автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Повышение эффективности информационно - измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок при резке материалов

На правах рукописи

Костромин Михаил Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ РЕЗКЕ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005532147

Москва-2013

005532147

Работа выполнена на кафедре ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, заведующий кафедрой «Приборы и информационно-измерительные системы» МГУПИ Слепцов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заместитель начальника Научного Центра по науке ОАО «Российские космические системы» Данилин Николай Семенович;

кандидат технических наук, директор ООО «Главдиагностика», Дидин Геннадий Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно - исследовательский

технологический институт» (ЦНИТИ)

Защита состоится «11» июня 2013 г. в 12 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.119.01 Московского государственного университета приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний ученого совета МГУПИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учредителя, просьба направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан « 29 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь А

Диссертационного совета Д212.119.С _/I'

доктор технических наук, профессор^^--^—^ Филинов В.В.

2

Общая характеристика работы:

Актуальность темы.

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки.

Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца.

Мировой рынок лазерного оборудования для обработки материалов оценивается в 7,9 миллиардов евро, однако российский рынок составляет не более 1% от мирового, хотя в последние годы он растет. Следует отметить, что в РФ применяют, в основном, зарубежные установки фирм «Trumpf», «Mazak», «Prima Industrie», хотя появляются и отечественные разработки - это продукция ЗАО «Лазерные комплексы», ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» и др. Поэтому проблема создания высококачественных отечественных лазерных технологических установок (ЛТУ), позволяющих повысить эффективность производственных процессов является чрезвычайно актуальной и экономически выгодной.

Состояние проблемы. В настоящее время тенденцией развития лазерных установок является их автоматизация, причем в той или иной форме автоматизация применяется на большей части лазерных установок.

Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.

Большинство выпускаемых в настоящее время лазерных установок выполнено с «летающей» оптикой или подвижным лазерным лучом. Разрезаемый материал остается при этом неподвижным, а лазерный луч перемещается по нему, осуществляя программируемые резы.

Сам лазер располагают непосредственно на раме установки либо рядом с ней (в этом случае система подачи луча направляет его по осям X и Y). Установки с «летающей» оптикой предназначены для обработки заготовок размерами от 0,8x0,6 до 3x8 (м).

Следует отметить, что важнейшим элементом лазерной технологической установки является ее информационно-измерительная и управляющая система ЛТУ (ИИУС ЛТУ), назначение которой состоит в получении, хранении и обработке измерительной и управляющей информации с целью выработки входных сигналов на электродвигатели и лазер. Такая ИИУС ЛТУ содержит устройство управления, интерполятор, регуляторы положения, скорости, усилители мощности, датчики положения, скорости.

Особенности построения и работы ИИУС ЛТУ позволяют вскрыть следующие трудности их проектирования и использования:

- повышение эффективности раскроя материала предопределяет оптимизацию траекторий перемещения лазера, позволяющую существенно экономить обрабатываемый материал;

- контурный режим работы предопределяет управление параметрами по всей траектории движения исполнительного органа, т.е. повышает требования к динамической точности (а значит и к полосе пропускания);

- цифровое исполнение регуляторов и датчиков параметров может в некоторых случаях (при неправильном учете эффектов квантования по уровню и времени) приводить к неустойчивой работе всей системы;

- построение всей системы в виде «вложенных» друг в друга контуров приводит к некоторому запаздыванию управляющих сигналов.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности (точности, быстродействия и экономичности) лазерных технологических установок за счет совершенствования их информационно-измерительных и управляющих систем.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

- разработать методы и методику раскроя материала для резки, позволяющие минимизировать отходы материала при резке;

- разработать математические модели следящих электроприводов ИИУС ЛТУ, учитывающие их основные особенности;

- синтезировать корректирующие устройства, повышающие быстродействие и точность ЛТУ;

- провести экспериментальные исследования для подтверждения теоретических положений и результатов моделирования.

Методы исследования: численные методы интегрирования дифференциальных уравнений, метод преобразований Лапласа, методы оптимального управления и идентификации.

Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе:

- на основе анализа особенностей работы лазерных технологических установок разработаны технические требования, предъявляемые к ИИУС ЛТУ;

- на базе метода парных замещений разработан метод определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;

- предложена обобщенная математическая модель ИИУС ЛТУ, отражающая основные особенности контуров положения - нелинейности регуляторов параметров;

- синтезированы корректирующие устройства регуляторов параметров ИИУС ЛТУ, увеличивающие быстродействие и точность лазерных технологических установок в различных режимах работы.

Практическая значимость:

- разработаны корректирующие устройства регуляторов параметров ИИУС ЛТУ, обеспечивающие уменьшение погрешности и увеличение быстродействия ЛТУ;

- разработана методика упрощенной настройки регуляторов параметров ИИУС ЛТУ в зависимости от режимов работы - контурного или позиционного;

- разработана методика определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;

Апробация работы. Результаты работы были использованы для докладов на:

- на семинарах кафедры ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы» (ноябрь 2011г., март 2012 г.);

- в выступлениях на факультетских конференциях МГУПИ (март 2013 г.);

- на отраслевых совещаниях в ОАО «ЦНИТИ».

На защиту выносятся:

- методика определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;

- обобщенная функциональная схема ИИУС ЛТУ;

- обобщенная математическая модель ЭП ЛТУ;

- корректирующие устройства для ИИУС ЛТУ, повышающие быстродействие и точность ЛТУ;

- методика упрощенной настройки регуляторов параметров ИИУС ЛТУ в зависимости от режимов работы - контурного или позиционного.

Личный вклад автора

Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ в виде статей в журналах, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.

5

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы и 3-х приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель и основные направления научного исследования, отмечаются новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ областей использования лазерных технологий в современном производстве, которые рассмотрены не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения, позволяющие использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

Рис. 1 Обобщенная функциональная схема лазерных технологических установок

На основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок, как отечественных, так и зарубежных, были определены технические требования, предъявляемые к современным ЛТУ реза, которые можно сформулировать следующим образом:

- скорость реза, м/с.........................................до 0,5;

- скорость перемещения, м/с................................до 2;

- погрешность позиционирования, мм...............до 0,01;

- погрешность реза, мм....................................до ОД;

- размеры рабочей зоны, мм......................до 2000x6000;

- толщина листа, мм.........................................до 20;

- оптимизация раскроя материала;

- мощность лазера, кВт......................................до 4.

Также, на основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок была разработана обобщенная функциональная схема лазерных технологических установок, представленная на рис. 1.

Также в первой главе сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены методы построения комплексной модели раскроя и ее применение для повышения эффективности раскройно-заготовительного производства.

Проанализированы различные математические методы, позволяющие решить эту задачу: метод разрешающих множителей, симплекс-метод, сеточный метод, метод склейки, метод северо-восточного угла, метод юго-восточного угла, метод последовательного улучшения оценок, метод ветвей и границ, метод замещений. В качестве основного оптимизационного метода решения задач раскроя материала выбран метод парных замещений, как имеющий абсолютную сходимость за малое время. Формализована функциональная модель раскройного производства, основанная на анализе взаимодействия материального и информационного потоков.

Разработана вычислительная схема решения целочисленной задачи раскроя, которая сформирована следующим образом.

1. На основе ограничений формируются векторы топологии:

• вектор закрепленных степеней .У = (.?,,...,.?,,) для первой доли графа, которая моделирует допустимые длины раскроя;

• векторы допустимых степеней

для второй доли 1рафа, моделирующей доступные способы раскроя профиля на некоторые из нужных заготовок.

2. Формируется список ребер Е двудольного графа У2,Е), взвешенных по произведениям и упорядоченных по убыванию их весов.

Множеств ребер Е разделяется на два подмножества: первое подмножество Е°, содержащее ребра максимального веса и второе подмножество содер-

жащее ребра минимального веса.

3. Формируется дерево замещений (ДЗ) путем построения допустимых кортежей пар замещений с учетом векторов топологии. Конструирование подграфа в

каждом узле дерева выполняется путем замещения одного из ребер первого подмножества на одно из ребер второго подмножества, т.е. ребра ек е Е" являются кандидатами на удаление, а ребра ек е Е \ Е° - кандидаты на добавление в ДЗ. При этом ребро, замещенное в узле-предке, не может стать замещающим в узлах-потомках, а заместившее ребро в узле-предке не должно замещаться в узлах-потомках.

4. Среди допустимых кортежей пар замещений отыскивается эффективный кортеж, доставляющий оптимум искомому подграфу С(У1гУг,Е').

Рассмотрена технологическая схема раскроя исходного материала и ее особенности в условиях автоматизированного производства.

В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования исполнительных электроприводов ИИУС ЛТУ.

Показано, что функциональная схема такого ЭП может быть представлена как на рис.2

Рис.2. Функциональная схема ЭП ИИУС ЛТУ.

Приняты следующие обозначения: изп, изс, 11зм - соответственные сигналы задания положения, скорости и момента; Ццп, Ццс, Ццм - соответственно сигналы с датчиков положения, скорости и момента; М, П, а - соответственно момент, скорость и положение на валу ЭД; РП, РС, РМ - соответственно регуляторы положения, скорости и момента; ДП, ДС, ДМ - соответственно датчики положения, скорости и момента; УМ усилитель мощности; ИП- источник питания.

Для выработки технических требований, предъявляемых к ЭП ИИУС ЛТУ были применены упрощенные формулы с последующим уточнением полученных результатов.

Известно, что практически любые траектории реза можно создать, задавая в качестве входных сигналов либо линейно нарастающий [11зп(1)=Гх/], либо синусоидальный [изп0)= Сх 5ш(гур х/)] сигналы. Для транспортного перемещения необходимы сигналы типа №п(1) = Ах 10).

Также известно, что ошибку исполнительного привода <У, при подаче на его вход линейно нарастающего сигнала можно определить по формуле:

Ь=У!Кр, (1)

где Кр - добротность контура положения.

Ошибку исполнительного привода 32 при подаче на его вход синусоидального сигнала можно определить по формуле:

(2)

глеК(сор)- коэффициент передачи контура положения на рабочей частоте.

Ошибку исполнительного привода при подаче на его вход ступенчатого сигнала можно свести к нулю, в случае обеспечения в в нем астатизма.

Каждый из контуров ЭП настраивают на один из двух видов стандартной настройки - на технический (оптимум по модулю) или симметричный оптимум.

Для этих типов настроек были определены добротности Кр, которые равны соответственно:

= ^7' (3)

Исходя из требований к ошибкам, изложенным в главе 1, с учетом формулы (1) можно получить:

= = 5000 [1/с]. (4)

' 5Х 0,0001 к '

Откуда, в нашем случае Т^ =0,0001с, =0,005 с.

Также было определено, что полоса пропускания электропривода (Рэп) определяется по формуле:

^---• (5)

В нашем случае Рэп1 = 800 Гц; Г3„2 = 16 Гц.

ГОСТ 27803-91 определяет требования к ЭП для гибкого автоматизированного производства - в частности Рэп = 20 Гц.

Полученный результат очень важен, так как позволяет однозначно определить настройку контура положения ЭП - на симметричный оптимум (обеспечение Рэ„ = 800 Гц в настоящее время невозможно).

Диапазон регулирования по положению ЭП Д„ определяется по формуле:

Дп= V' (6)

«V

где Ьтах - максимальное перемещение, в нашем случае Д„ = 600000. Известно, что для того, чтобы можно было пренебречь эффектами квантования по уровню, необходимо соблюсти условие:

2"-'>Д. (7)

В нашем случае 20.

Это означает, что разрядность датчика положения должна быть не менее 20, такова же должна быть и длина машинного слова.

Также во второй главе была предложена математическая модель ЭП ИИУС ЛТУ в виде структурной схемы, представленная на рис.3.

Рис.3. Структурная схема ЭП ИИУС ЛТУ

где: Ррт Ррс — нелинейности, отображающие особенности регуляторов положения и скорости;

Яр„(р), №рс(р) — передаточные функции регуляторов положения и скорости;

Кт Т„ - коэффициент передачи и постоянная времени контура момента; ./ - момент инерции электродвигателя; £/,„, [/р, - соответственно сигналы задания и с датчика положения, Ме - внешний момент.

Преимуществом математической модели ЭП ИИУС ЛТУ в виде структурной схемы является ее большая наглядность по сравнению с системой нелинейных дифференциальных уравнений. Такая схема отражает основные особенности электропривода - построение в виде 2-х «вложенных друг в друга» контуров (положения и скорости), учет нелинейностей, связанных с эффектом квантования по уровню сигналов с датчиков скорости и положения, нелинейности регуляторов положения и скорости, связанные с необходимостью учета ограничения сигналов управления по положению и скорости. Очень часто (при пренебрежении эффек-

тами квантования по уровню и времени вместо нелинейностей можно

использовать коэффициент передачи Кц„, Кдс).

Следует отметить, что нелинейность ^ представляет собой типовую нелинейность типа «насыщение». В случае настройки контура положения на технический оптимум (при работе в позиционном режиме), имеем:

клр) = :

к,

(8)

Однако, как показывает опыт, при больших заданиях перемещения такой ЭП становится неустойчивым, поэтому нелинейность Гр„ выбирается из условия получения определенных переходных процессов и представлена на рис.4.

Fpn Л 0,02-Л -8

--- ' / j

♦В 61 62 - 0.02-л 6-И:.п-ИдГ1 -А

Рис.4. Нелинейность

В случае настройки контура положения на симметричный оптимум (при работе в контурном режиме), имеем:

1 + 4г2р

(9)

&тгКсКдлр

Анализ контуров положения ИИУС ЛТУ проводился методом математического моделирования с помощью стандартного пакета программ «SLAM» на примере лазерной технологической установки ЛТУ-1.

FP,

ЛртХ(И-ГртХр)

У

KoHrvp 1

скорости р

Km

Рис.5. Схема контура положения с регулятором с переменной структурой.

На основании полученных результатов была разработана схема ЭП ИИУС ЛТУ с переменной структурой, обладающая хорошими техническими показателями, удовлетворяющими предъявляемым требованиям, которая представлена на рис.5.

Некоторые переходные процессы, протекающие в таком контуре, представлены на рис.6 - рис.8.

«а» -ошибка, «б» - скорость.

и.«720000 П-Шп Г(-С|«ис» Ш-1м( ми.тмооо ; П-Ш« Гк-Снпш

м.яаям у....;........;.....!......;.......;.......;.......|.........I.......1......1 ня.гаооо .......;........;...... .......;.......:.......

МГЗМ0000 ..... .....................!.............................!.......! ЗШ-000000

1.(37010000 .....V......,.......;.............;......;.......;................1.......; 17«. 130000

1.МШ9ШП ..................................|.......|................1.....! ия.гнооо ...........1. . I..... .......! \ ....... ........ ..

э.тмшхя ................;.......;........I ......;........<........;........I........\ 1т,вшае

ишкм .............................{........|.........|......... .......!........! 13Я.Ш)

.......!.........1...............|.........\...................I.........| ия.иоооо .......I........¡...¡У!.;.........1........1.........•........:........|......■

1.ПМ1Ш ................1.......;........................:........; тм.тякво ■ . ,..... .....; ...... >........» - ......1......1

мкпоооо --------1........1.......;................! ,.-.1 мгтоот .. , .... .............1 .. :......!............:

. ] Н 1 1 ! М ! { , 1 ! М 1 ! ! М (

Рис. 7. Переходные процессы в контуре положения при линейно нарастающих сигналах при У2

= 2000 дискрет/с «а» - ошибка, «б» - положение.

ю.шооооо Й. «770000 а.нзмооо и.янаооо 19.79340000 •0. «1757000 (.......;\......\.........г '/"].........]........ ......'¡\........I Я.КШОООО 75.55ЯФ00 Я.ДООООО С.М1И000 23.(3910000 .....Т........Д.......].........|........\ т"Д" " 1........1.........| "Т I ■■-р........¡т-"!........!........\[......... 1.........1........ / : 1 \ 1 \ I : \! 1 У

•и.ШИООО •10,«7720000 —1—г^Г!—Г/1—1—т—|—т—р

•0.11700000 ....¡..Д.|.........\1-\.........|..............;..../...;..._ •а.гтив ....;.........\.......I......../....<.........;........1.......и.........;

-б.миооао ......\[........у.....;.........!........К......:../....;.... ...!........! ••••:......1........К.....|/ч................••]•/• |........!

ЧЗ.НЗЯГО) -1.........1 .........\................\........:........|..Д...М......|.........1

-К. 91940000 .....1 . ..' ; М I \У 1 1

в ! 8 * 3 1 г ? 8 еоооез;" $ г 9 г М ! М ! ! 1 1

¿¿овоово 0 О 6 ¿666666666

а) б)

Рис. 8. Переходные процессы в контуре положения при гармонических сигналах при С] = 100

дискрет и о»р2 = 100 ^

где «а» - ошибка, «б» - положение. Также в работе была разработана математическая модель системы 2-х взаимосвязанных электроприводов ИИУС ЛТУ, представленная на рис.9.

12

Эта структурная схема позволяет определить динамическую ошибку системы электроприводов при движении в соответствии с типовыми задающими сигналами - линейно нарастающими и гармоническими, что очень удобно при сравнении различных систем электропривода, либо при различных типах регуляторов привода.

1 - 1, , ,. ■

^—1 4 11 у -1 ,1« 1

"1 1 "1 1 --н,= 1-1 1 1

Рис.9. Структурная схема системы ЭП ИИУС ЛТУ.

Анализ такой структурной схемы, проводимый методом математического моделирования с помощью стандартного пакета программ «БГАМ» показал, что важнейшим условием минимизации ошибки системы является одинаковость добротностей контуров положения ЭП ИИУС ЛТУ.

Типовые переходные процессы в системе представлены на рис. 10 и рис. 11.

' Г5-Ц8«т г6-С«орсст» ИС-8Ш<09 ' Г5-Ц4»т Гб-Сиороств £$С-В«х

37.196(0000 33.06360000 28.93060000 24.71770000 20.6(480000 16,53180000 12.39880000 1.265900000 4.132940000 0.0 106.4740000 94.64360000

70.98260000 59.13220000

23.66080000

0.0

о 0 Э о 3 0 0 а ? § N П 0 0 О * 3 0 3 О 0 + 0 < о б 0 1 о О 0 0 0 о о ♦ 0 0 0 ООО V N ® ООО ) о

Рис. 10. Переходные процессы в системе при Рис. 11. Переходные процессы в системе при. линейно нарастающих сигналах при при V) - гармонических сигналах при С1 = 100 дискрет;

100 дискрет сор! =20^

с

В четвертой главе приведен пример практического раскроя материала для лазерной технологической установки ЛТУ-1. Показано, что деятельность производственного предприятия в целом может бьггь отражена в виде некоего множества потоков, связывающих участки и оборудование этих участков. Для комплексной модели раскроя целесообразно выделить информационные и матери-

13

МЗ - метод име-.испн б

МВГ - ««гол ветоей ы гр«шш

альные потоки. Именно они оказывают существенное влияние на эффективность раскройно-заготовительного производства.

Разработана временная диаграмма работы ЛТУ-1 по раскрою исходного материала, на которой представлены затраты времени на различные этапы:

• замер размера исходного материала;

• генерирование раскроя на вычислительной машине;

• подача исходного материала в зону резания;

• настройка подвижного упора;

• настройка сортировочного устройства;

• раскрой исходного материала.

ис. 12. Временная диаграмма работы ЛТУ-1

Рис. 13. Внешний вид ЛТУ-1

* щШ§ш

СКОР- §!

-овнчеше:

. 1.238 <13-21 в 2.113

♦ г

вг

в

3

- 5в0. 000 10.800 Зв.ввв

СТОП ПРОК СЛЕД шв втяг остн

Рис. 14. Картина на мониторе устройства управления ЛТУ-1

Внешний вид технологической установки ЛТУ-1 представлен на рис.13. На экране монитора устройства управления отображаются : - координаты исполнительного органа (лазера) в дискретах ;- скорости перемещения исполнительного органа по координатам в дискретах/с: - условия перехода с кадра на кадр

- достижение какого-либо технологического параметра, либо выдержка наперед заданного значения времени как на рис. 14.

Осциллограммы переходных процессов одного из контуров положения ИИУС ЛТУ-1 представлены на рис. 15.

Тп«--,1.5Ьс Тпг.. г.гч е Та»' 3.19 с

Рис.15. Осциллограммы переходных процессов контура положения ИИУС ЛТУ-1.

На рис.16 и 17 представлены траектории движения исполнительного органа установки в плоскости х, у соответственно без корректирующего устройства и с корректирующим устройством, реализованным программным путем в устройстве программного управления типа МПСУ. Траектории приведены при движении лазера со скоростями: 16,33; 67; 144 (мм/с). Из рисунков видно, что введение коррекции позволяет уменьшить ошибку примерно на 20%.

Рис. 16. Траектории движения лазера в ЛТУ-1 без коррекции

Рис.17. Траектории движения лазера в ЛТУ-1 с коррекцией

Также в четвертой главе приведена предлагаемая структура локальной сети ИИУС цеха, определяющая весь цикл изготовления деталей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования и проведенная практическая работа позволили получить следующие выводы:

1. Показано, что основными задачами при проектировании ИИУС ЛТУ являются разработка оптимальных по минимизации отходов алгоритмов раскроя материалов и синтез контуров положения, обладающих минимальными погрешностями и максимальным быстродействием.

2. Проведен анализ методов решения задачи раскроя материала в процессе лазерной резки. Установлено, что для решения задачи раскроя исходных материалов необходимо решение задачи линейного целочисленного программирования.

3. Выбран и обоснован метод решения задачи оптимизации раскроя материала, позволяющий повысить эффективность раскройно-заготовительного производства на основе сформулированного принципа парных реберных замещений для двудольных графов, принципа парных замещений сформирована вычислительная схема решения целочисленной задачи раскроя.

4. Показано, что реальные условия производственного характера можно формализовать векторами топологии: вектором закрепленных степеней и вектором подвижных степеней и использовать их в качестве ограничений для первой доли двудольного графа, моделирующей допустимые длины раскроя, векторы допустимых степеней - для второй доли двудольного графа, моделирующей доступные способы раскроя исходного материала.

5. Определено, что контур положения ИИУС ЛТУ должен содержать регулятор положения переменной структуры:

пропорционального типа с нелинейной характеристикой, при позиционном управлении и пропорционально-интегрального типа при контурном управлении

6. Суммарная ошибка ИИУС имеет минимальное значение при равенстве добротностей контуров положения, входящих в ее состав.

7. Разработана методика внедрения оптимального раскроя на реальном производстве без существенных изменений в технологии и оснащении производства.

8. Показано, что внедрение подсистемы оптимизации раскроя на производстве позволило не только значительно сократить отход материала, но и сократить время получения технической и технологической документации, снизить вероятность ошибок ввода данных за счет использования единой базы данных.

9. Достигнуто повышение эффективности раскройно-заготовительного производства достигнуто за счет уменьшения отходов исходных материалов (на 1012%).

10. Разработаны регуляторы положения переменной структуры, применяемые в ЛТУ-1, позволяющие обеспечить характеристики, требуемые для технологических машин данного назначения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. В.В.Слепцов, А.М.Васильев, М.А.Костромнн, А.П.Резько. Анализ технических характеристик и синтез контуров положения информационно-измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок. Ж.»Научно-технический вестник Поволжья», №1,2013, с.265-268.

2. Слепцов В.В., Костромин М.А. Технические требования, предъявляемые к информационно-измерительным и управляющим системам лазерных технологических установок. ПРИБОРЫ, 2013, № 3, с. 20-26.

3. Васильев A.M., Костромин М.А., Резько А.П. Разработка обобщенной функциональной схемы информационно-измерительной и управляющей системы робокара. Научно-технический вестник Поволжья, 2013, № 2, с . 101-104.

Публикации в других изданиях

4. Костромин М.А. Анализ проектирования многономенклатурной роботизированной сборочной системы. Ж. «Вестник молодых ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики», №12, М.; 2013,с.23 - 29.

5. Костромин М.А. Методы компенсации неточностей взаимной ориентации деталей при их сборке промышленными роботами. Ж. « Вестник молодых ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики», № 12, М.; 2013, с.29 -34.

6. Костромин М.А. Применение управляемой подсветки для упрощения алгоритма распознавания промышленных деталей. Ж. « Вестник молодых ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики», № 12, М.; 2013, с.34-41.

7. Костромин М.А. Структурная организация систем группового управления робототехническими комплексами. Ж. « Вестник молодых ученых Московского государственного университета приборостроения и информатики», № 12, М.; 2013, с.41-46.

8. Долматова О.В., Костромин М.А., Резько А.П. Синтез контуров положения информационно-измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок. Сборник трудов студенческой научной конференции факультета «Технологическая информатика», МГУПИ, 2012, с. 143-146.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано в печать 24.04.2013 г. Формат 60x90 1/16. Объем 1, 0 п.л. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ 169. Тираж 150 экз.

Отпечатано ООО «Логопринт» 107076, г. Москва, ул. Стромынка, д. 18.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО -ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ РЕЗКЕ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.16. - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Па правах рукописи

Костромин Михаил Анатольевич

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Слепцов В.В.

Москва, 2013 г.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ областей применения лазерных технологических установок.. ..9

1.2. Разработка технических требований, предъявляемых к лазерным технологическим установкам для резки материалов..............................21

1.3. Разработка обобщенной структурной схемы информационно-измерительной и управляющей системылазерной технологической установки для резки материалов...................;..................................30

1.4. Постановка цели и задач исследования........................................31

Выводы....................................................................................32

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИЯ РАСКРОЯ

МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

2.1. Анализ математических методов решения задачи раскроя материала в процессе лазерной резки.............................................33

2.2.Выборметода решения задачи оптимизации.................................39

2.3. Применение метода замещений..................................................41

2.4. Разработка алгоритма решения оптимизационной задачи с помощью

методазамещений........................................................................50

Выводы....................................................................................54

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ПРИВОДОВ ЛАЗЕРНЫХТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

3.1. Разработка технических требований, предъявляемых к исполнительным приводам лазерных технологических установок..................................55

3.2. Разработка математических моделей исполнительных приводов лазерных технологических установок................................................66

3.3. Анализ и синтез контуров положения информационно-измерительных и

управляющих системлазерных технологических установок..................70

Выводы....................................................................................81

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРИ РЕЗКЕ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Пример практического раскроя материала для лазерной технологической

установки ЛТУ-1.........................................................................82

4.2. Исследование динамических характеристик информационно-измерительной и управляющей системы ЛТУ-1...................................92

4.3. Разработка информационно-измерительной и управляющей системылазерной резки в производственном процессе ...97

Выводы...................................................................................103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................106

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................118

Акт использования результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки.

Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца[1].

Мировой рынок лазерного оборудования для обработки материалов оценивается в 7,9 миллиардов евро, однако российский рынок составляет не более 1% от мирового, хотя в последние годы он растет. Следует отметить, что в РФ применяют, в основном, зарубежные установки фирм «Trumpf», «Mazak», «Primaindustrie», хотя появляются и отечественные разработки -это продукция ЗАО «Лазерные комплексы», ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» и др. Поэтому проблема создания высококачественных отечественных лазерных технологических установок (ЛТУ), позволяющих повысить эффективность производственных процессов является чрезвычайно актуальной и экономически выгодной.

В настоящее время основной тенденцией развития лазерных установок является их автоматизация,причемв той или иной форме автоматизация применяется на большей части лазерных установок[2].

Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.

Большинство выпускаемых теперь лазерных установок выполнено с «летающей» оптикой или подвижным лазерным лучом. Разрезаемый материал остается при этом неподвижным, а лазерный луч перемещается по нему, осуществляя программируемые резы.

Сам лазер располагают непосредственно на раме установки либо рядом с ней (в этом случае система подачи луча направляет его по осям X и Y). Установки с «летающей» оптикой предназначены для обработки заготовок размерами от 0,8x0,6 до 3x8 (м).

Следует отметить, что важнейшим элементомлазерной технологической установки является ее информационно-измерительная и управляющая система ЛТУ (ИИУС ЛТУ), назначение которой состоит в получении, хранении и обработке измерительной и управляющей информации с целью выработки входных сигналов на электродвигатели и лазер. Такая ИИУС ЛТУ содержит устройство управления, интерполятор, регуляторы положения, скорости, усилители мощности, датчики положения, скорости.

Следует отметить, что несмотря на широкое применение лазерных технологических установок в промышленности практически отсутствуют труды по методикам их проектирования. Счастливым исключением являются работы Белянина П.Н.. Григорьянца А.Г., Miyamotol., Данилова A.A., Крайнева А.Ф.. Афонина В.Л., но и в них рассмотрены, в основном, либо вопросы проектирования механической части установок, либо особенности применения лазеров.Вопросам же проектирования ИИУС ЛТУ и их элементам внимания практически не уделяется.

Вместе с тем, особенности построения и работы ИИУС ЛТУ позволяют вскрыть следующие трудности их проектирования и использования:

- повышение эффективности раскроя материала предопределяет оптимизацию траекторий перемещения лазера, позволяющих существенно экономить обрабатываемый материал;

- контурный режим работы предопределяет управление параметрами по всей траектории движения исполнительного органа, т.е. повышает требования к динамической точности (а значит и к полосе пропускания);

- цифровое исполнение регуляторов и датчиков параметров может в некоторых случаях (при неправильном учете эффектов квантования по уровню и времени) приводить к неустойчивой работе всей системы;

- построение всей системы в виде «вложенных» друг в друга контуров приводит к некоторому запаздыванию управляющих сигналов.

Анализ и учет всех этих факторов предопределил содержание работы.

В первой главепроведен анализ областей использования лазерных технологий в современном производстве,которые следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения, которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

На основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок, как отечественных, так и зарубежных, были определены технические требования, предъявляемые к современным ЛТУ реза.

Также, на основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок была разработана обобщенная функциональная схема лазерных технологических установок.

Во второй главе рассмотрены методы построения комплексной модели раскроя и ее применение для повышения эффективности раскройно-заготовительного производства.Проанализированы различные

математические методы, позволяющие решить эту задачу - метод разрешающих множителей, симплекс-метод, сеточный метод, метод склейки, метод северо-восточного угла, метод юго-восточного угла, метод последовательного улучшения оценок, метод ветвей и границ, метод замещений.В качестве основного оптимизационного метода решения задач раскроя материала выбран метод парных замещений, как имеющий абсолютную сходимость за малое время.Формализована функциональная модель раскройного производства, основанная на анализе взаимодействия материального и информационного потоков.

Также разработана вычислительная схема решения целочисленной задачи раскроя.

В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования исполнительных электроприводов ИИУС ЛТУ. Также разработаны технические требования, предъявляемые к ним и математические модели унифицированных электроприводов. На основании полученных результатов была разработана схема ЭП ИИУС ЛТУ с переменной структурой, обладающая хорошими техническими показателями, удовлетворяющими предъявляемым требованиям.Также в работе была разработана математическая модель системы 2-х взаимосвязанных электроприводов ИИУС ЛТУ. Математическое моделирование разработанных систем позволило определить пути совершенствования ЭП ИИУС ЛТУ.

В четвертой главеприведен пример практического раскроя материала для лазерной технологической установки ЛТУ-1. Показано, что деятельность производственного предприятия в целом может быть отражена в виде некоего множества потоков, связывающих участки и оборудование этихучастков. Для комплексной модели раскроя целесообразно выделить информационные и материальные потоки. Именно они оказывают существенное влияние на эффективность раскройно-заготовительного производства.Разработана временная диаграмма работы ЛТУ-1 по раскрою исходного материала, на которой представлены затраты времени на различные этапы.

Представлены осциллограммы переходных процессов контуров положения ИИУС ЛТУ-1 и траектории движения исполнительного органа установки в плоскости х, у соответственно без корректирующего устройства и с корректирующим устройством, реализованным программным путем.В заключении изложены основные научные и практические результаты работы.

В приложениях приведены принципиальные электрические схемы корректирующих устройств и акт внедрения основных результатов работы.

ГЛАВА 1.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Анализ областей применения лазерных технологических установок

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток[1].

С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии [2].

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов [3].

Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания [4].

Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако, для того чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т.д.

В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер является не менее важным, чем параметры самого лазера.

Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм, или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с) [5].

Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования.

Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим

технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т.п.).

Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера - энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала(отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.).

Рассмотрим основные типы лазеров и характеристики их излучения. В качестве активных сред лазеров используются твердые тела, жидкости и газы. В лазерах на твердых телах активными средами являются кристаллические или аморфные вещества с примесями некоторых элементов.

Известно большое количество твердых веществ, пригодных для использования в лазерах, однако в практике обработки материалов широко используются только некоторые: А1203 с примесью окиси хрома (рубин); стекло, иттрийалюминиевый гранат УЗА15012 и вольфрамат кальция Са\¥04, активированные неодимом [5].

Указанные активные среды позволяют, по сравнению с другими материалами, создавать лазеры с большой выходной энергией и высоким к.п.д.

По принципу действия к твердотельным лазерам близки жидкостные лазеры, у которых в качестве активной среды используются жидкие диэлектрики с растворенными примесями.

Энергия импульса излучения твердотельных и жидкостных лазеров (в режиме свободной генерации) изменяется от десятых долей Джоуля до 103 Дж и выше, а в режиме модулированной добротности до нескольких десятков и сотен Джоулей.

Мощность излучения импульсных лазеров в зависимости от режима работы может изменяться от сотен киловатт (свободная генерация) до Гиговатт (модулированная добротность). При пичковом режиме работы (неупорядоченная генерация) различие между среднеинтегральной за импульс мощностью и мощностью отдельного пичка может достигать двух порядков [6].

Указанная разница несколько мень�