автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов лазерной обработки изделий из хрупких неметаллических материалов

На правах рукописи

Чирков Андрей Викторович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ВЫБОРОМ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

ГУ ----,

I. УСЭ 1и1£

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2011 г.

005009253

Работа выполнена в ФБГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, профессор Шемелин Владимир Константинович

доктор технических наук Сысоев Валентин Константинович

доктор технических наук Глумов Виктор Михайлович

кандидат технических наук Дильман Аркадий Михайлович

ОАО Национальный институт авиационных технологий (НИАТ), г. Москва

Защита состоится «_£%> /) Л? 2012 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан « 23 у>

2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц.

Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях развития авиакосмической промышленности, приборостроения, микро- и оптоэлектроники, проблема повышения качества и миниатюризации изделий является одной из самых актуальных. Все в большем масштабе применяются элементы, содержащие хрупкие неметаллические материалы: оптические приборы, дисплеи, микроэлектронные сборки на основе сапфира, термооптические покрытия и многое другое.

Постоянное повышение требований к качеству таких прецизионных изделий вызывает необходимость применения и совершенствования новых лазерных методов высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов, а именно лазерного управляемого термораскалывания.

Лазерное управляемое термораскалывание - это один из наиболее эффективных методов высокоточного безотходного разделения хрупких неметаллических материалов, отличительной особенностью которого заключается в том, что разделение материала происходит не за счет механического воздействия или испарения материала вдоль линии реза, а за счет образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.

Сложность процесса лазерного управляемого термораскалывания требует разработки математических моделей данного процесса, алгоритмов управления оборудованием, а также автоматизации выбора рациональных режимов обработки хрупких неметаллических материалов.

Определено, что наиболее прогрессивной архитектурой системы управления лазерного управляемого термораскалывания является построение такой системы на базе одного вычислительного устройства (сервоконтроллера), управляющего технологическими параметрами

лазерного управляемого термораскалывания, которые определяются разработанной автоматизированной системой, построенной на базе экспериментально полученных данных, которые соответствуют математической модели технологического процесса.

В этой связи тема диссертационной работы, направленная на повышение качества изделий из хрупких неметаллических материалов путем применения программных и аппаратных средств автоматизации процесса прецизионной обработки методом лазерного управляемого термораскалывания, является актуальной задачей.

Цель работы: автоматизация выбора рациональных технологических процессов и разработка программных и аппаратных средств для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания различных хрупких неметаллических материалов.

Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ развития технологии лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов, в первую очередь стекла, выявить основные недостатки существующих методов и наметить пути их совершенствования.

2. Провести исследования и разработать математическую модель по автоматизации выбора рациональных режимов обработки и процесса лазерного управляемого термораскалывания, включая математическую модель процесса зарождения первоначального микродефекта импульсным лазером.

3. Разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для рационального выбора технологических параметров обработки материалов и управления оборудованием для лазерного управляемого термораскалывания.

4. Разработать требования к конструкции установки и архитектуру системы управления для обработки изделий из стекла методом лазерного управляемого термораскапывания.

5. Создать управляющие программы для лазерной технологической установки для разделения определенного класса тонких стеклянных изделий.

6. Разработать специализированное технологическое оборудование для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении функциональных связей между процессом термоупругого разрушения хрупких неметаллических материалов и лазерным термовоздействием, показана определяющая роль первоначального микродефекта для создания управляемой микротрещины;

- разработке архитектуры и моделей автоматизированной подсистемы выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания исходя из выявленных функциональных связей характеристик материалов и технологических параметров лазерной обработки;

- разработке методики построения специализированного технологического оборудования и архитектуры системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания широкого класса многофункциональных материалов;

- разработке алгоритмов управления технологическим оборудованием для разделения стеклянных изделий методом лазерного управляемого термораскалывания;

- установлении, что наиболее эффективным средством для создания первоначального микродефекта является фемтосекундный импульсный

5

лазер, а для локального охлаждения зоны термораскалывания -

управляемая дюза.

Методы исследования. Методы исследования в работе базировались на основных теоремах теории теплопроводности, классической теории упругости и теории разрушения, теории автоматического управления.

Теоретические исследования базировались на математических моделях процесса лазерного управляемого термораскалывания. Были использованы методы разработки автоматизированных систем управления с применением аппарата сетей Петри, методы по разработке программного обеспечения. Использовался широкий класс экспериментальных методик и современное измерительное оборудование.

Практические исследования велись на экспериментальной установке, созданной на базе СО, СОг, 5г, N(1 лазеров с мощностью 10-100 Вт. Оценка величины отклонения трещины от заданной траектории, а также контроль за наличием дефектов в обрабатываемом стекле осуществлялись с помощью ТУ-микроскопов.

Практическая ценность работы. Разработан программно-аппаратный комплекс управления технологическим оборудованием, включая управляющие программы, для разделения хрупких неметаллических изделий методом лазерного управляемого термораскалывания.

Практическая ценность данной работы подтверждена актами о целесообразности внедрения результатов работы на ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина", где результаты использовались для совершенствования и автоматизации установки УЛТ-04 для Лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов для элементов летательных аппаратов.

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные Системы управления» МГТУ «Станкин», на Первой Всероссийской конференции «Функциональные наноматериалы для космической техники»

(2009 г.) и XIX Международная научно-техническая конференция "Информационные средства и технологии" (2011 г.).

Основные результаты работы были получены в ходе выполнения Государственного контракта П388 от 27мая 2010 года Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» проекта «Разработка высокоэффективных лазерных технологий изготовления изделий космической техники» и изложены в соответствующих отчетах.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены и использованы на установке «УЛТ-04», применяемой в опытном производстве ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», а модели автоматизации используются в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Публикации. По теме диссертационной работы было опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований, изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 54 рисунка, 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы по развитию средств автоматизации высокоэффективных технологических процессов лазерной обработки хрупких неметаллических материалов и созданию специализированных программных и аппаратных средств для повышения эффективности метода лазерного управляемого термораскалывания. Обоснован выбор метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода прецизионного разделения широкого класса многофункциональных хрупких неметаллических материалов.

Сформулированы цели и задачи исследования, указаны пути их достижения, раскрыто основное содержание научной новизны и

7

практической ценности выполняемой работы, а также перечислены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ традиционных технологий и оборудования для резки хрупких неметаллических материалов, используемых в авиакосмической, электронной и приборостроительной промышленности: механической резки, механического и лазерного скрайбирования, на основании которого выявлены следующие недостатки данных технологий:

- разрушительное воздействие процесса разделения на функциональные и эксплуатационные параметры получаемых приборов;

- низкое качество резки за счет наличия нарушенного слоя вдоль линии надреза и разлома, что приводит к значительным (до 30%) потерям материала;

- наличие двух стадий разделения - надреза и последующего механического разламывания, связанная с этим высокая себестоимость получаемых изделий, а так же дополнительный брак на операции разламывания;

- мощное энергетическое воздействие импульсного лазерного излучения при скрайбировании зачастую приводит к разрушению структур кристаллов;

- невозможность проведения операций резки в помещениях высокой вакуумной гигиены за счет образования стеклянных частиц при механической резке.

В результате анализа выявленных недостатков сформулирован новый подход для решения поставленной цели, разработана методология проведения экспериментальных и теоретических исследований, позволяющий снизить себестоимость обработки и значительно повысить ее качество. Предложенные в диссертации исследования и решения касаются разработки программных и аппаратных средств для автоматизации и повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания

8

различных хрупких неметаллических материалов, включая подсистему автоматизированного выбора рациональных технологических параметров лазерной обработки.

Для снижения затрат при обработке хрупких неметаллических изделий, роста производительности труда, экономии дефицитных инструментальных материалов, повышения точности и качества поверхностей изделий необходимы автоматизированный обоснованный выбор и назначение оптимальных режимов разделения для конкретного технологического процесса.

Определение и назначение рациональных режимов обработки осуществляются посредством анализа и обработки результатов огромного количества проведенных предварительных технологических испытаний, которые требуют значительных временных и материальных затрат.

Под руководством Сысоева В.К. были проведены экспериментальные исследования процесса разделения стекла и других хрупких неметаллических материалов. На основании проведенных экспериментов были установлены рациональные режимы обработки методом лазерного управляемого термораскалывания с применением всех основных типов лазеров.

Вторая глава данной диссертационной работы посвящена исследованию и разработке математической модели выбора рациональных режимов и процесса лазерного управляемого термораскалывания.

Исследована схема построения математической модели процесса лазерного термораскалывания и установлено, что первичным параметром, определяющим общую математическую модель лазерного управляемого термораскалывания, является микродефект.

Разработана математическая модель механизма создания первоначального микродефекта импульсным лазером. Для этого был исследован характер напряжений на стадии локального лазерного нагрева, предшествующей стадии раскрытия трещины. Далее проведен расчёт температурных полей и их анализ для различных режимов

9

термораскалывания. Переходя от тепловых полей к термоупругим напряжениям, определены значения растягивающих напряжений, возникающих под действием лазерного излучения и воздействия хладагента.

Процесс зарождения и развития разделяющей трещины при управляемом термораскалывании стекол рассматривается в рамках теории термоупругости и теории разрушения хрупких тел с дефектами Гриффитса.

На этом этапе анализ условий возникновения повреждения может быть выполнен в рамках системы уравнений квазистационарной теории термоупругости. Эта система уравнений для сферически-симметричной задачи имеет вид:

рса + 0 аш = jL±(r2 ÎÎM) + в. ± r_L± (r2Ur)i =

н v dt r2dr\ dr J dr Lr2 dr4 rJi 1-r dt

где 0 = T - То - превышение температуры в месте разрушения Т над начальной температурой Т0; х> Р и с ~ соответственно коэффициент теплопроводности, плотность и теплоемкость твердого тела при постоянной деформации; В - плотность мощности тепловых источников; иг -радиальная компонента вектора перемещений; а - коэффициент линейного расширения; v

- коэффициент Пуассона; f = [(~г) (1 + — v)] a2cLz - коэффициент

связанности; cv - теплоемкость при постоянном объеме; cL - продольная скорость звука.

Поля деформаций ег и е,Р при известном аг рассчитываются согласно определениям:

_dur _ иг

£г ЕЧ>~ ~<

а поля напряжения аг и сг^, - из соотношений Дюамеля-Неймана

Er-aT = i(ffr - 2va(p)-l е^ - аТ = i (о<р - v(ar - a^fj.

Для исследования условий возникновения трещины данные уравнения необходимо дополнить критерием механического разрушения. В общем случае этот критерий имеет вид:

/Cffl.ff2.ff3 ) = С(Г'Э>

где а1, а2 и а3 - главные напряжения; с1г,М - скорость деформации. Вид критерия разрушения существенно зависит от температуры в области разрушения Т, а также от скорости деформации.

Для расчета распределения температурных полей в материале при его поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы и с различным распределением энергии в пучке было использовано следующее выражение:

где р, с, X - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент

температуропроводность материала; Л - коэффициент теплоотдачи с поверхности; А и В - большая и малая полуоси эллиптического пучка; Р =длАВ - мощность лазерного излучения.

Задача нагрева и последующего охлаждения пластины из стекла решалась численно, методом конечных разностей, а нелинейность охлаждения поверхности на фронте кипения воды учитывалась подстройкой температуры с предыдущего шага расчета. В расчете распределения температуры при поверхностном нагреве лазерным пучком эллиптической формы тонкой стеклянной пластины применен метод разделения переменных. Таким образом, задача теплопроводности сведена к одномерной в направлении толщины пластины и двумерной в плоскости пластины.

Одномерная задача для поглощения излучения по закону Буггера решается аналитически и выражается рядом Фурье по со$(пгп/й), где г — текущая координата, Л - толщина пластины, п — натуральное целое число. Для каждого значения п определена двумерная задача, которая решается численно, методом конечных разностей.

Коэффициент теплоотдачи определяется экспериментально, в расчетах он аппроксимирован зависимостью:

Р П едтр{-[з:-у(г-т)]2/(4ас+л2)-у2/(4ас+в2)}

п з/2рс •)(> [((4аС+А2)(4а{+В2)аО]1/2

теплопроводности материала соответственно; а = Я/ср

В распределении температуры образуется резкий спад в месте фронта кипения хладагента.

При рассмотрении задачи термоупругости тонкой пластины, нагреваемой лазерным излучением и охлаждаемой вслед за пучком хладагентом, можно считать распределение температуры по толщине пластины однородным. В этом случае реализуется плоское напряженное состояние.

Приведенная математическая модель объясняет механизм процесса лазерного управляемого термораскалывания, показывает взаимосвязь различных параметров процесса лазерного управляемого термораскалывания и согласуются с экспериментальными результатами.

Определение рациональных режимов обработки различных хрупких неметаллических материалов методом лазерного управляемого термораскалывания стало возможным благодаря экспериментальным исследованиям, в ходе которых регистрировались зависимости между технологическими параметрами обработки материалов и физическими свойствами этих материалов.

Но экспериментальные исследования требуют больших затрат ресурсов и многочисленных повторений и итераций экспериментальных процедур. При этом результаты эксперимента требуют анализа и сравнения с предыдущими экспериментами, что также уменьшает эффективность процесса выбора режимов обработки материалов.

Для повышения эффективности процесса управления выбором рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания в работе предлагается метод автоматизации процесса выбора рациональных режимов на основе методов принятия решений.

Для доказательства преимуществ процесса автоматизации выбора режимов обработки предлагаются модели принятия решений и процедура

сравнения при использовании традиционных методов экспериментов (рис. 1а) и методов с использованием средств автоматизации процесса выбора режимов обработки (рис. 16), как альтернативы произвольному числу экспериментов.

а б

Рис. 1. Блок-схема реализации традиционного способа принятия

решений при контроле параметров процесса (а); блок-схема реализации

процесса принятия решений, при использовании автоматизированной

подсистемы управления выбором рациональных режимов лазерного

управляемого термораскалывания (б)

Данную модель принятия решений можно отобразить в виде

следующего выражения:

Р: 01-»11^ = 1,2,... т.

Анализ данного выражения показывает, что применение автоматизированной подсистемы управления выбором: рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания практически исключает итерационный процесс, упрощает процедуру принятия решений, делая ее более эффективной.

Поскольку графические модели обладают большей наглядностью по сравнению с аналитическими, то отобразим представленную выше модель в виде сети Петри (рис. 2а, 26). При этом представленные в сети Петри на рис. 2а состояния Р4, Р5, Р6, реализуют факт возможных запросов на дополнительную информацию в эксперименте по выбору режимов обработки.

Рис. 2. Сеть Петри по реализации традиционного способа выбора режимов лазерного управляемого термораскалывания (а); сеть Петри по процедуре принятия решения в контексте применения автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов лазерного

Анализ сети Петри (см. рис. 26) показывает следующее:

- построенная сеть является безопасной и обладает качеством живости(замкнутости);

- процедура принятия решения в контексте контроля параметров производственного процесса, с помощью автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов

а

б

управляемого термораскалывания

лазерного управляемого термораскалывания устраняет итерационные процессы, что приводит к значительному упрощению процедуры принятия решения. В частном случае может потребоваться только уточнение информации (реализация перехода 13 из позиции РЗ в позицию Р2), в случае вмешательства оператора.

Таким образом, анализ моделей характеризующих случаи традиционного способа по выбору технологических параметров лазерного управляемого термораскалывання с помощью оператора и применения процедуры принятия решения в контексте выбора параметров с помощью автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания показывает явное преимущество второго способа, как более надежного, гибкого и эффективного.

Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию процесса управления установкой для лазерного управляемого термораскалывания с целью выявления управляемых параметров, а также определения способов автоматизации процесса разделения и сопутствующих ему операций.

Рассмотрена физическая модель процесса лазерного управляемого термораскалывания, описывающая схему нагрева и механизм образования микротрещины под действием напряжений растяжения, возникающих в зоне подачи хладагента (рис. 3).

Проанализирован технологический процесс и функциональная схема устройства установки, разработаны основные принципы конструирования и создания на базе этих принципов специализированного технологического оборудования для лазерного управляемого термораскалывания стекла.

Для реализации общей концепции создания оборудования для лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов разработана архитектура, представленная на рис. 4.

Система подачи хладагента Хладагент

Лазерное излучение

Зона нагрева

В

Зона охлаждения

Микротрещина

г.

Рис. 3. Физическая модель лазерного управляемого термораскалывания

и 16

17

18

1- лазер;

2 - блок питания; 3- оптический преобразователь;

4 - поворотное зеркало;

5 - заслонка;

6 -пневмоцилиндр;

7 - поглотитель;

8 - поворотное зеркало;

9 - видеокамера;

10 - г-привод;

11 -объектив;

12 - устройство нанесения дефекта;

13 - форсунка;

14 - подложка;

15 - вакуумный столик;

16 - координатный стол, <р- привод;

17 - координатный стол, Х- привод;

18 - координатный стол, У- привод;

19 - компьютер с платами управления;

20 - контроллер ф - приводов;

Рис. 4. Архитектура универсальной установки для термораскалывания

16

Были проанализированы основные факторы, имеющие первостепенное значение для процесса лазерного управляемого термораскалывания, а именно: свойства материала, параметры лазерного излучения, параметры и свойства хладагента, параметры микротрещины, а также скорость относительного перемещения материала.

Установлена взаимосвязь между основными параметрами процесса лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов. Рассмотрено влияние оптических и теплофизических свойств материалов на выбор параметров технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания.

Разработана методика определения технологических параметров лазерного управляемого термораскалывания (рис. 5).

Марка материала

Способ разделения ' материала___]

_______________, о

Толщина материала

Рис. 5. Схема методики определения технологических параметров

лазерного управляемого термораскалывания

Разработан программно-аппаратный комплекс управления [

технологическим оборудованием для разделения стеклянных изделий

методом лазерного управляемого термораскалывания, определяющих

эффективность процесса обработки (рис. 6).

17

Тип и длина волны

Мощность лазерного излучения

Форма эллиптического __пучка лазера

Скорость разделения

Тип и параметры хладагента

Разработана процедура автоматизации определения технологических параметров лазерного управляемого термораскалывания на основе веб-сервисной подсистемы системы управления установкой, обеспечивающая повышение эффективности процесса выбора рациональных методов обработки оператором. Алгоритм работы автоматизированной подсистемы представлен на рис. 7.

\Л/еЬ-интерфейс и

база данных технологических параметров

Linux

2.6.33.4

Управляющий компьютер

Автоматизированная

подсистема

Система

управления

(Программа 1Л-[?)

RS-232

Сервоконтроллер LSMC (QLC-Drive)

Установка ЛУТ

Рис. 6. Схема программно-аппаратного комплекса управления установкой для лазерного управляемого термораскалывания

Четвертая глава диссертации посвящена разработке специализированного технологического оборудования для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания стекла.

На основе архитектуры оборудования для лазерного управляемого термораскалывания разработана конструкция и изготовлена универсальная технологическая установка для лазерного управляемого термораскалывания приборных пластин из различных материалов, содержащая два лазера с различной длиной излучения и две оптические фокусирующие системы. На рис. 8 показан общий вид данной установки.

Рис. 7. Алгоритм работы автоматизированной подсистемы определения рациональных режимов обработки методом лазерного управляемого термораскалывания

Установка «УЛТ-04» предназначена для лазерной обработки заготовок из различных марок стекла, кремния, сапфира, кристаллического кварца и других хрупких неметаллических материалов, размером до 300 х 300 мм и толщиной от 0,10 до 20 мм методом лазерного управляемого термораскалывания.

1 - Силовая рама. 9 - Управляющий компьютер.

2 - Система приводов. 10 - Блок питания лазера.

3 - Предметный стол. 11 - Манометр с фильтром.

4 - Лазер. 12 - Вторичный источник питания (24В)

5 - Оптическая система (ослабитель, постоянного тока.

заслонка, зеркала, объектив). 13 - Бачок.

6 - Защитная бленда зоны перфорации. 14 - Насос.

7 - Сервоконтроллер ЬЭМС 15 - Компрессор.

8 - Монитор. 16 - Бак с водой для охлаждения лазера.

Рис. 8. Внешний вид установки «УЛТ-04»

Структурно установка «УЛТ-04» состоит из следующих основных систем: лазерно-оптическая система; система приводов; система управления; система подачи воздуха к установке; система подачи охлаждающей жидкости в зону обработки; система охлаждения лазера.

Разработаны аппаратные системы, определяющие эффективность процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла.

Установлено, что оптимальной технологией создания первоначального микродефекта является воздействие фемтосекундного импульсного лазерного излучения (рис. 9).

Луч импульсного лазера

Луч непрерывного СО? лазера

Типы импульсных лазеров

Начальный дефект

Отклонение микротрещин от линейности (мкм)

а б

Рис. 9. Схема двухлазерного управляемого термораскалывания (а); схема

экспериментальных работ по созданию микродефектов лазерным излучение различной длительности (б) Экспериментально установлено (рис. 10), что при использовании пико и фемтосекудных лазерных импульсов создаются микродефекты, наиболее устойчиво развивающиеся непрерывным излучением С0/С02 лазера в линейную микротрещину.

Установлено, что наиболее эффективным средством для локального охлаждения зоны термораскалывания является управляемая дюза (рис. 11), позволяющая менять направление движения и интенсивность струи хладагента (воздушно-водяной смеси).

Разработаны физико-технические основы высокоэффективных гибридных методов лазерного управляемого термораскалывания: сочетание непрерывного и импульсного лазеров гибридная свето-лазерная (рис. 12) и гибридная акусто-лазерная методика термораскалывания.

микродефект

микротрещина

Рис. 10. Фото микродефекта, развиваемого в устойчивую микротрещину (5>99%), получаемую излучением фемтосекундного лазера

Подача жидкости

Заряд капель

Струя капель

оооооооооооо

Отклоняющие злектродоы

Органы упрапения 1

Вид сбоку

Вид сверху

Рис. 11. Структурная схема электрокапельноструйных маркеров «ЭКСТ»

а б

Рис. 12. Схема установки для гибридного свето-лазерного термораскалывания стекол (а); установка гибридного свето-лазерного термораскалывания (б).

Пшшхромошчсский источник иршрсва

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Решена задача, имеющая важное значение для приборостроения, связанная с повышением качества и производительности обработки изделий из хрупких неметаллических материалов методом лазерного управляемого термораскалывания на основе применения автоматизированной подсистемы управления процедурой выбора рациональных режимов.

2. Установлены функциональные связи между процессом термоупругого разрушения хрупких неметаллических материалов и лазерным термовоздействием, показана определяющая роль первоначального микродефекта.

3. На основе установленных связей построена математическая модель выбора рациональных режимов обработки и процесса лазерного управляемого термораскалывания, которая позволяет определить технологические параметры обработки и значения растягивающих напряжений, возникающих под действием лазерного излучения и хладагента.

4. Разработаны алгоритмы и создана автоматизированная подсистема для рационального выбора технологических параметров разделения изделий методом лазерного управляемого термораскалывания, использованием которых привело к росту производительности и повышению точности и качества поверхностей изделий.

5. Предложена общая концепция построения специализированного технологического оборудования и архитектуры системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания широкого класса многофункциональных материалов.

6. Разработаны алгоритмы и программно-аппаратный комплекс управления технологическим оборудованием, включая управляющие

программы, для разделения стеклянных изделий методом лазерного управляемого термораскалывания;

7. Установлено, что наиболее эффективным средством для создания первоначального микродефекта является фемтосекундный импульсный лазер, а для управляемого локального охлаждения зоны термораскалывания - управляемая дюза;

8. Разработаны высокоэффективные гибридные методы, повышающие эффективность лазерного термораскалывания', сочетание непрерывного и импульсного лазеров, гибридная свето-лазерная и акусто-лазерная методика.

9. Результаты работы можно рекомендовать к использованию в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных

ВАК:

1. Сысоев В.К., Вятлев П.А., Чирков A.B. Концепция двухлазерного термораскалывания стеклянных элементов для космических аппаратов // Вестник «ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина». 2011. № 1. С. 38-44 .

2. Шемелин В.К., Чирков A.B., Сысоев В.К. Повышение эффективности методов высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов на основе применения лазерного управляемого термораскалывания // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 3(11). С. 130-135.

3. Шемелин В.К., Чирков A.B., Сысоев В.К. Исследование режимов лазерного управляемого термораскалывания оксидных стекол на основе применения ИК-лазера на парах стронция // Автоматизация и современные технологии. 2011. № 2. С. 8-13.

Другие публикации автора:

4. Чирков A.B., Шемелин В.К. Автоматизация выбора рациональных режимов разделения хрупких неметаллических материалов методом лазерного управляемого термораскалывания. Труды XIX международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии» 18- 20 октября 2011 г., Москва. Издательский дом МЭИ, с. 141-148.

5. Сысоев В.К., Вятлев П.А., Чирков A.B. Высокоточное локальное охлаждение зоны нагрева при лазерном термораскалывании стекла // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ». 2011. № 037. С. 488-495.

6. Сысоев В.К., Вятлев П.А., Чирков A.B. Создание микродефекта для лазерного термораскалывания стеклянных элементов // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ». 2010. № 047. С. 594604.

7. Сысоев В.К., Вятлев П.А., Чирков A.B. Лазерные технологии получения наноматериалов для космической техники // Функциональные наноматериалы для космической техники. 2009. С. 165-171.

Заказ № 47-р/01/2012 Подписано в печать 19.01.2012 Тираж 100 экз. Усл. п.л.1,2

¿'—Л ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30

' www.cfr.ru ; е-таИ:т/о@с/г.ги

61 12-5/1557

ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

Чирков Андрей Викторович

«Разработка автоматизированной подсистемы по управлению выбором рациональных режимов лазерной обработки изделий из хрупких неметаллических материалов»

Специальность 05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Шемелин В. К.

Научный консультант: доктор технических наук Сысоев В.К.

Москва, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО РАЗМЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР).................................................................................................................11

1.1 Традиционные методы и особенности процесса разделения хрупких неметаллических материалов...........................................................................11

1.2 Преимущества лазерного управляемого термораскалывания..........25

1.3 Проблемы автоматизированого выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов..........................................................................................................35

1.4 Постановка задачи исследования........................................................37

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫБОРА

РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ..................................,.^38

2.1 Анализ математической модели процесса лазерного управляемого термораскалывания............................................................................................39

2.2 Факторы влияния температурных полей и температурных напряжений при лазерном управляемом термораскалывании......................53

2.3 Математическая модель автоматизированного выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания на основе методов принятия решений..................................................................68

2.4 Выводы по главе....................................................................................76

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И АРХИТЕКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО

ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ...............................................................................77

3.1 Методика автоматизированного выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания.................................................77

3.2 Автоматизированная система управления процедурой выбора режимов термораскалывания хрупких неметаллических материалов.........85

3.3 Архитектура системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания.....................93

3.4 Выводы по главе..................................................................................ЮО

Глава 4. РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ..............101

4.1 Разработка универсальной технологической установки для лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов........................................................................................................Ю1

4.2 Разработка аппаратных систем, определяющих эффективность процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла..................111

4.3 Разработка гибридных методов, повышающих эффективность управляемого лазерного термораскалывания стеклянных изделий...........121

4.4 Выводы по главе..................................................................................139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................................140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

В условиях развития авиакосмической промышленности, приборостроения, микро- и оптоэлектроники, проблема повышения качества и миниатюризации изделий является одной из самых актуальных. Все в большем масштабе применяются элементы, содержащие хрупкие неметаллические материалы: оптические приборы, дисплеи, микроэлектронные сборки на основе сапфира, термооптические покрытия и многое другое.

Постоянное повышение требований к качеству таких прецизионных изделий вызывает необходимость применения и совершенствования новых лазерных методов высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов, а именно лазерного управляемого термораскалывания.

Существующие традиционные технологии базируются на затратных операциях резки с помощью алмазных дисков, твердосплавных или алмазных резцов, алмазных или лазерных скрайбирующих систем. В ряде случаев эти технологии достигли пределов своих возможностей, как с точки зрения повышения качества и точности обработки, так и с точки зрения себестоимости выпускаемой продукции.

Лазерное управляемое термораскалывание - это один из наиболее эффективных методов высокоточного безотходного разделения хрупких неметаллических материалов, отличительной особенностью которого заключается в том, что разделение материала происходит не за счет механического воздействия или испарения материала вдоль линии реза, а за счет образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.

Преимущества лазерного управляемого термораскалывания перед традиционными методами обработки:

- высокая чистота процесса разделения, связанная с безотходностью

4

разделения материала методом лазерного управляемого термораскалывания, это означает, что ни одна молекула материала не удаляется в процессе обработки и ширина реза равна нулю;

- повышенная механическая прочность получаемых изделий, обеспечиваемая бездефектной кромкой стекла после термораскалывания;

- отсутствие механических нагрузок в зоне лазерного воздействия, исключающее деформацию и разрушение изделий в процессе термораскалывания;

- высокая скорость термораскалывания различных типов стекла, достигающая 1000 мм/сек и более;

- высокая точность термораскалывания, составляющая 5-10 мкм на длине 500 мм;

- возможность сквозного разделения в одном технологическом цикле;

- высокая энергоэкономичность процесса лазерного управляемого термораскалывания перед всеми известными методами прецизионного раскроя материалов. Это объясняется тем, что энергия лазерного излучения в данном методе расходуется лишь на разрыв межатомных связей материала;

- возможность полной автоматизации процесса благодаря использованию компьютерных систем управления и роботов-манипуляторов.

Именно благодаря перечисленным преимуществам был предопределен выбор метода лазерного управляемого термораскалывания, как наиболее эффективного метода для разделения хрупких неметаллических материалов и, в первую очередь, стеклянных изделий. Особое внимание было обращено на тот факт, что данный метод разделения материалов является безотходным, и таким образом может быть использован в особо чистых помещениях.

Сложность процесса лазерного управляемого термораскалывания

требует разработки математических моделей данного процесса, алгоритмов управления оборудованием, а так же автоматизации выбора рациональных режимов обработки для осуществления лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов.

Особые условия эксплуатации этих изделий предъявляют повышенные требования к качеству их изготовления, что приводит к необходимости автоматизации выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания.

Определено, что наиболее прогрессивной архитектурой системы управления лазерного управляемого термораскалывания является построение такой системы на базе одного вычислительного устройства (сервоконтроллера), управляющего технологическими параметрами лазерного управляемого термораскалывания, которые определяются разработанной автоматизированной системой, построенной на базе экспериментально полученных данных, которые соответствуют математической модели технологического процесса.

Актуальность работы

Данная работа посвящена решению проблем в области развития технологии высокоточной обработки стекла и других хрупких неметаллических материалов методом лазерного управляемого термораскалывания для производства прецизионных изделий, в авиакосмической, электронной, приборостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.

В представленной диссертации предлагается решение актуальной задачи по повышению качества из хрупких неметаллических материалов путем применения программных и аппаратных средств автоматизации процесса прецизионной лазерной обработки хрупких неметаллических материалов методом лазерного управляемого термораскалывания.

Цель работы

Целью работы является автоматизация выбора рациональных

технологических процессов и разработка программных и аппаратных средств для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания различных хрупких неметаллических материалов. Задачи исследования

Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ развития технологии лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов, в первую очередь стекла, выявить основные недостатки существующих методов и наметить пути их совершенствования.

2. Провести исследования и разработать математическую модель по автоматизации выбора рациональных режимов обработки и процесса лазерного управляемого термораскалывания, включая математическую модель процесса зарождения первоначального микродефекта импульсным лазером.

3. Разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для рационального выбора технологических параметров обработки материалов и управления оборудованием для лазерного управляемого термораскалывания.

4. Разработать требования к конструкции установки и архитектуру системы управления для обработки изделий из стекла методом лазерного управляемого термораскалывания;

5. Создать управляющие программы для лазерной технологической установки для разделения определенного класса тонких стеклянных изделий.

6. Разработать специализированное технологическое оборудование для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении функциональных связей между процессом

термоупругого разрушения хрупких неметаллических материалов и

7

лазерным термовоздействием, показана определяющая роль первоначального микродефекта для создания управляемой микротрещины;

- использовании выявленных функциональных связей характеристик материалов и технологических параметров лазерной обработки для разработки архитектуры и моделей автоматизированной подсистемы выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания;

- разработке методики построения специализированного технологического оборудования и архитектуры системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания широкого класса многофункциональных материалов;

- разработке алгоритмов и программно-аппаратного комплекса управления технологическим оборудованием, включая управляющие программы, для разделения стеклянных изделий методом лазерного управляемого термораскалывания;

- установлении, что наиболее эффективным средством для создания первоначального микродефекта является фемтосекундный импульсный лазер, а для локального охлаждения зоны термораскалывания -управляемая дюза.

Методы исследования

Методы исследования в работе базировались на основных теоремах теории теплопроводности, классической теории упругости и теории разрушения и теории автоматического управления.

Практические исследования велись на экспериментальной установке, созданной на базе СО, С02, 8г, N(1 лазеров с мощностью 10-100 Вт. Оценка величины отклонения трещины от заданной траектории, а также контроль за наличием дефектов в обрабатываемом стекле осуществлялись с помощью ТУ-микроскопов.

Теоретические исследования базировались на математических моделях процесса лазерного управляемого термораскалывания. Были использованы методы разработки программного обеспечения. Использовался широкий класс экспериментальных методик и современное измерительного оборудование.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- большим объемом экспериментальных данных, подтверждающих правильность физико-технических предложений автора в реализации данных технологий;

- использованием автором современных приборов и устройств для регистрации результатов экспериментальных работ;

- использованием измерительной базы ведущей научной организации в области прочности и шероховатости стекол - РХТУ;

- использованием измерительной базы для определения качества поверхности поперечного среза образцов боросиликатного стекла в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Практическая значимость работы

Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, стоящих в ряде областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами о целесообразности внедрения результатов работы на ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина", где результаты использовались для совершенствования и автоматизации установки УЛТ-04 для лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов для элементов летательных аппаратов. Апробация работы

Основные результаты работы были получены в ходе выполнения Государственного контракта П388 от 27мая 2010 года Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» проекта «Разработка высокоэффективных лазерных технологий изготовления изделий космической техники» и

изложены в соответствующих отчетах.

Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные Системы управления» МГТУ «Станкин», на Первой Всероссийской конференции «Функциональные наноматериалы для космической техники» (2009 г.) и XIX Международная научно-техническая конференция "Информационные средства и технологии" (2011 г.).

Результаты работы внедрены и использованы на установке «УЛТ-04», применяемой в опытном производстве ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», а модели автоматизации используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работы, в том числе 3 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, а также 2 издания в научном интернет журнале.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из: введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований, изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 54 рисунка, 6 таблиц.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО РАЗМЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР). 1.1 Традиционные методы и особенности процесса разделения

хрупких неметаллических материалов

Под разделением обычно понимают операцию, при которой путем местного воздействия острого инструмента изделие полностью делят на две части (например, при помощи ножа или ножниц). Для хрупких неметаллических материалов (например, стекла) в силу его хрупкости такие способы применять нельзя. Специфика раскроя стекла заключается в наличии в нем остаточных напряжений.

Остаточные торцевые напряжения в нормально отожженном флоат-стекле располагаются таким образом, что в поверхностных слоях находятся напряжения сжатия, а во внутренних - напряжения растяжения. Поэтому, чтобы разрезать стекло, необходимо нарушить напряжения сжатия по контуру вырезаемого изделия и создать условия для его разлома в строго определенном направлении.

Методы механической резки

Самым распространенным способом резки стекла в силу его простоты и доступности является механическая резка, которая заключается в том, что острым предметом клиновидной формы на поверхность стекла наносят надрез и затем путем изгибания производят разлом по этому надрезу [8-16].

При нанесении надреза на поверхности стекла остается след - так называемая линия реза, под которой образуется трещина, идущая вертикально вглубь (глубинная трещина), иногда ее называют медианной трещиной. При этом важно, чтобы эта трещина достигла зоны растяжения, тогда она легко растет дальше и способствует разлому стекла, так как напряжения растяжения способствуют разрушению.

То есть резку необходимо вести так, чтобы получить трещину длиной,

равной как минимум толщине сжатого слоя. Обычно в нормально отожженном стекле напряжения сжатия в приповерхностном слое составляют -1/6 толщины