньев ЛТК, направленном на выполнение требуемых показателей качества ТП, но и оптимизации параметров комплекса, где в качестве критерия оптимальности выступает качество деталей после раскроя листового проката.

В настоящее время в литературе недостаточно информации о применении методов оптимизации решения поставленной задачи, об алгоритмах управления и их особенностях.

Данная работа посвящена оптимизации параметров звеньев ЛТК и его структуры для повышения эффективности на примере лазерной резки металлов.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности системы управления лазерно-технологическим комплексом для резки металлов за счет оптимизации параметров звеньев и оптимального планирования траектории движения лазерного луча на стадии подготовки технологического процесса.

Объект исследования — процесс лазерной резки металлов.

Предметом исследования является управление процессом резки металлов на основе информативных параметров, измеряемых в реальном времени.

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения.

2. Математическая модель выбора очередности обработки заготовок листового проката с учетом граничных условий распределения температурного поля.

3. Способ измерения температуры, отличающийся меньшим влиянием комплексных коэффициентов передачи каналов, что повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

Научная задача работы заключается в разработке эффективной системы автоматического управления лазерно-технологическим комплексом, алгоритмов оптимизации процесса раскроя листового проката, выбора параметров звеньев лазерно-технологического комплекса резки на основе нового подхода к моделированию, формированию ограничений для решения задачи оптимизации.

Для достижения поставленной цели и научной задачи в работе необходимо решить следующие вопросы:

1. Разработать методики расчёта функциональной зависимости параметров реза от теплофизических характеристик металлов с учетом влияния газовой среды, теплового поля в зоне воздействия лазерного излучения и оптимальные параметры лазерного излучения на основе математической модели с учётом распределения температурного поля по объёму зоны взаимодействия излучения на рез металлов;

2. Разработать методику ограничений для оптимизации порядка обработки листового материала при лазерной резке с учётом тепловых искажений формы листового проката;

3. Повысить точность измерения температуры в зоне реза, обусловленную изменяющимся комплексным коэффициентом передачи аналогового тракта преобразования;

4. Разработать алгоритмы формирования управляющих воздействий, позволяющих учитывать тепловыделения при протекании окислительных реакций.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использованы методы математического и имитационного моделирования, теории автоматического управления, системного анализа. Экспериментальные исследования по взаимодействию лазерного излучения с металлами проводились, на лазерно-технологическом комплексе «Хебр-1500» с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена соответствием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новнзна:

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения (05.13.06).

2. Математическая модель выбора очередности обработки заготовок листового проката с учетом граничных условий распределения температурного поля (05.13.06).

3. Способ измерения температуры, отличающийся меньшим влиянием комплексных коэффициентов передачи каналов, что повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов (05.13.05).

Теоретическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований по лазерной резке металлов расширяют область знаний, используемых в учебном процессе вуза или при переподготовке специалистов.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы для численного моделирования резки листового проката лазерным излучением позволяют исследовать динамику и оптимизировать значения технологических параметров в ходе технологического процесса. Оптимизация параметров звеньев лазерно-технологического комплекса для обеспечения заданных показателей качества технологического процесса лазерной резки позволяет существенно снизить энергопотребление.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы на практике в федеральном государственном унитарном предприятии «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (г. Казань), закрытое акционерное общество «НПО «Оптоойл» (г. Казань), в учебном процессе ИНЭКА.

На защиту выносятся положения, обладающие научной новизной:

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения;

2. Методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора траектории обработки, позволяющая учесть тепловые искажения формы листового проката

3. Способ измерения температуры, позволяющий уменьшить влияние комплексных коэффициентов передачи каналов, что повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

4. Алгоритмы для численного моделирования резки листового проката лазерным излучением позволяющие исследовать динамику процесса и оптимизировать значения технологических параметров на этапе проектирования технологического процесса.

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит: в выборе и обосновании методик моделирования, разработки системы автоматического

управления и проведения экспериментальных исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении полученных данных.

Структура н объём диссертации. Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 30 рисунков и 10 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 78 наименований.

Публикации. Содержащиеся в диссертации материалы нашли отражение в 16 научных трудах, в том числе, в одной статье в журнале, рекомендованном ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность задачи по резке металлов в машиностроении, по оптимизации параметров звеньев ЛТК, по анализу и синтезу САУ для обеспечения заданного ТП, по исследованию ЛТК с обратными связями по параметрам, определяющим качество ТП, и измеряемым в реальном времени ТП. Представлена ее общая характеристика.

В первой главе проведен обзор по применению лазерной резки металлов с выявлением их особенностей, дана характеристика проблемы, изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, сформулированы цели, и определены пути ее достижения.

Исследования в области автоматизации ТП лазерной резки металлов проводились под руководством Абильсиитова Г. А., Андрияхина В. М., Гладуша Г. Г., Григорьянца А. Г., Гуреева Д. М., Введенова А. А., Велихова Е. П., Зуева И. В., Коваленко В. С., Лопоты В. А., Рыкапина Н. Н., Углова А. А. и др. Рассматривались различные подходы для стабилизации параметров ЛТК.

Для проектирования ТП и выбора режимов обработки металлов необходимо знание основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих процесс резки.

В этих условиях актуальным является проведение оптимизации структуры САУ ЛТК для данного ТП, выбора звеньев ЛТК с требуемыми параметрами, обеспечивающих заданные показателей качества.

Применение лазера как высокоэффективного технологического инструмента сдерживается неудовлетворительными точностными характеристиками систем управления ЛТК. Это обусловлено низкой информативностью параметров, измеряемых в реальном времени ТП и характеризующих физико-химические свойства металлов.

Во второй главе рассмотрена математическая модель лазерной резки в кислородной среде, позволяющая рассчитывать температурное поле, как на поверхности разрезаемого материала, так и по его толщине. Так же представлена методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора траектории обработки, позволяющая учесть тепловые искажения формы листового проката.

Математическая модель лазерной резки в кислородной среде может быть получена из рассмотрения следующих уравнений математической физики:

1. Уравнение переноса излучения:

д1

— +а!= О (1)

5л-

где: ! - интенсивность излучения; а - коэффициент ослабления излучения тепло м ассоореолами.

2. Уравнение баланса парогазовой среды:

Рс = (2)

где: рс - суммарная плотность парогазовой среды и газов.

3. Уравнение теплопроводности для нерасплавленной фазы разрезаемого материала:

57;, а „ 37;,, 1 а „ аг„, ...

а/ аг ах л ал " ая

где: р„, с„, к„ - соответственно, плотность, теплоемкость и коэффициент теплопроводности нерасплавленной фазы материала; Т„ - температура конденсированной фазы металла; /? - координата по траектории реза; х и /г -координата по глубине проплавления и толщина проката, соответственно.

4. Изменение энтальпии (теплосодержания) реакции окисления:

Г 2

&Н(Т1) = АН(Т1)+\&Сг{Т,,Т2)с1(Т)+ \&СГ(ТГ,Т2ЩТ) (4)

I Г,

где: АСР(Т1,ТГ)— изменение теплоемкости в интервале температур от Т| до температуры фазового перехода; ¿Ср(Т^Тт)— изменение теплоемкости в интервале температур от температуры фазового перехода до конечной температуры, и 7}— температура фазового перехода.

Из закона сохранения плотности энергии следует:

^иа — 5 ни + Бон)

= 5,,,(6)

£„,, +5у1 = Б,,,, ч-Б,,, + £„„,, -нЯ.,.,, (7)

где:

- плотность энергии лазерного излучения;

5 = (А \ihyit " плотность энергии излучения

" поглощенной в зоне резки;

5„„ = |/(/1)(1 -

- плотность энергии излучения отраженной от поверхности реза;

V \[(0 +0 + р У Ь )аУ л - плотность энергии, приносимая к

" "" поверхности металла и порожденная

¿\ = $„(1, = 0),Б,| = Яд;, = /„) окислительным процессом;

< - - соответственно, плотности энергии,

= л'о ■ К. ] отведенные от поверхности

, ^" радиационным остыванием и

= 'ЧЛ \\Qih теплопроводностью;

о о

- соответственно, плотности энергии, отведенные от поверхности конвективным и радиационным механизмами теплообмена;

О

I)

= Jftc.fr.-Т«)&

- соответственно, плотности тепловой энергии и энергии, затраченной на расплавление металла толщиной /г;

Данная система уравнений позволяет рассчитывать температурное поле, как на поверхности разрезаемого металла, так и по его толщине (переменные г,х).

Расчетные сетки содержали до 100 точек по х для расчета одномерной теплопроводности (3). Кроме того, рассчитывались энергии излучения соответственно, поглощенная и рассеянная частицей, соответственно, затраченные на плавление и отведенные от частицы механизмами теплопроводности и радиационного остывания реза в момент I, > 0 через сечение х. Соотношение (5) говорит о том, что энергия излучения поглощается и отражается поверхностью конденсированной фазы. Поглощенная плотность энергии ¿'п из (6) тратится на нагревание и расплавление частиц и за вычетом потерь тепла на радиационное остывание и теплопроводность переносится на поверхность при I > 1„. Плотность энергий, поглощенной поверхностью 5ПП и перенесенной на поверхность (7), тратится на нагревание и расплавление металла подложки, а также отводится от поверхности конвективным и радиационным механизмами теплообмена.

Полученные результаты расчетов согласуются с практикой. И показывают, что лазерная резка в кислородной среде, позволяет снизить энергорасходы.

На основе экспериментальных исследований по лазерной резке металлов предлагается методика оптимизации параметров технологического процесса, где в качестве критерия оптимальности является максимальная группировка расположения фигур на листовом прокате и повышение качества обработанных заготовок, за счет введения граничных условий на стадии проектирования.

В интегральное описание фигур входит:

1) вид фигуры (четырехугольник или круг),

2) если фигура может быть вписана в четырехугольник, то задаются координаты его углов, если фигура может быть вписана в круг, то задаются координаты его центра и радиус/диаметр.

Исходные данные задачи:

1) координаты расположения фигур, т.е. координаты центров,

2) ипегральное описание фигур:

а) вид фигуры (четырехугольник или круг),

б) Если фигура может быть вписана в четырехугольник, то задаются координаты его углов, если фигура может быть вписана в круг, то задаются координаты его центра и радиус/диаметр.

Рисунок 1 - Группировка фигур

; группу фигуры располагались к центру группирования

На первом этапе осуществляется поиск четверок "соседей" и определение для выделенных групп центров расположения - О,. Первый этап поясняется рис. 1.

Имеется N фигур 1 = 1...М, задан массив координат центров расположения этих фигур Е. Необходимо объединить центры в группы по ()

" " N

1/и.

фигур так, чтобы входящие 1 ближе, чем не вошедшие.

На втором этапе, исходя из описания фигур, осуществляется поиск ближайших к центру расположения группы О, точек, с которых начинается и которыми будет заканчиваться обработка соответствующих фигур. Второй этап поясняется рис. 2.

Таким образом, на первых двух этапах формулируется в цифровом виде дискретная транспортная задача.

На третьем этапе происходит непосредственно решение задачи минимизации по методу ветвей и границ. Выбор данного метода обусловлен тем, что он является наиболее эффективным алгоритмом решения дискретной транспортной задачи с точки зрения скорости сходимости.

Так же на этом этапе вводятся граничные условия по температуре зоны листа, где будет происходить последующая лазерная резка следующей детали. Если градиент температуры зоны (рис. 3), где будет осуществляться рез последующей фигуры не удовлетворяет заданным условиям, то необходимо осуществлять лазерную резку фигуры, зона которой отвечает граничным условиям.

Расчёт распределения температурных полей и тепловых потоков в металлах на основании решения одномерной задачи теплопроводности как в линейной, так и нелинейной постановке были получены удобные для расчета на ЭВМ выражения нестационарного поля температур Т (х, г) и тепловых потоков д(т) любой координаты точки от поверхностного слоя по экспериментально измеренным зависимостям Т (хь т) и Т (х2, т) в двух точках цилиндра с учётом физико-химических свойств металла.

Распределение температурного поля было получено в виде:

Рисунок 2 - Поиск точек начала

Т{х,т)=Ти+%{т)-

К

I-<р2

(Л

х-К, Л, - Я,

Л, - Я, (л-/?,)2

-(Л,

-Я

(Д,-дг)2-(Я,-/?,) Д| -х

6 а„

Я, -я,

(В)

6а,.

Лазерного излучения оказывает на деталь подвижное локальное воздействие (ПЛВ), которое можно представить в следующем виде:

F(x, t)=u((Mx-s(t),k(t), li], (9)

где x, tг) — пространственные, временные координаты и коэффициент, учитывающий физико-химические свойства металлов. В выражении (2.1) u(t), у/(х,к), s(t)— функции, описывающие соответственно интенсивность, форму и координаты центра воздействия ЛИ, k(t)— коэффициент сосредоточенности, определяющий степень концентрации воздействия. Функцию s(t) обычно называют законом движения источника, i] - коэффициент, учитывающий физико-химические свойства металлов вводиться на основе результатов экспериментальных исследований резки различных металлов, где они сводятся в базу данных.

Градиент температуры определяется по формуле:

\a.\^J-\.(lerfclJ

(10)

зооэ) j

2009^ : , \i / 4:«sfes5Mi

юом 1 f sililffff

1

^То™

где:

Т0хл ~температура на стадии охлаждения А - коэффициент поверхностного поглощения лазерного излучения; ц^. Л - коэффициент теплопроводности; Р^ ц - плотность мощности лазерного излучения; а - коэффициент температуропроводности; я- продолжительность воздействия лазерного

п г излучения; ¡=0^-Ь; Ь - число разбиений сетки;

Рисунок 3 - Градиент температуры на 1 ' ■> ' 1 '

стадии охлаждения ¡ег^с> ¡ег&2 - функции ошибок Матсаё

Данные ограничения позволяют снизить брак в виде коробления металла и перегрева заготовки при раскрое листового металла и повысить качество обработки за счет предварительного распределения пути перехода от одной фигуры к другой с учетом градиента температуры зоны листового металла, где уже произошел рез.

Имеется п пунктов 1=1...п, задана матрица расстояний между ними С=(су)п*п. Необходимо отыскать такой кратчайший замкнутый маршрут или цикл (¡1, ¡2, ..., ш), проходящий через каждый пункт один раз, при котором минимизируется суммарная длина пути:

'=1 ,/=1

Алгоритм решения данной задачи представлен на рисунке 4.

В главе III разработан способ и структурная схема измерения температуры в зоне лазерной резки.

В предыдущих работах по поляризизации собственного теплового излучения из зоны обработки при анализе зависимости интенсивности поляризованного

излучения />£. сделано допущение, что функция

преобразования интенсивности излучения в величину напряжения для каждого фотоприемника идентична, линейна, неизменна во времени и равна к. Это допущение приводит к некоторой методической ошибке измерения, как степени поляризации, так и параметров Стокса. Учитывая неидентичность этих зависимостей, измеряемые величины следует записывать в виде

Величина погрешности в этом случае

будет:

8.=±

+дг

)

Рисунок 4 - Алгоритм выбора очередности обработки фигур листового металла.

известной степенью интенсивности и поляризации (рис. 5).

(13)

Так как степень поляризации излучения металла можно рассчитать исходя из известных показателей преломления и поглощения в рабочем диапазоне температур, целесообразно сравнивать измеренные значения с расчетными. Для существенного уменьшения погрешности, в структурную схему измерителя степени поляризации предлагается ввести блок формирования образцового излучения с

>

Рисунок 5 - Схема измерения температуры из зоны обработки

Схема содержит лазерное излучение 1, плазменный факел 2, обрабатываемую поверхность 3, световое излучение из зоны обработки 4, спектральный прибор 5, иоляризационно-чувствительную систему 6, состоящую из не менее четырех фотоприемников на каждую спектральную составляющую излучения, 7 -устройство обработки информации 8, устройство формирования образцового излучения с известной степенью интенсивности и поляризации.

В /14/ показано, что для оценки величины температуры металла в зоне реза необходимо рассматривать поляризационный эллипс напряженности электрического поля излучения

А-х' + В-х-у + С-у1 = 1 (14)

V Е1, /* А \ - ь/ \

/ /

4-4 Тш // Г Й Я

Ш / ш 4/ы ш. - / Чх-

; / V / /

где:

Рисунок 6 - Поляризационный эллипс напряженности электрического поля излучения.

, ак а эт а

А =—+ —г— а1 Ъ

а Ь

„ вига соэ-а С = —г— + -

ъ-

Параметры А,В,С можно найти из выражений: 1

С--

Ух

1

1 У\ У У, 'У2 I -Уг 1 'У,

1

1

(16)

- 2 ^ т2 2' - ¿»2 2,2 2

У2 У, 1 У\ V У1 -Уг I -у2 1 -У\ При этом степень поляризации оценивают из выражения (17), подставляя

найденные значения А, В и С.

р _аг-Ь2 _4~Аг+в1+ С1-2-А-С а'+Ь1 А + С

(17)

Далее, используя формулу Планка, производится расчет спектрального распределения в диапазоне температур от 1610 °С до 2147 °С и диапазоне длин волн соответственно до 3,7 и 2,4 мкм формула Планка может быть представлена в виде: 4 В %Ьс 1 Ри " - — • <р(Л,т)=СгЛ-5-е дт (18)

)

где: С, = 3,7413 • 10"4 Вт-мкм2, С2 = 1,436 • 104 мкм-К.

По данному спектральному распределению можно поставить в соответствие температуру металла. После преобразований, получим для температуры:

(19)

Т =

Я-(1пС,-1пр-51пЛ)

Далее по определенным таким образом трем значениям температуры металла 7/, (7 = 1...3) используя методы статистической обработки, вычисляют усредненное значение.

Данный способ измерения температуры, основанный на анализе спектрального состава собственного теплового излучения плазмы и металла использует закон Планка. Спектральный анализ теплового излучения осуществляется за зоной взаимодействия ЛИ с металлом, а фильтрация теплового излучения металла от излучения плазмы происходит за счет измерения степени его

поляризации, температура в зоне воздействия вычисляется по обратной формуле расчета распределения температурного поля при воздействии точечного ЛИ на металл.

Предложенный способ измерения температуры позволяет уменьшить влияние комплексных коэффициентов передачи каналов. Это, в свою очередь, повышает точность управления лазерным технологическим комплексом, что приводит к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

В четвёртой главе рассматривается анализ и синтез САУ ЛТК на основе измерения температуры в зоне резки в реальном времени хода ТП и исследованы ее свойства; предложен метод оптимизации параметров звеньев ЛТК на основе расчета математической модели распределения температурного поля по объему зоны обрабатываемых металлов.

ЛТК представляет собой совокупность звеньев сложной системы (рисунок 7), взаимодействующих между собой в пространственно-временной области и содержащую как лазерную технологическую установку, робототехнический комплекс, деталь, так и микропроцессорную систему с датчиками измеряемых параметров и регуляторами параметров технологического комплекса. Выбор и расчет режимов лазерной резки детали является составной частью задачи оптимизации системы управления ЛТК. На эту систему действуют возмущающие воздействия различной физической природы и, в конечном счете, влияют на все характеристики зоны обработки, отклоняя их от заданных по технологии значений, а следовательно, ухудшающие качество резки.

В этом виде структура САУ представляет собой систему, которая характеризуется большим числом обратных связей и является нелинейной. При обосновании выбора математической модели звеньев были приняты определенные допущения, позволяющие линеаризовать их передаточные функции. Расчеты и исследования свойств САУ производились для линеаризованной системы.

В соответствии с принятыми допущениями определены передаточные функции подсистем. Динамические процессы в элементах, входящих в нее, описываются дифференциальными уравнениями, на основании которых рассчитаны передаточные функции и, используя пакет прикладных программ, получены переходные и частотные характеристики, определяющие качество САУ ЛТК.

Таким образом, решение оптимизационной задачи режимов лазерной резки металлов в среде кислорода основывается на выборе экспериментальных значений параметров ЛТК.

Разработана система автоматического управления температурой зоны

взаимодействия лазерного излучения с металлом.

На рисунке 7. обозначено: 1 - блок питания; 2 - резонатор; 3 - оптическая система; 4 -устройство перемещения луча; 5 -фотоприемник положения фокуса; 6 - усилитель; 7 - линия связи; 8 -

;.........."И............................-ф

ф ^-ф-ф-ф ф

Г

Рисунок 7 - Структурная схема контроля температуры из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом.

АЦП; 9 - деталь; 10 - пирометр; 11 - линия связи; 13 - МПС; 14 - привод перемещения детали; 15

- регулятор положения фокуса; 16 - привод перемещения оптической системы; 17 - усилитель; 18

- линия связи; 19 - фазовый регулятор напряжения.

и«,

Х,2

ТО)

х5

Аю

>57С

VI

<6

Рисунок 8 - Структурная схема подсистемы регулирования температуры зоны резки.

На рисунке 8 представлена структурная схема подсистемы регулирования температуры зоны реза.

На рисунке 8 обозначено 1-блок питания, 2-резонатор, 3-оптическая система, 4-устройство перемещения луча, 5-деталь, 6-пирометр, 7-линия связи, 8-АЦП, 9-МПС, 10-усилитель, 11-линия связи, 12-фазовый регулятор

напряжения.

Показатели качества процесса управления определяем с помощью переходных характеристик,

построенных на основании полученной системы однородных

дифференциальных уравнений, для решения которых применяется численный метод интегрирования -явный метод Рунге-Кутта 4-го порядка. Все необходимые преобразования полученной модели реализуются с помощью ЭВМ.

Коэффициенты передачи и условно разделить на изменяемые и

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Рисунок 9 - График переходного процесса подсистемы регулировки температуры зоны резки.

постоянные времени подсистемы можно неизменяемые в зависимости от возможности варьирования.

В данной подсистеме к изменяемым параметрам можно отнести: коэффициент блока питания (Ккп), постоянную времени блока питания (ТцП), коэффициент передачи усилителя (Ку). Изменение остальных параметров повлечет за собой замену устройств или их значительную модификацию.

На рисунке 9 представлен график переходного процесса, оптимизированный по требуемому времени регулирования.

ГЛР листовых металлов по сравнению с газовой и плазменной имеет ряд преимуществ. К ним относятся: высокая скорость и точность, узкий рез, прямые и параллельные кромки, отсутствие грата, малая зона термического влияния и низкая шероховатость поверхности реза. Известно, что высокое качество ГЛР достигается, прежде всего, за счет сравнительно малого тепловложения и, как следствие, малой деформации заготовки и вырезаемой детали. Для обеспечения минимальных

значений ширины реза, зоны термического влияния и шероховатости обработку следует проводить на максимальной скорости (для заготовок заданной толщины) при установленных мощности излучения и давлении вспомогательного газа. Использование потока кислорода, направляемого в зону обработки, позволяет значительно повысить качество кромок, снизить зону термического влияния увеличить эффективность ТП.

Требования ТП и физические свойства зоны взаимодействия ЛИ с металлами позволяют обеспечить ширину реза менее 1 мм. Это объясняется способностью кислорода, подаваемого в зону взаимодействия, продувать рез.

В настоящее время ГЛР широко применяется в отечественной и зарубежной промышленности, поэтому представляется актуальным снижение энергозатрат со стабилизацией заданных показателей качества ТП.

Для проектирования ТП и выбора режимов обработки металлов необходимо знание основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих данный процесс. Для операций ГЛР совокупность параметров, по которым осуществляется обратная связь и основные управляющие параметры, представлена в таблице 1.

Таблица I._Обозначения параметров

Параметры Обозначения

Ширина реза Ь

Положите поверхности заготовки относительно сопла г

Шероховатость, грат М

Координаты Х,У

Управляющие параметры ДР, Дир

Мощность Р

Фокусное расстояние И

Скорость резки "я

Однако при резке заготовок сложной формы при изменении хода луча по двум координатам происходит перегрев металла в точке перехода. Естественное конвективное охлаждение металлического листа, как правило, мало. В результате температура заготовки повышается до такой величины, что происходит ее коробление, которое в отдельных случаях может носить необратимый характер, приводящий к увеличению брака.

Поэтому нужно рассматривать оптимизационную задачу выбора технологических параметров по двум величинам: мощность ЛИ - Р и скорость резания - ир. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы является комплексный подход к изменению параметров ТП.

Используя зависимость

Л™ , (27)

где Ртк - минимальная мощность излучения, требуемая для испарения металла толщиной /г; с - удельная теплоемкость; р - плотность металла; ир - скорость обработки; гг - радиус пятна ЛИ, Тш - температура плавления, можно записать:

= с■ Тш И р-= сотI. (28)

V/

Т.е. для сохранения равенства левой и правой частей формулы (27), можно одновременно уменьшить мощность излучения до минимального устойчивого уровня и увеличить на необходимую величину радиус сфокусированного на поверхности пятна ЛИ г^. В результате будет обеспечено увеличение зоны термического влияния до приемлемых значений. Кроме того, выполнение равенства (28) при условии допустимой минимальной мощности означает, что процесс резки устойчив, а глубина реза равна заданной.

Таким образом, можно указать следующее правило оптимального управления: /Хир) , если Р([,) > Ртт

= фт,ир) , если Р([2) < Р„,т (29)

Функции /у и/, получаются из (27) и (28) соответственно.

Пределы изменений параметров управления, характеризующие ЛТК, приведены в таблице 2.

Таблица 2.___Параметры ЛТК

Параметр Обозначение Значение

Мощность излучения, кВт Р 0,4... 1,2

Скорость резки, м/мин ор 0,1. ..2

Диаметр пятна, мм Ф 0,6...0,8

Ток накачки, А I накачки 6...15

Рисунок 10 - Кромка реза брони Параметры резки: 13=1,2 кВ, 1=14,5 А, Р=0.8 кВт, ор = 1400 мм/мин, /=1 Гц.

Рисунок 11 - Кромка реза сталь 45 Параметры резки:и=1,2 кВ, 1=14,5 А, Р=0.8 кВт, и = 1400 мм/мин, /=1 Гц.

Исходя из рисунков 10, 11 можно выделить три основные зоны на поверхности реза (рисунок 12), отличающиеся друг от друга различным наклоном борозд по отношению к направлению обработки и шероховатостью. Наличие зоны I на поверхности реза характеризует разрушение, периодически происходящее от верхней кромки в глубь металла. Небольшой наклон борозд в направлении обработки зависит от перемещения передней части лазерного источника со скоростью ир.

Наличие зоны III на поверхности реза указывает на продолжение процесса

резки, но без поступления энергии ЛИ, а только под действием струи газа и выдуваемого ею из зоны обработки перегретого расплавленного металла. При этом скорость резания металла резко уменьшается (о чем свидетельствует значительный наклон борозд к кромкам металла) и соответственно качество кромки реза снижается.

Исследование процесса воздействия мощности ЛИ производилось на ЛТК Хебр -1500. В эксперименте пучок ЛИ с длиной волны 10,6 лисм и диаметром 0,8 мм, с по модовым составом излучения ТЕМоо (давление кислорода 1,6 бар) направлялся на образец, скорость движения которого была 350 мм/мин.

Вспомогательный газ подавался через медное сопло диаметром 1 мм. В качестве вспомогательных газов использовались азот, воздух и кислород. Расстояние между соплом и

обрабатываемой поверхностью поддерживалось равным 1мм с помощью емкостного датчика слежения. Равномерно уменьшая мощность (начальная Р = 600 Вт)

Рисунок 13 - Изменение мощности ЛИ в среде кислорода при термообработке стали 30X13.

наблюдали изменение типов операций лазерной обработки (резка —> сварка —> закалка с оплавлением —> закалка без оплавления) рисунок 14.

Как видно из рисунка 13, при достижении определенного критического значения мощности для данного типа ТП происходит скачкообразный переход от одного вида ТП к другому. При переходе от режима резки к режиму сварки (поз. 1 к 2,3 рис. 13) скачкообразный переход объясняется недостаточным механическим давлением ЛИ на зону взаимодействия. С ростом интенсивности растет число фотонов, взаимодействующих с поверхностью тела, и, следовательно, импульс, получаемый поверхностью. Однако, как показывают расчеты, по результатам экспериментальных исследований, объем расплавленного металла остается прежним. Это объясняется наличием энергии окислительного процесса.

Микроструктурный анализ показывает наличие в зоне термического воздействия феррита и структурно-свободного цементита.

Резка металлов с другими газами (азот, воздух) не состоялась. Это объясняется большим вкладом энергии окисления в процесс формирования реза.

Уравнение энергетического баланса при воздействии ЛИ на металл.

Процесс воздействия ЛИ на металлы можно описать энергетическим уравнением:

+»и»++ •>.,,,=+ „,,, + К„Р,„- + .....,„,+К„„, (30)

где: IVш - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; 1УпМу1Ш- давление кислород; 1Ут,ГГ1 - выделяемая энергия от окислительных процессов; 1У„,„ - энергия затрачиваемая на плавление металла и испарение; Ил„„„л - энергия механических колебаний ЛИ; IV - отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом;

" энергия химических реакций в зоне обработки; 1¥„, - энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.

Подводимые энергии:

IVл„ - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; 1У„1М),Ш = ти,/2 - энергия давления газа;\¥т =ЕтуИЬ, где: Е„"с/Т1а, су - объемная теплоемкость, Т1а -температура плавления, И - толщина образца, Ь - ширина реза, V - скорость резки.

Расходуемые энергии:

К™, = су(Т)—+с1п1У, где: ^-/^(Г^га^Г - тепловой поток, 1Г - коэффициент д<

теплопроводности; №'„,„„„. - отраженная энергия составляет около 30% от мощности ЛИ, т.к. температура металла превышает температуру плавления и коэффициент поглощения составляет 0,7; 1Утхю, энергия, затрачиваемая на возбуждение

механических колебаний в металле составляет 5-6 % от мощности ЛИ; 1У.„„ ="'иу{

- энергия, затрачиваемая на вылет частиц расплавленного металла.

Экспериментальные исследования по воздействию ЛИ на металлы в атмосфере кислорода, что характерно для резки металлов, показывают возможность снижать мощность ЛИ с получением требуемых показателей качества ТП, что приводит к снижению энергозатрат до 50 процентов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1 .Разработана математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения;

2.Предложена методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора очередности обработки заготовок, позволяющая учесть тепловые искажения формы листового проката

3.Предложен способ измерения температуры, позволяющий уменьшить влияние комплексных коэффициентов передачи каналов, что повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

4.Разработаны алгоритмы для численного моделирования резки листового проката лазерным излучением позволяющий исследовать динамику процесса и оптимизировать значения технологических параметров в ходе технологического процесса.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ:

1. Кисаев P.A. Исследование процесса влияния изменения мощности при га-золазерпой резке металлов / В.А. Песошин, В.В. Звездин, С.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Вестник КГТУ им. Туполева, 2010. -№ 2. - С.43 - 46.

Научные статьи и тезисы докладов:

2. Кисаев P.A. Исследование процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе поляризации теплового излучения / В.В. Звездин, A.B. Хамадеев, С.М. Портнов, И.Н. Кузнецов, P.A. Кисаев // Образование и наука Закамья Татарстана: электронное периодическое издание, 2008. -№11.- http://kama.openet.ru:91/.

3. Кисаев P.A. Сравнительная оценка расчетных и экспериментальных значений параметров процесса лазерной закалки / В.В. Звездин, С.М. Портнов

A.Т. Мулюков, P.A. Кисаев // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. - №12. - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2008. - С.95-100.

4. Кисаев P.A. Об энергетическом балансе при газолазерной резке металлов /

B.В. Звездин, А.И. Нугуманова, И.Н. Кузнецов, P.A. Кисаев // Сборник трудов Международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука-производству». Часть 1, книга 3, изд-во ИНЭКА, 2010г. С. 102-103.

5. Кисаев P.A. Экономическая эффективность при лазерной кислородной резке с уменьшением мощности лазерного излучения / С.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2010. -№ 3. - http://kampi.ru/sets.

6. Кисаев P.A. Оптимизация режимов лазерной резки металлов в среде кислорода / С.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2010. - № 3. - http://kampi.ru/sets.

7. Кисаев P.A. Оптимизация параметров технологического процесса резки металлов / P.A. Кисаев, В.В. Звездин // Проектирование и исследование технических

систем. Межвузовский научный сборник. -№15. - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010. -

8. Кисаев P.A. Синтез и анализ системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом / В.В. Звездин, С.М. Портнов, P.A. Кисаев, H.H. Кузнецов // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. -№15 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010. - С. 39-45.

9. Кисаев P.A. Повышение качества лазерной сварки разнородных металлов /

B.В. Звездин, A.B. Хамадеев, P.C. Файрузов // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. -№10 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2007.-С.109-111.

10. Кисаев P.A. Фотоэлектрический метод исследования зоны взаимодействия лазерного излучения с металлами / В.В. Звездин, И.Р. Шангараев, Р.Г. Загиров, Р.Р. Юнусов // Образование и наука Закамья Татарстана: электронное периодическое издание, 2008. -№11,- http://kama.openet.ru:3128/site/new.

11. Кисаев P.A. Исследования по ионно-плазменному азотированию инструментальных сталей / В.В. Звездин, P.C. Файрузов, И.Х. Исрафилов, А.И. Нугуманова // Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. -№11.- Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2007. - С. 100-106.

12. Кисаев P.A. Исследование температурных режимов лазерной сварки / В.В. Звездин, A.B. Хамадеев // Межрегиональная научно-практическая конференция «Студенческая наука в России на современном этапе». Сборник докладов. Наб.Челны: Изд-во ИНЭКА 2008.-С. 168-170.

13. Кисаев P.A. Зависимость показателей качества сварки от параметров лазерного технологического комплекса. / В.В. Звездин, A.B. Хамадеев, С.М. Портнов // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2008. - №4. -http://kampi.ru/sets.

14. Кисаев P.A. Способ измерения температуры в зоне лазерной резки / P.A. Кисаев, И.Н.Кузнецов, В.В. Заморский // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. — № 3. - http://kampi.ru/sets.

15. Кисаев P.A. Математической модель учета распределения температурного поля по объему зоны взаимодействия излучения / P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов,

C.М. Портнов // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. -№ 3. - http://kampi.ru/sets.

16. Кисаев P.A. Способ контроля криволинейное™ сварного шва с различной геометрией шва и форм деталей / В.В. Звездин, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов, // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. - №3. http://kampi.ru/sets.

С. 32-38.

Соискатель

P.A. Кисаев

Подписано в печать 03.06.2011 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризографическая Уч.-изд. л. 1,3 Усл.-печ.л. 1,3 Тираж 100 экз.

Заказ 2067 Издательско-полиграфический центр «Камской государственной инженерно-экономической академии» 423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru

Введение.

Глава 1. Исследование зависимостей параметров лазерной резки от внешних факторов.

1.1. Особенности применения лазерных технологических комплексов.

1.2. Патентно-информационный обзор по системам автоматического управления параметрами лазерных технологических комплексов.

1.3. Экспериментальные металлографические исследования по лазерной резке образцов металлов.

1.3.1. Результаты металлографических исследования образцов из сталей.

1.3.2. Технологический процесс лазерной резки.

1.4. Обработка результатов исследований.

1.4.1. Статистическая обработка экспериментальных данных.

1.4.2. Аппроксимация экспериментальных зависимостей показателей качества технологического процесса резки от параметров лазерного технологического комплекса.

1.4.3. Расчет коэффициентов аппроксимирующего уравнения.

1.4.4. Погрешность аппроксимации.

1.5. Требования к металлам, подвергаемых лазерной резке.

1.6. Исследование качества реза металлов.

1.6.1. Результаты экспериментальных исследований.

1.7. Выводы.

Глава 2. Оптимизация параметров технологического процесса резки металлов.

2.1. Исходные данные задачи и ее поэтапное решение.

2.2. Описание алгоритма.

2.3. Постановка и решение задачи.

2.4. Выводы.

Глава 3. Математическая модель теплового потока, наведенного лазерным излучением.

3.1. Особенности моделирования теплофизических процессов при резке металла лазерным излучением.

3.2. Моделирование теплового поля на основе численной модели.

3.3. Исследование теплового поля, формируемого лазерным излучением.

3.4. Моделирование и оптимизация процесса лазерной резки.

3.4.1. Задание параметров процесса лазерной резки при помощи термокинетических кривих.

3.4.2. Критерий оценки качества технологического процесса при выборе технологических параметров.

3.4.3. Понятие распределенного и подвижного,управления.

3.4.4. Определение распределенного воздействия теплового источника.

3.4.5: Определение параметров перемещающегося лазерного источника нагрева.

3.4.6. Расчет температурного поля зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом.

3.5. Описание структуры системы автоматического управления.

Глава 4. Реализация управления параметрами технологического процесса.

4.1. Расчет технологических параметров резки металлов.

4.2. Энергетические затраты при газолазерной резке металлов.

4.3. Разработка и исследование системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом.

4.4. Результаты.

4.5. Выводы к четвертой главе.

Основные результаты работы.

Эффективность производства машиностроения неразрывно связана с внедрением прогрессивных технологий при комплексной автоматизации технологических процессов (ТП). К ним относится лазерная технология, позволяющая обеспечить требуемые показатели качества различных ТП. Наибольшее распространение нашли лазерная резка, сварка, упрочнение и наплавка [1-5].

По сравнению с традиционными методами в области раскроя листового проката (штамповкой, газовой резкой, плазменной электроискровой резки и рубки), преимущества лазерной резки неоспоримы. Это высокая скорость, экономия материала и производительность процесса, идеальная- поверхность реза, незначительная зона термического воздействия, изготовление изделий любой сложности в единичных экземплярах, высокая, повторяемость сложных изделий в любых количествах, отсутствие деформации материала [6]. Используя возможности лазерной резки, можно раскроить по сложному контуру практически любой листовой материал при- отсутствии механического воздействия на обрабатываемый материал.

Одной из задач, встающих при< проектировании ТП, является минимизация времени обработки заготовки с целью снижения себестоимости изделия. При этом можно выделить два основных пути:

1) оптимизация времени рабочих ходов и переходов;

2) оптимизация времени холостых ходов.

Основным направлением решения задачи по первому способу является оптимизация скорости резания по траектории [7].

При рассмотрении оптимизация времени холостых ходов можно решить подзадачу сокращения общей длины холостых ходов.

Применительно к процессу раскроя листового материала, когда на одном листе может быть расположено достаточно большое количество деталей и, следовательно, общая длина холостых ходов между деталями может достигать больших значений, вопрос автоматизации ТП при решении общей задачи сокращения времени резки листовых заготовок приобретает первостепенную значимость [8]. Данный подход позволяет построить систему автоматического управления (САУ) лазерным технологическим комплексом (ЛТК) со стабилизацией заданного значения точности позиционирования лазерного излучения (ЛИ) относительно заданной траектории реза [9] и плотности мощности ЛИ при оптимальном расходе кислорода.

Использование ЛИ1 с достижением заданных показателей качества обработки для различных ТП требует многогранности подходов к разработке систем управления . и- оптимизации режимов ЛТК. Для лазерной резки требуется минимизировать энергопотребление и обеспечить. минимальную шероховатость и,ширину реза [10].

Показатели качества резки металлов зависят от параметров ЛТК, к которым относятся плотность мощности излучения, скорость перемещения ЛИ, физико-химических свойств металла и атмосферы, окружающей зону воздействия:

Решение задачи? заключается в оптимальном-выборе негтолько звеньев ЛТК, направленном на выполнение требуемых показателей качества ТП, но и оптимизации параметров комплекса, где в качестве критерия оптимальности выступает его экономическая эффективность. Под экономической эффективностью здесь понимается минимизация энергозатрат при заданном объеме выпускаемых заготовок.

Одним из методов повышения эффективности является моделирование процесса лазерной резки металлов и стабилизации рабочих режимов на основе теоретического анализа и экспериментальных исследований.

Газолазерная резка (ГЛР) листовых металлов по сравнению с газовой и плазменной имеет ряд преимуществ. К ним относятся: высокая скорость и точность, узкий рез, прямые и параллельные кромки, отсутствие грата, малая 6 зона термического влияния и низкая шероховатость поверхности реза. Известно, что высокое качество ГЛР достигается, прежде всего, за счет сравнительно малого тепловложения и, как следствие, малой деформации заготовки и вырезаемой детали. Для обеспечения минимальных значений ширины реза, зоны термического влияния и шероховатости обработку следует проводить на максимальной скорости (для заготовок заданной толщины) при установленных мощности излучения и давлении вспомогательного газа. Использование потока кислорода, направляемого в зону обработки, позволяет значительно повысить качество кромок, снизить зону термического влияния увеличить эффективность ТП [1].

Общей тенденцией развития производства является увеличение номенклатуры обрабатываемых деталей и сокращение цикла замены выпускаемых изделий новыми. В этих условиях наиболее целесообразным является применение автоматизированных ЛТК со стабилизацией заданных показателей качества ТП.

Автоматизация ТП серийного производства • требует создания специализированных ЛТК с возможностью оптимизации энергетических и временных характеристик. Внедрение ЛТК в мелкосерийное производство, требует многопрофильности выполняемых ими технологических операции. Все это приводит к необходимости оптимизации выбора звеньев ЛТК, удовлетворяющих требованиям заданного ТП с заданными показателями качества.

Внедрены лазерные технологии на многих ведущих автомобильных заводах, примером их применения может служить фирма «Дженерал Моторс» США. В нашей стране лазерная резка применяется на некоторых предприятиях автомобилестроения. В мировом автомобилестроении ежегодно реализуется большое количество ЛТК.

На сегодняшний день производители ЛТК обеспечивают рынок сбыта промышленного оборудования без учета особенностей его эксплуатации и 7 требований к качеству выполняемых технологических операций. Все это приводит к стандартным наборам блоков комплекса и методам их объединения в систему, что сказывается на экономических и технических характеристиках. Это наглядно показывает приведенный примерный перечень лазерных технологических установок, выпускаемых в странах СНГ [11]. Однако условия эксплуатации, рыночные отношения между производителем и потребителем, а также возрастающая конкуренция на рынке сбыта продукции требует иного подхода к разработке ЛТК, направленных на достижение наибольшей экономической эффективности производства.

Решение этой задачи заключается в оптимальном выборе звеньев ЛТК, направленном на выполнение требуемого технологического процесса и оптимизации параметров звеньев ЛТК для обеспечения заданных показателей качества технологической операции, где в качестве критерия оптимальности выступает его эффективность.

Наиболее перспективным направлением совершенствования ЛТК является комплексный подход. Он включает создание системы автоматизированного проектирования технологии^ лазерной обработки, синтез САУ ЛТК с обратными связями по параметрам процессов в зоне взаимодействия ЛИ с металлами и разработку новых методов обработки информативных параметров, позволяющих создание баз данных с целью оптимизации структуры ЛТК.

Вместе с тем в настоящее время в литературе отсутствует информация о попытках применения методов оптимизации решения поставленной задачи, об алгоритмах управления и их особенностях.

Данная работа посвящена оптимизации параметров звеньев ЛТК и его структуры для повышения эффективности на примере лазерной резки металлов.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности системы управления ЛТК для резки листовых заготовок сложной формы за счет оптимизации параметров звеньев и оптимального планирования траектории движения лазерного луча на стадии подготовки технологического процесса.

Объект исследования — автоматизация процесса лазерной резки металлов.

Предметом исследования является управление процессом резки металлов на основе информативных параметров, измеряемых в реальном времени.

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом- энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной» средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения.

2. Математическая; модель выбора, очередности обработки заготовок листового проката с учетом граничных условий распределения-температурного поля.

3. Способ измерения температуры, отличающийся меньшим влиянием комплексных- коэффициентов', передачи» каналов, что; повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

Научная задача работы заключается в разработке- эффективной системы автоматического управления ЛТК, алгоритмов оптимизации процесса раскроя листового проката, выбора параметров звеньев ЛТК резки на основе нового подхода к моделированию, формированию ограничений для решения задачи оптимизации.

Для достижения поставленной цели и научной задачи в работе необходимо решить следующие вопросы:

- Разработать методики расчёта функциональной зависимости параметров реза от теплофизических характеристик металлов с учетом 9 влияния газовой среды, теплового поля в зоне воздействия ЛИ и их оптимальные параметры на основе математической модели с учётом распределения температурного поля по объёму зоны взаимодействия излучения на рез металлов;

- Разработать методику- ограничений для оптимизации порядка обработки листового материала при лазерной резке с учётом тепловых искажений формы листового проката;

- Повысить точность измерения температуры в зоне реза, обусловленную изменяющейся кривизной реза заготовки и комплексным коэффициентом передачи аналогового тракта преобразования;

- Разработать алгоритмы формирования управляющих воздействий, позволяющих учитывать тепловыделения при протекании окислительных реакций.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использованы методы математического и имитационного моделирования, теории автоматического управления, системного анализа. Экспериментальные исследования по взаимодействию лазерного излучения с металлами проводились на лазерно-технологическом комплексе «Хебр-1500» с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена соответствием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна:

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения (05.13.06).

2. Математическая модель выбора очередности обработки заготовок листового проката с учетом граничных условий распределения температурного поля (05.13.06):

3. Способ измерения температуры, отличающийся меньшим^ влиянием, комплексных коэффициентов: передачи: каналов, что- повысит, точность управления? лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов (05.13.05).

Теоретическая значимость работы заключается в том, что результаты теоретических исследований по лазерной резке металлов расширяют область знаний;. используемых в учебном, процессе вуза или при переподготовке специалистов.

Практическая ценность работы; Разработанные алгоритмы для; численного моделирования резки листового проката лазерным' излучением; позволяют исследовать динамику и , оптимизировать; значения технологических; параметров в ходе технологического' процесса. Оптимизация параметров звеньев лазерно-технологического комплекса для обеспечения* заданных показателей качества технологического процесса лазерной резки позволяет существенно снизить энергопотребление. I

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы, на практике в федеральном государственном унитарном: предприятии- «НПО «Государственный институт прикладной оптики» (г. Казань), закрытое акционерное общество «НПО «Оптоойл» (г. Казань), в учебном процессе ИНЭКА.

На защиту выносятся положения, обладающие научной новизной:

1. Математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения;

2. Методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора траектории обработки, позволяющая учесть тепловые искажения формы листового проката

3. Способ измерения температуры, позволяющий уменьшить влияние комплексных коэффициентов передачи каналов, что • повысит точность управления лазерным технологическим комплексом и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов.

4. Алгоритмы для численного моделирования резки листового проката лазерным» излучением позволяющие исследовать динамику процесса и оптимизировать значения технологических параметров на этапе проектирования технологического процесса.

Личный* вклад автора в диссертационную работу состоит: в выборе и обосновании методик моделирования, разработки системы автоматического управления и проведения экспериментальных исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении полученных данных.

Структура и объём диссертации. Диссертация! содержит 105 страницг машинописного текста, 30 рисунков и 10 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 77 наименований.

Основные результаты работы.

Основным результатом диссертационной работы является решение научной задачи, имеющей важное хозяйственное значение, которая заключается в разработке методики расчёта функциональной зависимости параметров реза от теплофизических характеристик металлов с учетом влияния газовой среды, теплового поля в зоне воздействия лазерного излучения и их оптимальные параметры на основе математической модели с учётом распределения температурного поля по объёму зоны воздействия излучения на рез металлов и алгоритмов формирования управляющих воздействий, позволяющих учитывать тепловыделения при протекании окислительных реакций; эффективной системы автоматического управления, алгоритмов оптимизации процесса раскроя листового проката, выбора параметров звеньев лазерного технологического комплекса резки на основе нового подхода к моделированию, формированию ограничений для решения задачи оптимизации. При проведении теоретических и практических исследований по тематике диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1 .Разработана математическая модель распространения теплового поля, отличающаяся от известных учетом энергетических процессов взаимодействия металла с кислородной средой, позволяющая формировать управляющее воздействие по составляющей мощности лазерного излучения, что позволяет снизить тепловую деформацию деталей до 20%.

2.Предложена методика формирования ограничений в задаче оптимизации расположения и выбора очередности обработки заготовок, позволяющая учесть тепловые искажения формы листового проката и снизить выход бракованных изделий до 15%.

3.Предложен способ измерения температуры, позволяющий уменьшить влияние комплексных коэффициентов передачи каналов, что повысит точность управления лазерным технологическим комплексом на 7% относительно ЛТК ХЕБР - 1500, где стабилизация режимов обработки производится по мощности ЛИ, и приведет к повышению показателей качества технологии лазерной резки металлов, что позволяет снизить энергопотребление до 50%.

4. Разработаны алгоритмы для численного моделирования резки листового проката лазерным излучением позволяющий исследовать динамику процесса и оптимизировать значения технологических параметров в ходе технологического процесса.

1. Григорьянц А. Г., Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров; под ред. А. Г. Григорьянца; — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 664 с.

2. Зуев И.В. Обработка материалов концентрированными потоками энергии. — М.: Изд-во МЭИ, 1988.

3. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н. Оборудование и технология лазерной обработки материалов. М.: Высшая школа, 1990.

4. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

5. Романец В. А. Новые процессы производства металла: состояние и перспективы/ В. А. Романец // Металлург. 2001. — № 11 С. 12

6. Виноградов Б. А., Гаврил енко В.К, Либенсон М.Н. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы: Учеб. пособие для вузов. — Благовещенск: Благовещ. политех, ин-т, 19931

7. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

8. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов. В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 5: А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов. Лазерная сварка металлов. — М.: Высш. шк., 1988.

9. Гуреев Д.М., Ямщиков C.B. Основы физики лазеров и лазерной обработки материалов: Учеб. пособие. — Самара: Изд-во Самарск. гос. ун-та, 2001.

10. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т 1: Расчет, проектирование и эксплуатация / Г.А. Абильситов, B.C. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.; Под общ. ред. Г.А. Абильситова. — М.: Машиностроение, 1991.

11. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т 2: Системыавтоматизации. Оптические системы. Системы измерения / Г.А. Абильситов, В.Г. Гонтарь, A.A. Колпаков и др.; Под общ. ред. Г.А. Абильситова. — М.: Машиностроение, 1991.

12. Лазерные технологические установки, выпускаемые в странах СНГ: Каталог-справочник/ Под. ред. И. Б. Ковша — 2-е изд. М.: Издательство НТИУЦ ЛАС, 1998. - 114 с.

13. Промышленное применение лазеров / Под ред. Г. Кебнера; Пер. с англ. под ред. И.В. Зуева. — М.: Машиностроение, 1988.

14. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов: В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 1: B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев. Физические основы технологических лазеров. — М.: Высш. шк., 1987.

15. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов: В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 2: B.C. Голубев, Ф.В. Лебедев. Инженерные основы создания технологических лазеров, — М.: Высш. шк., 1988.

16. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов. В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 3: А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. Методы поверхностной лазерной обработки. — М.: Высш. шк., 1987.

17. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов. В 7 кн: / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 4: А.Г. Григорьянц, A.A. Соколова. Лазерная обработка неметаллических материалов. —М.: Высш. шк., 1987.

18. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов. В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 6: А.Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов. Основы лазерного термоупрочнения сплавов. —М.: Высш. шк., 1988.

19. Лазерная техника и технология: Учеб. пособие для вузов. В 7 кн. / Под ред. А.Г. Григорьянца. Кн. 7: А.Г. Григорьянц, A.A. Соколов. Лазерная резка металлов. — М.:Высш. шк., 1988.

20. Арханова А. М. Теплотехника/ А. М. Арханова. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2004. - 712с.

21. Архитектура и модели систем статистического моделирования/

22. B. А. Песошин, В. И. Глова, В. М. Захаров, 3. Т. Яхина // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева, 1997, вып. 4.

23. Кожевников Ю. В. Теория вероятностей и математическая статистика/ Ю. В. Кожевников. М.: Машиностроение, 2002. - 415 с.

24. A.c. 1600480 СССР. МПК G01J5/60. Способ измерения температуры металла / В. В. Звездин — 4268562; Заявлено 02.04.87; Зарегистрировано 15.06.90, (1990, бюл. 38, стр. 260)

25. Пат. 2256887, Россия, МПК G01J4/04. Способ измерения степени поляризации / В. В. Звездин, Р. Б. Каримов, В. В. Заморский, И. В. Кутуева (Россия). — 2003130610/28; Заявлено 15.10.03; Опубл. 20.07.05. Бюл. 201. C.1.

26. Пат. 2003121076/28 Россия. МПК G 01J 5/60. Способ измерения цветовой температуры металла / Р. Б. Каримов, В. В. Звездин, И. С. Сабиров; Заявлено 08.07.2003; Опубл. 10.05.05, Бюл. № 13. С2.

27. Гортышов Ю. А. Теория и техника теплофизического эксперимента/ Ю. А. Гортышов, Ф. Н. Дресвянников, Н. С. Идиатуллин и др.; Под ред. В. К. Щукина. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1993.-448 с.

28. В. А. Москалев. Теоретические основы оптико-физических исследований. — JL: Машиностроение, 1987. — С. 261.

29. Несканирующие тепловизионные приборы: Основы теории и расчета/Р. М. Алеев, В. П. Иванов, В. А. Овсянников. — Казань: Изд-во Казанского университета, 2004. 228 с.

30. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. — С.-Пб: Питер, 2000.— 432 е.: ил.

31. Каганов В. И. Радиотехника + компьютер + Mathcad /В. И. Каганов. М.: Горячая линия-Телеком, 2001. - 416 с.

32. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования/ И. П. Норенков. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2006. - 448 с.

33. Кожевников, Ю.В. Теория вероятностей и математическая статистика/ Ю.В. Кожевников. М.: Машиностроение, 2002. — 415с.

34. Краснов, M.JI. Вся высшая математика. Учебник. Т.5. Изд. 2-е, исправл./ M.J1. Краснов, А.И. Киселев, Г.И. Макаренко и др. — М.:Эдиториал «УРСС», 2002. 296с.

35. Песошин, В.А. Моделирование. Вероятностные дискретные модели. Учебное пособие./ В.А. Песошин, В.И. Глова, В.М.Захаров, C.B. Шалагин. Казань, Изд-во «АБАК», 1998 г. 50с.

36. Справочник по теории автоматического управления/ под ред. A.A. Красновского М.: Наука, 1987.

37. Плахотников К. Э. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Методология и практика/ К. Э. Плахотников.

38. М.: Эдиториал «УРСС», 2003. 280 с.

39. Попов Е. П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления: Учебное пособие/ Е. П. Попов. — М.: Наука, 1988.-256 с.

40. Сванидзе Э. Н., Харлампович О. Я. Технологические лазеры: Экономичность и границы эффективности. — М.: Машиностроение, 1990.

41. Сом А. И. Лазер + плазма: поиск новых возможностей в наплавке/ А. И. Сом, И. В. Кривцун // Автоматическая сварка, 2000.— № 12.1. С. 36-41.

42. Степнов, М. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. Справочник/ М. Степнов. М.: Машиностроение, 2005. —400 с.

43. Физические величины: Справочник / А. П. Бабчиев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под. Ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

44. Топчеев Ю. И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов/ Ю. И. Топчеев. — М.: Машиностроение, 1989.

45. Сварка. Резка. Контроль: Справочник: В 2 т. / Под общ. ред. Н.П. Алешина. Г.Г. Чернышева.—М.: Машиностроение, 2004.

46. A.c. 1767792 СССР. МПК G01J5/60. Система автоматического управления лазерным технологическим комплексом / В. В. Звездин, А.З. Асанов — 4799870; Заявлено 08.06.92; Зарегистрирован 08.06.92. (1992, бюл. 37, стр. 217)

47. Турчак JI. И. Основы численных методов/ JI. И. Турчак, П. В. Плотников. М.: Наука, 2002. - 304 с.

48. Волчкевич Л. Автоматизация производственных процессов/ Л. Волчкевич. -М.: Машиностроение, 2007. — 380 с.

49. Фалевич Б. Теория алгоритмов. Учебное пособие / Б. Фалевич. -М.: Машиностроение, 2004. 160 с.

50. Филачев, A.M. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы/ А. М. Филачев, И. И. Таубкин, М. А. Тришенков. М.: Физматкнига, 2005.-384 с.

51. Численный расчет температурных полей металлических образцов под воздействием лазерного излучения. Моделирование и оптимизация сложных систем. Вестник Киевского университета, № 3, 1984.

52. А. В. Хамадеев, В. В. Звездин, Р. К. Фардиев, Д. А. Башмаков, Д. И. Исрафилов. Влияние модового состава лазерного излучения на зону термического воздействия в металлах // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. — №2, 2007.-С. 84-85.

53. В. В. Звездин, А. В. Хамадеев, Р. Г. Загиров, И. Р. Шангараев. Позиционирование лазерного излучения относительно сварного шва как показатель качества технологического процесса // Вестник КГТУ им. Туполева, 2008. № 3. - С. 84 - 85.

54. В. В. Звездин, А. В. Хамадеев, С. М. Портнов, Р. Ф. Зарипов. Поляризация теплового излучения как информативный параметр процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами // Вестник КГТУ им. Туполева. 2008. - № 3. - С. 86 - 88.

55. В. В. Звездин, А. В. Хамадеев, Р. Б. Каримов / Модель формирования микроструктур в металлах при лазерной обработке // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. сборник Вып.№11 Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2007. С. 150-154.

56. Технологические лазеры: Справочник: В 2 т. Т 2: Системы автоматизации. Оптические системы. Системы измерения / Г.А. Абильситов, В.Г. Гонтарь, А.А. Колпаков и др.; Под общ. ред. Г.А. Абильситова. — М.: Машиностроение, 1991.

57. Романец В. А. Новые процессы производства металла: состояние и перспективы/ В. А. Романец // Металлург. 2001. — № 11 С.12

58. Мощные газоразрядные СОг-лазеры и их применение в технологии / Г.А. Абильситов, Е.П. Велихов, А.Г. Григорьянц и др. — М.: Наука, 1984.

59. A.c. 1600480 СССР. МПК G01J5/60. Способ измерения температуры металла / В. В. Звездин — 4268562; Заявлено 02.04.87; Зарегистрировано 15.06.90, (1990, бюл. 38, стр. 260)

60. Пат. 2003121076/28 Россия. МПК G 01J 5/60. Способ измерения цветовой температуры металла / Р. Б. Каримов, В. В. Звездин, И. С. Сабиров; Заявлено 08.07.2003; Опубл. 10.05.05, Бюл. № 13. С2.

61. A.c. 1767792 СССР. МПК G01J5/60. Система автоматического управления лазерным технологическим комплексом / В. В. Звездин, А.З. Асанов — 4799870; Заявлено 08.06.92; Зарегистрирован 08.06.92. (1992, бюл. 37, стр. 217)

62. Микропроцессорные средства производственных систем/ В.Н.Алексеев, А.М.Коновалов, В.Г.Колосов и др.: Под общ. ред. В.Г.Колосова. JI.Машиностроение, 1988. - 287 с.

63. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля/А.С.Клюев, Б.В.Глазов,М.Б.Миндин и др.; Под ред. А.С.Клюева. 3-е изд., перераб. и доп. -М.:Энергоатомиздат, 1991. - 432 е.: ил.

64. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000

65. Пеньковский А.И. Изменения поляризационных характеристик света при отражении от границы двух изотропных сред. Оптико-механическая промышленность, 1986, №5.

66. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет, М.; Мир, 1981.

67. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.:Наука. 1982.

68. Поскачей A.A., Чу баров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.:Энергия, 1979, 208с.

69. Порьфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем: Учебное пособие для приборостроительных вузов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие, 1980.-272 е., ил.

70. Капустин Н. М. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении. М., Машиностроение, 1985

71. Ерофеев A.A. Теория автоматического управления. СПб.: Политехника, 2001.

72. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по спец. «Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. /Н.А.Бабаков,А.А.Воронов, А.А.Воронова и др.; Под ред. А.А.Воронова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.:Высш. шк., 1986. - 367 е., ил.

73. Сванидзе Э.Н., Харлампович О .Я. Технологические лазеры: Экономичность и границы эффективности . М.: Машиностроение, 1990.

74. Родионов В. Д. Технические средства АСУ ТП, Высшая школа,80 с.1989.