автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ „

Р Г Б ОД

2 5 ДПР гзоз

На правах рукописи

ДАНИЛОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПРИ ИХ ДИАГНОСТИКЕ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ ЯРКОСТИ

Специальность: 05.13.14 — системы обработки информации и управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2000

Работа выполнена во Владимирском государственном университете на кафедре физики и прикладной математики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент В.Г. Прокошев.

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор С.М. Аракелян.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор С.С. Садыков; кандидат технических наук, А.Б. Александров.

Ведущая организация Институт проблем лазерных и

информационных технологий РАН (г.Шатура)

Защита состоится « Ж 2000 г. в ¡и — часов на

заседании диссертационного совета Д.063.65.02 в ауд. 211 корпуса •/ Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г.Владимир, ул. Горького, д. 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан « 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, доцент /Г / '»^ РИ. МАКАРОВ

«с;

го совета: /.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время лазерные технологии продолжают интенсивно развиваться, определяя одно из перспективных направлений развития науки и техники.

Но если на начальном этапе преимущественное развитие получили лазерные технологии, основанные только на неуправляемом тепловом действии лазерного излучения, то в последнее время все большее внимание уделяется возможности избирательного воздействия лазерного излучения на те или иные процессы при обработке материала. Это связано с тем, что большой объем информации, содержащийся в энергетических, спектральных, пространственно-временных характеристиках лазерного излучения, открывает возможности лазерного управления процессами в веществе, включая саму область лазерного воздействия. Анализ и обработка этой информации непосредственно в ходе технологического процесса позволят контролировать свойства обрабатываемого материала и ориентировать его в нужном направлении.

Для диагностики процессов, индуцированных лазерным излучением, требуются высокоточные, бесконтактные и малоинерционные методы наблюдения и регистрации. Разработанные на сегодняшний день методы контроля не позволяют в полной мере оценить всю картину взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, изучить явления и процессы, происходящие на поверхности вещества, их пространственные и временные характеристики.

Основная проблема визуального контроля при больших плотностях мощности лазерного излучения — наличие плазменного факела над обрабатываемой поверхностью, экранирующего область воздействия. Для решения этих задач представляют значительный интерес системы регистрации с так называемым лазерным монитором (лазерный усилитель яркости изображения поверхности, ССО-камера, компьютер), который позволяет получать изображения обрабатываемой поверхности сквозь излучение экранирующей плазмы в реальном времени.

Таким образом, создание системы диагностики, обработки информации и управления лазерным технологическим процессом в реальном времени на основе лазерного монитора является актуальной проблемой и соответствует современным потребностям производства на базе новейших достижений науки и техники.

Целью работы является разработка новых методов получения и обработки информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости, их реализация и апробация в условиях эксплуатации на практике. Исходя из цели, задачи исследования сводятся к следующим:

1. Изучение информационных составляющих изображения поверхности, полученного при помощи лазерного монитора, в процессе воздействия на нее излучения технологического лазера.

2. Разработка методики получения и обработки информации для управления лазерными технологическими процессами с учетом пространственных и временных изменений, происходящих на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения.

3. Создание системы контроля и управления лазерными технологическими процессами в реальном времени на основе визуализации области воздействия.

4. Разработка алгоритмов обработки информации в процессе управления лазерными технологическими процессами.

5. Создание необходимого программного обеспечения для использования результатов исследования на практике.

Методы исследования. В работе использовались оригинальные методы обработки информации (включая оптическую обработку информации), математического моделирования, а также достижения микропроцессорной техники и устройств, современные методы автоматизированных экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработке новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов, а также диагностики в реальном времени состояния поверхности материалов при воздействии лазерного излучения и сводится к следующим результатам:

1. Разработка новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов.

2. Разработка новых диагностических систем реального времени на основе оптического усилителя яркости с компьютерной обработкой информации для управления лазерными технологическими процессами.

3. Создание устройств для контроля параметров лазерного усилителя и исследования пространственно-временных характеристик оптического изображения обрабатываемой поверхности материала.

4. Разработка алгоритма формирования изображения в лазерном усилителе яркости с учетом дифракционных и нелинейных искажений.

Практическая ценность работы:

1. Разработана и создана установка для визуализации процессов лазерной обработки поверхности материала в реальном времени (лазерный монитор).

2. Предложены устройства для контроля параметров лазерного усилителя непосредственно в процессе воздействия на вещество, которые позволяют путем контроля параметров лазерного излучения увеличивать точность и достоверность информации, получаемой во время технологического процесса.

3. Реализована разработанная методика измерения температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности оптического излучения, отраженного от нее, которая позволяет получать информацию о развитии процессов в металлах при лазерном воздействии.

4. Созданы устройства для измерения частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением иа поверхности материала, которые дают информацию о природе возникающих неустойчивостей.

5. Разработана и создана система управления для автоматизации процесса обработки поверхности материала, особенностью которой является визуальный контроль обрабатываемой поверхности.

6. Внедрено программное обеспечение, которое позволяет управлять процессом лазерной обработки поверхности материала с выполнением следующих функций: формирование задания, управление внешними устройствами, первичная обработка и сохранение полученной в ходе работы информации, а также управление микропроцессором, входящим в состав установки.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение надежности и точности производимых измерений, гибкость, осуществление контроля при управлении технологическими процессами, а также реализацию простого интерфейса общения при сохранении широкого спектра решаемых задач.

Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках следующих проектов и программ федерального и регионального назначения: по линии Минобразования РФ — Межвузовская научно-техническая программа "Лазеры и лазерные технологии", "Оптотехнология", Университеты России — фундаментальные исследования, Федеральная целевая программа "Интеграция"; по линии Миннауки РФ — в рамках единой региональной научно-технической программы Миннауки РФ и администрации Владимирской области "Создание автоматизированных лазерных

комплексов". Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе при подготовке студентов специальностей "Прикладная математика", "Лазерная техника и технология" и др. и внедрены на ряде предприятий.

На защиту выносится следующая совокупность новых научных результатов и научно-обоснованных технических решений в рамках рассматриваемой проблемы:

1. Система получения и обработки информации на основе оптического усилителя яркости в лазерных технологических процессах.

2. Оригинальные устройства для диагностики, контроля и управления процессом лазерной обработки материала.

3. Методы оценки информационных составляющих изображения области лазерного воздействия на вещество в пространстве и во времени с использованием компьютерной обработки визуальной информации и пространственно-временных распределений яркости изображения.

4. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанной системы при решении конкретных задач обработки информации в лазерных технологических процессах.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 12 Международных научных и научно-технических конференциях.

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 14 работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 120 наименований, в том числе 14 публикаций автора. В работе приведено 44 рисунка. Общий объем диссертации 186 е., в том числе 2 с. содержания, 117 с. основного текста, 11 с. списка литературы, 55 с. приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору известных методов сбора информации и управления лазерными технологическими процессами и постановке задач, которые необходимо решить для достижения цели работы.

Показано, что наиболее полную информацию о физико-химических процессах на поверхности вещества можно получить с помощью контроля за изображением обрабатываемой поверхности непосредственно в процессе воздействия на нее лазерным излучением. В этом случае на

основе данной информации и ее анализа оказывается реальным осуществление управления самим процессом лазерной обработки в нужном для технологических целей направлении. Управление развитием физико-химических процессов с помощью лазерного излучения применялось ранее для регулирования химических реакций. При этом было обнаружено, что их динамика в лазерном поле чрезвычайно чувствительна к конкретным режимам облучения. Это и является принципиальным фактором для управления лазерным технологическим процессом.

В данной главе рассмотрены основные направления современных лазерных технологий и возникающие явления при взаимодействии лазерного излучения с веществом, на основе которых можно управлять лазерным технологическим процессом.

На основании проведенного анализа различных подходов для визуализации и контроля была выбрана система на основе лазерного усилителя яркости (лазерный монитор) и рассмотрены особенности его работы, главная из которых состоит в возможности проведения измерений в реальном времени в случае возникновения плазменного факела над зоной лазерного облучения, который экранирует изображения области воздействия. Отмечено, что компьютерная обработка изображений области взаимодействия существенно увеличивает возможности повышения информативности технологического процесса.

Проанализированы особенности технологических лазеров и систем автоматического управления лазерными технологическими комплексами при их использовании на практике и построении автоматизированной системы сбора и обработки информации. Рассмотренные известные способы диагностики и реализации систем автоматического управления сбором и обработкой информации и их отдельных элементов позволили выбрать наиболее оптимальные и основывающиеся на диагностике в реальном времени и компьютерном управлении.

Задача состоит в следующем. Поверхность материала обрабатывается излучением мощного лазера, который индуцирует на ней физико-химические процессы и пространственно-временные неустойчивости. Их визуализация осуществляется с помощью другого зондирующего излучения — лазера, работающего в режиме усилителя яркости изображения (лазерный монитор). Компьютерная обработка изображения поверхности в его поле (в т.ч. в реальном времени), распознавание и анализ физико-химических процессов, происходящих при этом, составляют предмет исследования настоящей диссертации. В ней приведены необходимые для этого и разработанные автором системы и

устройства с автоматизированным управлением и методики компьютерной обработки информации на базе полученного оптического изображения.

Вторая глава связана с изучением информационных составляющих изображения области лазерного воздействия на вещество. Эти составляющие определяются из детектирования и анализа распределения яркости изображения обрабатываемой поверхности в пространстве и во времени непосредственно в процессе самого лазерного воздействия.

Произведенная оценка информативности такого пространственного распределения яркости оптического изображения показала возможность получения дополнительной информации о распределении толщины индуцированного лазерным излучением слоя окисла по поверхности вдоль пространственной координаты через распределение яркости по той же координате. Отражательная способность Щх) для отраженного от поверхности металла света вычисляется с помощью соотношения

И{х) = Н0В2(х)1В1( х), (1)

где До - отражательная способность нёокисленного металла, К\(х) -зависимость от пространственной координаты х яркости изображения до воздействия лазерного излучения на металл и В2(х) — в некоторый момент времени воздействия на металл.

Используя композицию отображений

*ь-»Д(х) = Л(й)ь»й, (2)

получаем искомое распределение толщины слоя А окисла по пространственной координате х на поверхности металла.

Значительный интерес для лазерных технологий представляет информация о динамических процессах, обусловленных колебаниями и распространением волн по поверхности расплава. Для изучения этих явлений предложен метод, основанный на оценке спектра частот данных колебаний с помощью быстрого преобразования Фурье.

По произведенному анализу информационного канала лазерного монитора создана математическая модель формирования оптического поля на его входе и выходе. Модель позволяет оценить вклад самого лазерного монитора в искажение получаемого изображения обрабатываемой поверхности. Новизна предложенной модели в совместном решении дифракционной задачи и нелинейного усиления сигнала в лазерном усилителе яркости. Поле на входе в оптический усилитель представляется в виде суперпозиции двух световых полей ■— постоянной (Ей) и переменной составляющих (Е\): Е = £0 + .

В итоге получается система двух дифференциальных уравнений для амплитуд этих полей, которая решается численно с использованием

метода Рунге-Кутта четвертого порядка точности (решение задачи Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений).

Соотношение амплитуд постоянной и переменной составляющих на входе и на выходе оптического усилителя и определяет нелинейные искажения в формировании оптического изображения из-за эффекта насыщения. Если их отношение одинаково на входе и на выходе, то искажений нет. Расчеты показали, что искажения невелики и фактически происходит лишь ухудшение контраста, которое может быть скомпенсировано с помощью соответствующей компьютерной обработки изображений.

Для увеличения информации об области лазерного воздействия разработана соответствующая методика и проведена компьютерная обработка полученной визуальной информации. Рассмотрены как классические методы обработки — точечные процессы (увеличение контраста, просветление, вычитание кадров, псевдораскрашивание и т.д.) и пространственные процессы (увеличение резкости, сглаживание, снятие помех), так и предложенные новые. К последним относятся динамические процессы, которые позволяют просматривать оптическое изображение в динамике — изменение во времени интенсивности вдоль сканирующей линии, проведенной на полученном изображении. Такой метод компьютерной обработки позволяет наглядно оценить изменения на поверхности облучаемого лазерным пучком материала и скорость этих изменений.

ооо 008 017 0:5 (иа ¡>ч|

а б

Рис. 1. Изменения яркости изображения вдоль сканирующей линии: а - наверху - изменение яркости (поз. 1) относительно зафиксированного образа (поз. 2) и внизу - график разности этих изображений; б - график покадрового перемещения фронта изменения яркости изображения

Разработанная методика обработки изображения позволила детально изучить процессы, происходящие при лазерном воздействии на материал:

фронты окисления и плавления, температурные поля, измерение параметров гидродинамических течений, индуцированных лазерным излучением и т.д.

В третьей главе рассмотрена задача построения автоматизированной системы обработки информации и управления лазерным технологическим процессом.

Для визуализации изображения разработан лазерный монитор, который представляет собой лазерный усилитель и ССЭ-камеру, связанную с персональным компьютером через видеоинтерфейс (рис.2).

Рис. 2. Лазерный монитор; 1 - обрабатываемый мощным лазерным излучением объект; 2 - объектив; 3 - лазер на парах меди; 4 - персональный компьютер; 5 - зеркало; 6,9 - проекционная система; 7 -оптический фильтр; 8 - ССО-камера; 10 - экран

Излучение лазера на парах меди 3, работающего в режиме сверхсветимости (без зеркал резонатора - оптический усилитель), фокусируется на объект 1, проходя через объектив 2 (таким образом осуществляется подсветка объекта). Отраженное от образца излучение собирается и направляется на вход лазера на парах меди 3 тем же объективом 2. Проходя через активную среду лазера, отраженное излучение усиливается в нем и проецируется оптической системой 9 на экране 10. Часть излучения ответвляется с помощью зеркала 5 на ССБ-камеру 8, связанную с персональным компьютером 4. Увеличенное изображение зоны взаимодействия на ПЗС-матрице камеры создается с помощью проекционной системы 6 и фильтра 7. Активная среда лазера 3 пропускает излучение образующегося над облучаемой мощным лазером областью взаимодействия на исследуемом объекте 1 плазменного факела практически без усиления и многократно усиливает излучение лазера 3, отраженное от поверхности объекта 1, что и позволяет осуществлять ее наблюдение в отраженном лазерном свете. Полученное с ССО-камеры 8

изображение поступает на персональный компьютер 4 для дальнейшей обработки.

Преимущество разработанной установки — возможность регистрации изображения при анализе высокотемпературных процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с материалами в условиях образования паразитной засветки от плазменного факела, которая экранирует область воздействия и не допускает ее диагностику в реальном времени стандартными методами. В качестве мощного технологического лазера, воздействующего на объект, использовался УАС:Ш-лазер, работающий в квазинепрерывном режиме (не показан на рис.2). Максимальная плотность излучения на объекте 3.2-106 Вт/см2.

Под воздействием мощного лазерного излучения изменяются оптические характеристики облучаемого материала, что приводит к изменению отражательной способности обрабатываемой поверхности в поле зондирующего излучения лазерного монитора. Наличие ССО-камеры в канале регистрации изображения данной установки позволяет наблюдать в динамике процессы, происходящие в области взаимодействия лазерного излучения с поверхностью материала и регистрировать изображения области воздействия через заданные промежутки времени (например, определяемые частотой кадров камеры). Сопоставление полученных изображений зоны наблюдения в различное время лазерного воздействия на вещество позволяет изучить эволюцию обрабатываемой поверхности материала. Дальнейшая компьютерная обработка полученного изображения предоставляет богатые возможности как для улучшения качества изображения, так и для анализа различных его частей для управления процессом воздействия лазерного излучения в реальном времени (в т.ч. при введении соответствующей обратной связи в систему).

На основании анализа систем и алгоритмов для автоматизированного контроля и управления процессами измерения различных параметров как лазерного излучения, так и других величин (температура, мощность и т.п.) разработана автоматизированная система обработки информации и управления лазерным технологическим процессом, блок-схема которой приведена на рис. 3.

Модуль А установки отвечает за автоматизацию процессов лазерной обработки поверхности вещества, модуль В — за визуальный контроль и контроль пространственного положения поверхности обрабатываемого объекта, модуль С — за измерение показаний датчиков и управление ходом работы самой лазерной установки. Персональный компьютер осуществляет общее управление работой всей системы путем программирования микроконтроллера и формирования управляющих

сигналов для блока сопряжения, а также выполняет прием и обработку получаемых данных.

1 2 5 6 —1

А - 7

3 4 Г

Ц |

В С

Рис. 3. Блок-схема системы обработки информации и управления лазерным технологическим процессом: 1 - координатный стол; 2 - блок сопряжения; 3 - CCD камера; 4 - видеоинтерфейс; 5 -персональный компьютер; 6 - микроконтроллер; 7 - датчики для измерения различных параметров и управления процессом регистрации

Для модуля С были рассмотрены различные режимы измерений. Во-первых, — с кратковременными интервалами между двумя последовательными измерениями, во-вторых, — с длительными интервалами между ними. В первом случае продолжительность измерений - секунды - при скорости снятия показаний не хуже "реального времени" (скорость кадровой частоты — единицы миллисекунд). Для второго случая характерны длительные интервалы между двумя измерениями (секунды и даже минуты) при большой длительности процесса измерений (часы). Для реализации этих режимов работы модуля С было разработано устройство для измерений и контроля на основе микроконтроллера, управляемого специальной программой персональным компьютером. Созданное устройство позволяет осуществлять регистрацию показаний датчиков, хранение и передачу на компьютер полученных данных. Отдельное программное обеспечение позволяет управлять системой при различных режимах измерений и обеспечивает регулирование автоматического сбора информации при проведении лазерного технологического процесса.

Система обработки информации позволяет осуществлять контроль параметров лазерного усилителя, измерение температурной зависимости поверхности вещества по интенсивности отраженного излучения и измерение частотных характеристик процессов, происходящих при лазерном воздействии на поверхность вещества.

Управление лазерным технологическим процессом рассмотрено в диссертационной работе на примере лазерной обработки поверхности материала. В отличие от классических схем лазерной обработки, здесь

осуществляется непрерывный визуальный контроль обрабатываемой поверхности непосредственно в процессе обработки. Разработан алгоритм и создан необходимый пакет компьютерных программ для формирования "управляющего образа" векторным и растровым способами, а также для управления координатным столом и самим лазером, производящим воздействие на объект.

Алгоритм управления процессом лазерной обработки на основе визуализации области взаимодействия и контроля пространственного положения объекта на примере лазерной сварки сводится к следующему. Упрощенное изображение области лазерного воздействия на объект показано на рис.4.

Зона контакта

(О,В)

(А.0) а1 ) (?а (А, 360)

Зона расплава

Ы

(С,360)

<С,0) сЛ \с2

|Ь2 1 Шов

(288,В)

Рис. 4. Упрощенное изображение области сварки двух объектов

Для автоматизации процесса сварки формируются сигналы управления:

1. Местоположение зоны контакта. Производится анализ элементов строки А (см. рис.4). При этом определяются координаты а1 и а2 границ фасок объектов. Величина рассогласования вычисляется по соотношению ДА = АО — (а1+а2)/2, где АО — номер столбца, соответствующего номинальному положению зоны контакта.

2. Диаметр зоны расплава по горизонтали и вертикали соответственно. При этом величины поперечного X и продольного У сечений зоны расплава определяются как X = с2 - с1, У = Ь2 - Ы, где с1 и с2 -координаты границ поперечного сечения, Ы и Ь2 — координаты границ продольного сечения. Соответствующие величины рассогласования АХ и АУ рассчитываются в соответствии с выражениями: АХ = XN - X, ЛУ= YN - У, где Х1Ч и YN — номинальные величины соответствующих сечений (задаются пользователем).

3. Горизонтальное и вертикальное положения центра зоны расплава соответственно. Определяются при достижении номинального местоположения самой зоны. Для этого вычисляют координаты центра зоны контакта в соответствии с выражениями: ХО = (с1+с2)/2, УО = (Ы+ +Ь2)/2. Соответствующие величины рассогласований: ЕХ = ВО - ХО, ЕУ = = СО - УО, где ВО и СО — номинальные горизонтальное и вертикальное положения центра зоны расплава соответственно (задаются пользователем).

Для улучшения качества получаемого оптического изображения обрабатываемой лазерным излучением поверхности разработаны две оптические системы, располагающиеся на входе лазерного усилителя (не показан на схемах), предусматривающие пространственную фильтрацию рассеянного излучения от внефокальных областей и сохранение неизменного размера изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве при изменении его положения вдоль оптической оси (рис.5).

ш

12 3 4

1.

1 т. 'I' '

г ь,

И. р2

а б

Рис. 5. Оптические схемы визуального контроля

Из

Оптическая схема формирования изображения, в которой предусматривается пространственная фильтрация рассеянного от внефокальных областей излучения, использует двухлинзовую с диафрагмой оптическую систему (рис.5,а). Плоскость диафрагмы 3 оптически сопряжена с плоскостью регистрирующего устройства 5 посредством линзы 4, а объект 1 и диафрагма 3 находятся в оптически сопряженных плоскостях относительно объектива 2. Данная схема сочетает в себе преимущества конфокального микроскопа и лазерного проекционного микроскопа.

Трехлинзовая система формирования изображения (рис.5,б) позволяет сохранять неизменным размер изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве при изменении его положения вдоль оптической оси. Линзы Г] и Р2 жестко зафиксированы относительно друг друга так, что задний фокус линзы Р! совмещен с передним фокусом линзы К2.

Необходимое перемещение А13 системы линз ГГР2 строго пропорционально перемещению Д объекта наблюдения и связано с ним соотношением Д^=ЛГ-Д//, где К- коэффициент пропорциональности

^(ММММ,)). (3)

Схемы рис.5 показали свою эффективность в работе при проведении измерений на собранной установке по обработке информации в лазерном технологическом комплексе с использованием диагностики в реальном времени на основе лазерного монитора. Эти результаты приведены в следующей главе.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований предложенных в диссертационной работе устройств. Они подтвердили, что рассмотренный метод регистрации и обработки изображений позволяет выделить частотные составляющие лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества, экранированной плазменным факелом, а также исследовать сложные пространственно-временные неустойчивости и нелинейные структуры, возникающие под действием мощного лазерного излучения.

На конкретных примерах доказано, что разработанная методика регистрации интенсивности падающего и отраженного излучения от области взаимодействия при измерении во времени температуры поверхности исследуемого объекта позволяет оценить изменение физико-химических свойств материала по изменению отражательной способности нагретого тела (рис.6).

Рис. 6. Экспериментальные зависимости при обработке объекта из меди: а - нормированная интенсивность излучения (поз. 1) и нормированная интенсивность отраженного усиленного излучения (поз. 2) во времени; б - относительное изменение, характеризующее изменение отражательной способности от времени; в - изменение температуры объекта во времени

Полученные временные зависимости яркости отраженного зондирующего излучения лазерного монитора в области воздействия

мощного лазерного пучка и рассчитанные на их основе спектры колебаний яркости отраженного оптического сигнала позволили измерить частотную область возникающих лазерно-индуцированных гидродинамических колебаний (рис.7).

Рис. 7. Распределение интенсивности отраженного от поверхности излучения лазера на парах меди в отдельной точке области взаимодействия для стали: а - распределение во времени; б - спектр; в — низкочастотный участок спектра

В приложении приведены тексты разработанных программных продуктов, результаты тестовых испытаний и материалы о внедрении результатов диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

Результаты теоретического и экспериментального исследования разработанных систем обработки изображений и информации в реальном времени дают основание заключить, что использование такого комплекса с лазерным монитором позволит существенно увеличить количество получаемой информации, необходимой для целенаправленного управления лазерными технологическими процессами, отражая намного более полную картину взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая исследование пространственно-временных неустойчивостей и динамических нелинейных структур. Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим: 1. Разработана и создана установка для диагностики и визуализации в реальном времени процессов лазерного воздействия на поверхность материала с компьютерной обработкой полученной пространственно-временной информации — лазерный монитор. Предложена методика контроля параметров лазерного усилителя с помощью специально разработанного и созданного устройства в процессе проведения

измерений и показана необходимость такого контроля при использовании его в лазерных технологических комплексах.

2. Произведен анализ информационного канала лазерного монитора и создана математическая модель формирования изображения на выходе лазерного усилителя.

3. Реализована разработанная методика измерения температурной зависимости поверхности обрабатываемого лазерным излучением объекта по интенсивности отраженного излучения, включающая также необходимое программное обеспечение для управления, получения и обработки информации. Получены экспериментальные зависимости для пространственного распределения физико-химических характеристик обрабатываемого материала, в частности распределение толщины слоя окисла по поверхности объекта в области лазерного воздействия по полученному с помощью лазерного монитора оптическому изображению.

4. Созданы устройства для измерения частотных характеристик гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением, и соответствующее программное обеспечение. Устройства позволяют измерять в реальном времени динамические параметры процессов, возникающих в поле мощного лазерного излучения.

5. Разработана и создана система автоматизации процесса обработки поверхности материала лазерным излучением, снабженная необходимым программным обеспечением, особенностью которой является визуальный контроль обрабатываемой поверхности. На основе системы разработан алгоритм контроля и управления пространственным положением обрабатываемых объектов.

6. Произведен анализ возможностей повышения информативности лазерного монитора при компьютерной обработке визуальной информации области лазерного воздействия. Предложен новый способ анализа и обработки последовательных изменений оптического изображения (динамические процессы), который позволяет изучать в динамике процессы на поверхности материала при воздействии мощного лазерного излучения.

Для улучшения качества получаемого изображения обрабатываемой поверхности разработаны оптическая система, предусматривающая пространственную фильтрацию рассеянного излучения от внефокальных областей, а также оптическая система для сохранения неизменного размера изображения наблюдаемого объекта на приемном устройстве при изменении его положения вдоль оптической оси.

Список публикаций по теме диссертации

1. Computer processing of image of projectional microscope with the laser amplifier of brightness / V.G. Prokoshev, A.F. Galkin, A.N. Fomin, A.V. Dukhanov, I.K. Sukharev, S.U. Danilov, S.M. Arakelian. Proceedings of the International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE'97, 1997, Erlangen, Germany, p.305-313.

2. Projectional microscope with the laser amplifier of brightness and computer processing of image / V.G. Prokoshev, A.F. Galkin, I.I. Klimovskii,

A.V. Dukhanov, S.U. Danilov, D.V. Abramov, S.M. Arakelian. Technical Program International Symposium on "Optical Science, Engineering, and Instrumentation", San Diego, California USA, 27.07-01.08.97.

3. Laser-induced instabilities and thermochemical processes in condensed matter and their diagnostics by means of the laser brightness amplifier in real time scale / V.G. Prokoshev, A.F. Galkin, I.I. Klimovskii, D.V. Abramov, M.A. Taranenko, S.U. Danilov, S.M. Arakelian. In col. of Abstracts of The second international symposium on Modern problems of laser physics, Akademgorodok, Novosibirsk, Russia, 28.07-2.08.1997, p.PI-31.

4. Компьютерная обработка изображения проекционного микроскопа с лазерным усилителем яркости / В.Г.Прокошев, А.Ф.Галкин, А.Н.Фомин, С.Ю.Данилов, С.М.Аракелян // Лазерная технология и средства ее реализации-97: Материалы конф., - СПб, 1997. - С. 23-25.

5. Experimental study of laser-induced hydrodynamical and thermochemical processes by means of laser brightness amplifier / Prokoshev V.G., Klimovskii I.I., Galkin A.F., Orlov V.N., Abramov D.V., Taranenko M.A., Danilov S.U., Arakelian S.M. International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers II, 22-26.09.1997, Tomsk, Russia, Proceeding of SPIE vol.3403, p.270-275.

6. Прокошев В.Г., Галкин А.Ф., Климовский И.И., Данилов С.Ю., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости. // Квантовая электроника. - 1998. 25. - №4. -С. 337-340.

7. Термохимические процессы при лазерной обработке материалов /

B.Г. Прокошев, Т.А. Обгадзе, С.Ю. Данилов, С.И. Шишин, С.М. Аракелян // Математические методы в химии и технологиях ММХТ-11: Междунар. науч. конф., - Владимир, 1998. - С. 168-170.

8. Данилов С.Ю., Курбасов А.И., Прокошев В.Г. Установка для измерения и контроля параметров лазерного усилителя в реальном масштабе времени // Лазерные технологии-98 (ILLA-98): VI Междунар. конф., - Шатура. ~ С. 120.

9. Thermochemical and hydrodynamical processes under laser treatment and their observation by means of laser monitor with computer processing images / V.G. Prokoshev, I.I. Klimovskii, A.F. Galkin, D.V. Abramov, S.U. Danilov, S.M. Arakelian Technical Program International Symposium on "High-Power Lasers and Applications" (LASE'98), San Jose, California USA, 28.01.1998.

10.Diagnostics for the laser and electron beam processing of material by the laser monitor in a real time scale / Dr. V.G. Prokoshev, Dr. A.F. Galkin, S.U. Danilov, S.I. Shishin, Dr. S.M. Arakelian, Dr. I.I. Klimovskii. Technical Program International Symposium "31st ISATA", Dusseldorf, Germany, 02.0605.06.1998.

11.Danilov S.U., Kurbasov A.I., Prokoshev V.G. Set-up for measurement and control of laser amplifier parameters in real time scale. 6th International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications '98, 27-29.06.1998, Shatura, Russia, Proceedings of SPIE vol.3688, p.466-468.

12. Studding of composite material under laser technological treatment / S.U. Danilov, D.V. Abramov, V.G. Prokoshev, A.V. Panfilov, A.F. Galkin, S.M. Arakelian Technical Program EOS/SPIE International Symposium "EUROPTO", Munich, Germany, 14.06-18.06.1999.

1 З.Данилов С.Ю., Мишина M.B., Прокошев В.Г. Математическое моделирование формирования изображения в лазерном усилителе яркости // Оптика-99: Междунар. конф. молодых ученых и специалистов, - СПб, -

14.В.М. Батенин, И.И. Климовский, С.В. Калинин, А.Ф. Галкин, С.Ю. Данилов, В.Г. Прокошев, Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян Заявка на изобретение № 98106445/28//Положительное ре"№«н(*пт 19 юоо

С. 104.

Введение.

Глава 1. Информационные основы лазерных технологий. Обзор литературы.

1.1. Современное состояние лазерных технологий. Основные задачи.

1.2. Методы и пути решения задачи сбора информации и управления лазерными технологическими процессами.

1.3. Лазерный монитор на основе оптического усилителя яркости.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Информационные составляющие изображения области лазерного воздействия на вещество и анализ информационных каналов.

2.1. Пространственное распределение яркости изображения.

2.2. Временное развитие картины неустойчивостей.

2.3. Анализ информационного канала лазерного монитора при регистрации изображения.

2.4. Компьютерная обработка изображения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Система обработки информации и управления лазерным технологическим процессом с использованием лазерного монитора.

3.1. Автоматизированный сбор информации при воздействии лазерного излучения на поверхность материала.

3.1.1. Измерение и контроль параметров лазерного усилителя в реальном масштабе времени.

3.1.2. Измерение температурной зависимости поверхности нагретого тела по интенсивности отраженного излучения.

3.1.3. Измерение частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением в веществе.

3.2. Управление процессом лазерной обработки поверхности материала.

3.2.1. Система автоматизации процесса лазерной обработки.

3.2.2. Алгоритм работы системы автоматизации.

3.2.3. Контроль пространственного положения объекта.

3.3. Оптические схемы визуального контроля.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Диагностика в реальном времени динамических процессов при лазерной обработке поверхности материала. Экспериментальные результаты.

4.1. Характеристики лазерного монитора при визуализации обрабатываемой поверхности.

4.2. Оптические схемы визуального контроля.

4.3. Измерение температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности отраженного излучения.

4.4. Измерение частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности вещества.

Выводы по главе 4.

В настоящее время лазерные технологии получили значительное развитие и представляют достаточно распространенный в промышленности процесс обработки материалов. Это поверхностная обработка материалов, термоупрочнение, сварка, резка, фотохимические процессы, разделение изотопов и т.д. [37-44, 65, 66, 68, 70, 86]. Лазерные установки и технологические линии в настоящее время применяются во многих отраслях производства [36, 64, 67, 71, 72, 75, 77]. По экономическим показателям они успешно конкурируют с традиционными средствами обработки материалов.

Но если на начальном этапе преимущественное развитие получили лазерные технологии, основанные только на неуправляемом тепловом действии лазерного излучения, то в последнее время все большее внимание уделяется возможности избирательного воздействия лазерного излучения на те или иные процессы при обработке материала [46]. Это связано с тем, что большой объем информации, содержащийся в энергетических, спектральных, пространственно-временных характеристиках лазерного излучения, открывает возможности лазерного управления процессами в веществе, включая саму область лазерного воздействия. Анализ и обработка этой информации непосредственно в ходе технологического процесса позволит контролировать свойства обрабатываемого материала и направлять его в нужном направлении.

Для диагностики процессов, индуцированных лазерным излучением, требуются высокоточные, бесконтактные и малоинерционные методы наблюдения и регистрации. Разработанные на сегодняшний момент методы контроля не позволяют в полной мере оценить всю картину взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, процессы, происходящие на поверхности вещества, их пространственные и временные характеристики. Основная проблема визуального контроля при больших плотностях 5 мощности лазерного излучения — наличие плазменного факела над обрабатываемой поверхностью, экранирующего область воздействия. Для решения этих задач представляют значительный интерес системы регистрации с так называемым лазерным монитором (лазерный усилитель яркости изображения поверхности, ССБ-камера, компьютер), который позволяет получать изображения обрабатываемой поверхности сквозь излучение экранирующей плазмы в реальном времени [26-32, 100].

Таким образом, создание системы диагностики, обработки информации и управления лазерным технологическим процессом в реальном времени на основе лазерного монитора является актуальной проблемой и соответствует современным потребностям производства на базе новейших достижений науки и техники.

Цели работы является разработка новых методов получения и обработки информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости, их реализация и апробация в условиях эксплуатации на практике. Исходя из цели, задачи исследования сводятся к следующим:

1. Изучение информационных составляющих изображения поверхности, полученного при помощи лазерного монитора, в процессе воздействия на нее излучения технологического лазера.

2. Разработка методики получения и обработки информации для управления лазерными технологическими процессами с учетом пространственных и временных изменений, происходящих на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения.

3. Создание системы контроля и управления лазерными технологическими процессами в реальном времени на основе визуализации области воздействия.

4. Разработка алгоритмов обработки информации в процессе управления лазерными технологическими процессами. 6

5. Создание необходимого программного обеспечения для использования результатов исследования на практике.

Методы исследования. В работе использовались оригинальные методы обработки информации (включая оптическую обработку информации), математического моделирования, а также достижения микропроцессорной техники и устройств, современные методы автоматизированных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в разработке новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов, а также диагностики в реальном времени состояния поверхности материалов при воздействии лазерного излучения и сводится к следующим результатам:

1. Разработка новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов.

2. Разработка новых диагностических систем реального времени на основе оптического усилителя яркости с компьютерной обработкой информации для управления лазерными технологическими процессами.

3. Создание устройств для контроля параметров лазерного усилителя и исследования пространственно-временных характеристик оптического изображения обрабатываемой поверхности материала.

4. Разработка алгоритма формирования изображения в лазерном усилителе яркости, с учетом дифракционных и нелинейных искажений.

Практическая ценность работы заключается в том, что включенные в диссертационную работу результаты получены автором при проведении следующих НИР: "Разработка методического обеспечения технологических экспериментов по лазерной обработке материалов"; "Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных

7 ; изделий в интересах промышленных предприятий региона"; "Разработка методов визуального контроля технологических процессов (сварка, резка и т.д.) при помощи монитора на основе лазера на парах меди"; "Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных изделий и контроля качества обрабатываемой поверхности в реальном масштабе времени"; "Лазерно-индуцированные процессы и неустойчивости металлов и в слоистых структурах и их диагностика при помощи лазерного усилителя яркости"; "Лазерные термохимические процессы на поверхности материалов и в слоистых структурах устройств оптоэлектроники"; "Разработка автоматизированного комплекса для визуализации, контроля и управления при помощи лазерного монитора лазерными технологическими процессами при обработке изделий оптоэлектроники"; "Физика лазеров и лазерные системы, новые применения в науке, технике и технологии"; "Новые физические принципы оптической диагностики вещества в реальном масштабе времени на базе разработки методов повышения эффективности излучения СОг - лазера и использования лазерного монитора"; "Стохастические процессы и неустойчивости при воздействии мощных лазерных пучков на вещество и их визуализация при помощи лазерного монитора"; "Математическое и физическое моделирование высокотемпературных гидродинамических неустойчивостей" (прил. П.2). Перечень результатов имеющих практическую ценность:

1. Разработана и создана установка для визуализации процессов лазерной обработки поверхности материала в реальном времени (лазерный монитор).

2. Предложены устройства для контроля параметров лазерного усилителя непосредственно в процессе воздействия на вещество, которые позволяет путем контроля параметров лазерного излучения увеличивать точность и достоверность информации получаемой во время технологического процесса. 8

3. Реализована разработанная методика измерения температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности оптического излучения, отраженного от нее, которая позволяет получать информацию о развитии процессов в металлах при лазерном воздействии.

4. Созданы устройства для измерения частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности материала, которые дают информацию о природе возникающих неустойчивостей.

5. Разработана и создана система управления для автоматизации процесса обработки поверхности материала, особенностью которой является визуальный контроль обрабатываемой поверхности.

6. Внедрено программное обеспечение, которое позволяет управлять процессом лазерной обработки поверхности материала с выполнением следующих функций: формирование задания, управление внешними устройствами, первичная обработка и сохранение полученной в ходе работы информации, а также управление микропроцессором, входящим в состав установки.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение надежности и точности производимых измерений, гибкость к вносимым изменениям, осуществление контроля при управлении технологическими процессами, а также реализацию простого интерфейса общения при сохранении широкого спектра решаемых задач.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках следующих проектов и программ федерального и регионального назначения: по линии Минобразования РФ — Межвузовская научно техническая программа "Лазеры и лазерные технологии", "Оптотехнология", Университеты России -Фундаментальные исследования, Федеральная целевая программа "Интеграция"; по линии Миннауки РФ — в рамках единой региональной научно-технической программы Миннауки РФ и Администрации 9

Владимирской области "Создание автоматизированных лазерных комплексов". Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе при подготовке студентов специальностей прикладная математика, лазерная техника и технология и др. и внедрены на ряде предприятий (прил. П.2).

На защиту выносится следующая совокупность новых научных результатов и научно-обоснованных технических решений в рамках рассматриваемой проблемы:

1. Система получения и обработки информации на основе оптического усилителя яркости в лазерных технологических процессах.

2. Оригинальные устройства для диагностики, контроля и управления процессом лазерной обработки материала.

3. Методы оценки информационных составляющих изображения области лазерного воздействия на вещество в пространстве и во времени с использованием компьютерной обработки визуальной информации и пространственно-временных распределений яркости изображения.

4. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанной системы при решении конкретных задач обработки информации в лазерных технологических процессах.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 12 международных научных и научно-технических конференциях.

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 14 работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 120 наименований, в том числе 14 работ автора. В работе приведено 44 рисунка. Общий объем диссертации 186 е., в том числе 2 с. содержания, 117 с. основного текста, 11с. списка литературы, 55 с. приложения.

Выводы:

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С.Ю. при выполнении им диссертационной работы "Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помошью оптического усилителя яркости".

Настоящий акт подтверждает, что программное обеспечение, разработанное и изготовленное Даниловым С.Ю. для системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора внедрено в разработки, выполняемые МЛЦ МГУ.

Практическое использование разработанного программного обеспечения системы позволило увеличить объем информации при исследованиях лазерно-икдуиированных процессов на поверхности вещества, проводимых в МЛЦ МГУ.

Зам. директора МЛЦ МГУ доиент

183

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.4!> •■'>'") 11|-1тур,:.1 м'">'■'^ояской обл , ул Святоозерскэя, 1. ИПЛИТ РАН. Тел '>09645) .' '■■'■! Факс '?-25-32 Р-тяИ (чггигггЗЯаалг тс»! т.-ф «¡и К" I НИ f Д Р к H и я на n-Mi.i > >м1!ьк>к-рнон обработки информации, |щ (рабоI.iiiiioii Г.Ю, Даниловым при кип«»/тении им 'шссертационной работы и про m,i отменной uni обработки информации» и(».:|\■ц-миоп с помощью лазерного монитора

I lac поящий акт h.vi i исрждасп, чи» разработанная С.Ю. Даниловым система ■)М11ыогорной оирабомчм информации полученной с помощью лазерного монитора, ядрена в разработки . :«r.it(tняомые ИПЛИТ, и позволяет производить детальное зучение (и i/iai не гике и и динамике) процессов на поверхности материала при нерпой обработке.

Практическое применение компьютерной обработки позволило увеличить 5ъем обрабатываемой информации получаемой в исследованиях процессов на эперхност иещеетна при мощном кмерпом воздействии.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С.Ю. при выполнении им диссертационной работы.

Настоящий акт подтверждает, что разработанная и изготовленная Даниловым С.Ю. система сбора и обработки информации , состоящая из лазерного усилителя на основе лазера на парах меди , проецирующей оптической системы. ССО-камеры и компьютера, позволит осуществлять наблюдение за поверхностью вещества во время лазерного воздействия на него с разрешением не хуже 2 мкм и частотой регистрации не менее 25 Гц через плазменный факел.

Использование данной системы в лазерной технике позволит осуществлять контроль и управление ходом лазерной обработки материала. Практическое применение разработанной системы позволит количественно и качественно повысить информативность при исследованиях лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества, производимых на предприятии.

Главный металлург ФГУП ВПО " Точмаш "

Сл рижак А. Г.

185