автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка и исследование системы управления лазерным технологическим комплексом с несамостоятельным тлеющим разрядом

ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

005055414

Шемякин Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ

На правах рукописи

Специальность: 05.13.06. - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 НОЯ 2012

Москва-2012 г.

005055414

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный

университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рачков Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ластовиря Вячеслав Николаевич кандидат технических наук, доцент Савостин Петр Иванович

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

Защита диссертации состоится « » декабря 2012 г. в ^^часов на заседании диссертационного Совета Д.212.129.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1605.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан « _ kCO&ö/ÜL 20г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н„ доцент ' Кузнецов A.B.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время лазеры и технические системы на их основе широко применяются в различных областях человеческой деятельности: машиностроении, металлообработке, приборостроении, электронике, телекоммуникациях, в медицине и научных исследованиях. По данным ежегодного обзора лазерного рынка журнала Laser Focus World объем продаж мирового рынка лазеров в 2011 году достиг 7,46 млрд. долларов.

В качестве объекта управления лазерный технологический комплекс (ЛТК) представляет собой сложную техническую систему, состоящую из таких разнородных подсистем как вакуумный газовый контур с устройством прокачки и системой газообмена, высоковольтные источники питания основного разряда и ионизации, разрядная камера с оптическим резонатором, системы водяного охлаждения, электроавтоматики и электроники. Система управления таким объектом должна обладать повышенной надежностью для обеспечения безаварийной и безопасной работы ЛТК и расширенными диагностическими возможностями для своевременного выявления неисправностей в работе его подсистем. Однако известные системы управления, например, SINUMERIK 840D SL фирмы Siemens, которая управляет ЛТК фирмы Trumpf, в случае отказа или сбоя в работе обеспечивают только аварийную блокировку и перевод управляющих выходов в безопасное состояния.

В связи с этим необходимым условием для использования ЛТК на производстве является их автоматизация на базе систем управления с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями.

Чч

Цель и задачи исследования

Целью исследования является повышение надежности и расширение диагностических возможностей системы управления и технологических возможностей ЛТК с несамостоятельным тлеющим разрядом (НТР), заключающееся в увеличении ряда обрабатываемых материалов, их толщин и скорости лазерной обработки.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка системы управления ЛТК с НТР со средствами повышения надежности и расширенными диагностическими возможностями.

2. Разработка методики повышения надежности системы управления ЛТК с НТР, позволяющей выявить отказ или сбой в ее работе.

3. Разработка методики диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК с НТР.

4. Исследование и реализация в автоматическом режиме способа управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации.

5. Определение влияния выбранного способа управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации на технологические возможности ЛТК с НТР.

6. Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов и их статистический анализ.

Новизна и достоверность предложенных методов и решений

Новизна результатов работы подтверждается патентом на разработанную систему управления лазером, достоверность результатов обеспечивается использованием современных методов теории автоматического управления,

4

спектрального, корреляционного, регрессионного анализов и статистической обработки экспериментальных данных; использованием высокоточных измерительных приборов: цифрового запоминающего осциллографа TDS2014 фирмы Tektronix, ШВ-устройства сбора данных N1 6008 фирмы National Instruments; современного программного обеспечения: программы компьютерной математики Mathcad 13, среды проектирования LabVIEW 2009, а также экспериментальной проверкой результатов в промышленных условиях.

Научная новизна

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Разработана методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет за допустимое, не влияющее на работу ЛТК с НТР и технологический процесс время (=17 мс), выявить отказ или сбой в работе системы управления ЛТК с НТР.

2. Исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на параметры лазерного излучения ЛТК с НТР при парциальном давлении воздуха от 0 до 1 мм рт. ст. и различной частоте импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения Ws вычислены эмпирические средние значения Ws и эмпирические стандартные отклонения sm. По этим оценкам рассчитана относительная флуктуация мощности АР. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности Ws, приводя к его снижению. Разработан метод диагностики, основанный на уменьшении среднего значения мощности Ws при натекании воздуха в газовый контур лазера при неизменной частоте импульсов ионизации, и обоснован выбор оптимальной частоты импульсов ионизации,

которая обеспечивает максимальную чувствительность во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст.

3. Исследован способ управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации в автоматическом режиме. На основе экспериментально полученной переходной характеристики построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения рассчитан коэффициент усиления пропорционального регулятора. Экспериментально получена переходная характеристика системы управления мощностью лазерного излучения с рассчитанным пропорциональным регулятором и проведена оценка качества переходного процесса.

4. Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения ИЬ вычислены эмпирические средние значения ¡Уз и эмпирические стандартные отклонения для различных значений мощности лазерного излучения. По этим оценкам определена относительная флуктуация мощности ЛР. Определено, что с увеличением среднего значения мощности УК! эмпирическое стандартное отклонение уменьшается. Выявлено, что с увеличением среднего значения

мощности Ж?, относительная флуктуация мощности ЛР экспоненциально уменьшается.

5. Определено экспоненциальное уменьшение мощности лазерного излучения при работе на новой газовой смеси (при полной замене газовой смеси после откачки газового контура), вызванное деградацией смеси газов из-за протекания плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Установлено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации. Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой

мощности лазерного излучения частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом контуре лазера.

Практическое значение работы

1. Разработана система управления ЛТК с НТР с расширенными диагностическими и технологическими возможностями.

2. В системе управления реализован блок диагностирования аварийных ситуаций, который позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управление лазерным комплексом.

3. Разработан алгоритм работы системы управления, позволяющий диагностировать натекание воздуха в газовый контур лазера с НТР.

4. В результате применения пропорционального регулятора в системе управления мощностью ЛТК с НТР удалось достичь заданной точности установки мощности лазерного излучения (<2%) и практически в 2 раза уменьшить перерегулирование а.

5. Доказано, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1-1,5 мм достигнуто 3050% увеличение скорости резки.

6. Модернизированы алгоритмы работы системы управления при

включении ЛТК с НТР и при полной замене газовой смеси с учетом деградации

рабочей смеси газов, вызванной протеканием плазмохимических реакций в

тлеющем разряде. Время, отводимое системой управления для окончания

7

плазмохимических реакций и достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.

7. Создано метрологическое обеспечение измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.

8. Принципы построения и основные технические решения разработанной системы управления могут применяться для автоматизации перспективных лазерных установок, основанных на НТР с импульсной емкостной ионизацией, например мощных лазеров с быстрой аксиальной прокачкой.

Реализация результатов работы

Результаты выполненной работы нашли широкое практическое применение в промышленности. Технологический лазер «Лантан-3» с разработанной системой управления, входящий в состав ЛТК с НТР, серийно выпущен на НПО «РОТОР», г. Черкассы и на Ижевском механическом заводе, г. Ижевск. ЛТК с НТР были установлены на МКБ «Факел», г. Химки, НПО им. С. А. Лавочкина, г. Химки, авиационном ремонтном заводе, г. Старая Русса, НИАТе, г. Москва, ИПМех РАН, г. Москва. В настоящее время Ижевский механический завод готовит к выпуску модернизированный вариант технологического лазера с НТР «Лантан-3» с разработанной системой управления. Три ЛТК с НТР успешно работают на фирме «ЛАНТАН ЛАЗЕР», г. Москва. Один комплекс используется для резки конструкционной и нержавеющей стали, латуни и алюминиевых сплавов. Два комплекса применяются для резки фанерных заготовок штанцевых форм.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертации были предметом докладов на семинаре «Современные методы и приборы автоматического контроля и регулирования технологических процессов» (Москва, 1988 г.), Первой международной конференции «Приоритетные направления в научном приборостроении» (Ленинград, 1990 г.), Международной конференции по искусственному интеллекту (Кацивели, Украина, 2008 г.), УШ Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2009 г.), 7-ой Научно-технической конференции по мехатронике, автоматизации и управлению (Санкт-Петербург, 2010 г.), 4-ой Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Россия, 2011 г.).

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 15-ти печатных работах, включая 5 статей в журналах из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 184 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 16 таблиц и список использованной литературы, включающий 116 наименований.

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, определены цель и задачи исследования, описана структура диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

В главе I проведен сравнительный анализ современных ЛТК и их

технологических возможностей. Основное внимание уделено универсальным

двухкоординатным ЛТК с перемещением оптики, к которым относится ЛТК с

НТР. Сопоставлены схемы организации НТР, нашедшие практическое

применение, и показаны преимущества НТР с импульсной емкостной ионизацией,

9

используемого в ЛТК с НТР. Проанализированы приемники излучения, измеряющие мощность лазерного излучения - основной параметр, которым необходимо управлять в процессе лазерной обработки, и обоснован выбор термоэлектрического зеркала-приемника с анизотропией термоЭДС. Рассмотрены различные методы повышения надежности систем управления путем их самодиагностирования встроенными средствами. Выявлены недостатки существующих систем управления ЛТК по надежности, диагностическим и технологическим возможностям и определены пути их устранения.

Глава II посвящена исследованию системы управления ЛТК с НТР (рис. 1),

которая состоит из

микропроцессорного устройства управления (МП УУ) лазером с НТР, системы управления координатным столом и подсистемы ввода файлов лазерной резки на базе персонального компьютера.

которая состоит из

микропроцессорного устройства

управления (МП УУ) лазером с НТР, системы управления координатным столом и подсистемы ввода файлов лазерной резки на базе персонального компьютера.

Технологический лазер с НТР условно разделен на отдельные подсистемы. Исследованы цифровые и аналоговые сигналы от датчиков и

Рис. 1. Общий вид ЛТК с НТР: 1 - технологический лазер с НТР; 2 - микропроцессорное устройство управления; 3 — координатный стол; 4 - персональный компьютер

сигналы управления исполнительными 10

механизмами. В результате сформулированы требования к системе управления по количеству цифровых и аналоговых входных и выходных сигналов, необходимых для работы в автоматическом режиме.

Показано устройство координатного стола, проанализирована его система управления и подсистема ввода файлов лазерной резки, представляющая собой персональный компьютер со специальной программой лазерной резки.

Исследовано МП УУ, которое управляет технологическим лазером с НТР и обеспечивает его взаимодействие с остальными элементами системы управления (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема МП УУ лазером с НТР: ЦП - центральный процессор; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство К особенностям МП УУ относятся многоуровневая (21 уровень) приоритетная система прерываний, которая позволяет управлять лазером в режиме реального времени и оптоволоконные устройства, обеспечивающие связь МП УУ с датчиками и исполнительными механизмами лазера с НТР. Через блок сопряжения технологические устройства могут управлять мощностью лазерного излучения.

Для повышения надежности и расширения диагностических возможностей

системы управления ЛТК с НТР в нее введен блок диагностирования аварийных

ситуаций, а в ПЗУ записано дополнительное программное обеспечение (ПО) (рис. 3).

11

Микропроцессорное устройство управления Блок диагностирования аварийных ситуаций

-

ПЗУ

ПО алгоритмов начала работы с блоком диагностирования аварийных ситуаций ПО алгоритмов диагностирования натекания воздуха в газовый контур лазера с НТР ПО алгоритмов управления мощностью излучения ЛТК с НТР ПО алгоритмов работы на новой газовой смеси

Рис. 3. Система управления ЛТК с НТР с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями

Блок диагностирования аварийных ситуаций позволяет аварийно выключить ЛТК с НТР в случае отказа системы управления, а в случае сбоя в ее работе -восстановить управления лазерным комплексом. ПЗУ содержит дополнительное ПО алгоритмов начала работы системы управления, диагностирования натекания воздуха в газовый контур, управления мощностью излучения и работы на новой газовой смеси.

Глава III посвящена управлению мощностью излучения ЛТК с НТР. Проанализированы три способа управления мощностью излучения лазера с НТР: путем изменения напряжения источника питания основного разряда, напряжения источника питания ионизации и частоты импульсов ионизации. Выбран способ управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации, который позволяет организовать работу лазера, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью и длительностью импульсов и обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой (рис. 4).

IV, кВт Создано метрологическое

обеспечение измерения мощности лазерного излучения с помощью быстродействующего термо-

электрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС. Лазерное излучение подавалось на зеркало-приемник и снимались показания мощности о 2 4 6 кГц лазерного излучения Ж, измеренные

Рис. 4. Зависимость мощности эталонным калориметрическим

лазерного излучения РГ от частоты методом, и сигнал с зеркала-импульсов ионизации Р приемника II.

По результатам математической обработки полученных экспериментальных данных методом корреляционного анализа были определены параметры эмпирической прямой регрессии и на ^^(рис. 5) и = °-9836 '№ + 0,0258 ^ (1)

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

и, В

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 IV, кВт Рис. 5. Зависимость сигнала с зеркала-приемника I/ от мощности лазерного излучения Ж и эмпирическая прямая регрессии II на

3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

-0,5

и, В

А

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 »'.кВт

Рис. 6. Эмпирическая прямая регрессии II на Ш вместе с 95% доверительными границами для теоретической прямой регрессии ¡7 на }У(2)

Определен эмпирический коэффициент корреляции r s s Swu 0,9996 , где

- эмпирические дисперсии W и U;

■ эмпирическии корреляционный

момент.

Рассчитаны 95% доверительные оценки параметров эмпирической прямой регрессии и на IV н 95% доверительные границы для теоретической прямой регрессии и на И7 при фиксированном значении ^ = (рИС. 6).

±, Е + = ±0,0494^1 +1.368 «К -W'f

V л — 2 у (л-IJsjJ,

(2)

t/,

от

где " - сумма квадратов отклонений измеренных значений рассчитанных по уравнению прямой регрессии ^ на ^ .

В результате выявлена тесная линейная зависимость между сигналом с зеркала-приемника и и мощностью лазерного излучения IV.

Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения, определяемые способом управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации (рис. 7).

Шз, Вт V, мм/мин

1000 800 600 400 200 0

О 500 1000 1500 2000 t, мкс

Рис. 7. Сглаженная мощность лазерного излучения Ws = 750 Вт

9000

7000

5000

3000

1000 О

Аппр рксим jpyioi щя

^ кр! рая да ргЛП| С

« Лантг н-5»

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 h, мм •ЛТК "Лантан-5",.РКС Laser Corp. (США) 1700 Вт PRC GL 2000, 2000 Вт »Bystronic (Швейцария) Bylaser 1800, 1800 Вт

Рис. 8. Зависимость скорости

резки V алюминиевого сплава Д16АТ от

толщины материала h

Определено, что амплитудные изменения мощности происходят с частотой импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения

вычислены эмпирические средние значения

Ws =-YWs, п i

и эмпирические стандартные отклонения ~ ^п _ 12 ^У . (4) Определена относительная флуктуация мощности =

(3)

(5)

Исследовано влияние амплитудного изменения мощности лазерного излучения на технологические возможности лазерного комплекса. Наличие амплитудного изменения мощности с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения (рис. 8). В частности, при лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1-1,5 мм достигнуто 30-50% увеличение скорости резки.

Исследованы особенности управления мощностью лазерного излучения при работе на новой газовой смеси (рис. 9).

¡¥р, Вт

W, Вт

900 800 700 600 500 400 300 200 100 -10

0 20 40 60 80 100 120 t, с Рис. 9. Изменение мощности излучения

й^при частоте ионизации 428 Гц, 667 Гц,

740 Гц, 844 Гц и 944 Гц

9 44 Ьц

Л 44 Гц А 40 Гц

1Í6 7 Г ц

Ш Г1

s I

ч Чи. КГЭ

400 500 600 700 800 900 Гц Рис. 10. Зависимость пиковой мощности

излучения от частоты импульсов

ионизации и прямая регрессии Шрч&Р

Определено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации. Это связано с протеканием плазмохимических реакций и установлением химического равновесия в газовом контуре лазера с НТР.

Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения (рис. 10) частота импульсов ионизации 740 Гц и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций. Показано, что для перехода ЛТК с НТР в рабочий режим при работе на новой газовой смеси необходимо подавать импульсы ионизации частотой 740 Гц в течение 50 с.

На основании проведенных исследований оптимизировано время подготовки к работе ЛТК с НТР и модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении лазерного комплекса и при полной замене газовой смеси.

Исследована автоматическая система управления мощностью излучения ЛТК с НТР (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема системы управления мощностью излучения ЛТК с НТР: 1¥а(р) - передаточная функция объекта управления; Щ,(р) - передаточная функция регулятора; - коэффициент передачи датчика мощности; IV- реальная мощность лазерного излучения (Вт); - измеренная мощность лазерного излучения (В); Уст. Ж- установленная оператором ЛТК с НТР мощность лазерного излучения; Упр. Е— сигнал управления частотой ионизации; К- переключатель

Экспериментально получена переходная характеристика объекта управления (рис. 12). Начальный участок переходной характеристики и затухающие

700 600 500 400 300 200 100 0

ÍV, Вт

тН * ifil

щ

.

4

i f?

-i

•

37 ,8 ÍC

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 /, МС Рис. 12. Экспериментальная переходная характеристика объекта

управления и моделирующая переходная функция колебательного звена (6)

колебания объясняются схемой подключения источника основного разряда к электродам НТР. Для ее моделирования составлена система дифференциальных уравнений,

решение которой позволяет построить модель объекта управления на базе колебательного звена. Для

определения коэффициентов

переходной функции модели проведено быстрое преобразование Фурье экспериментальной переходной характеристики объекта управления с

помехами, вырезаны высокочастотные гармоники (fcp=200 Гц) и проведено обратное преобразование Фурье. Переходная функция моделирующего колебательного звена (рис. 12) имеет окончательный вид

й(0=476,62 • [l -е-125'37'(с<и 409,06í +0,3065 -sin 409,06í)] l(0. (6)

По коэффициентам моделирующей переходной функции вычислены параметры передаточной функции объекта управления 476 ,62

W(p) =

1 + 1,37 х 10~3р + 5,46 х 10-6jC?2 '

По полученной модели объекта управления проведена оценка качества переходного процесса. Перерегулирование а = 38,2%, а длительность переходного процесса с допустимой ошибкой 2% составила = 37,8 мс.

Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения (<2%) применен пропорциональный регулятор и рассчитан его

17

коэффициент усиления. Экспериментально получена переходная характеристика системы управления мощностью лазерного излучения с пропорциональным регулятором и проведена оценка качества переходного процесса (рис. 13).

700 600 500 400 300 200 100

Щ Вт

о

-50

;. V.

1

Я & * 1 1 г*'л „ ■■■*■ ,1. . .

: 5 * ^ 'П *1

*

щ 2 мс

0 100 200 300 400 I, мс Рис. 13. Прямое и обратное (/ср=Ю0 Гц)

преобразование Фурье переходной характеристики системы управления с пропорциональным регулятором

В результате применения пропорционального регулятора

удалось достичь заданной точности и практически в 2 раза (<г = 23,8°/о) уменьшить перерегулирование.

Полученное при этом увеличение длительности переходного процесса (¿„ = 213,2 мс) является допустимым с точки зрения типовых

технологических процессов,

выполняемых на ЛТК с НТР.

В главе IV рассмотрены методика и средства повышения надежности системы управления ЛТК с НТР. Описан блок диагностирования аварийных ситуаций (рис. 14), который, совместно с подпрограммой обработки аварийных ситуаций, позволяет своевременно выявить отказ или сбой в работе системы управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управление лазерным комплексом.

Рис. 14. Блок диагностирования аварийных ситуаций: i - аварийный одновибратор; 2 - формирователь сигнала сброса по включению питания и кнопке «Сброс»; 3 - формирователь сигнала сброса по аварии источника питания; 4 - формирователь сигнала «Сброс по сбою»; 5 - триггер сбоя; б - формирователь аварийных сигналов; DOO - цифровой выходной сигнал

«Блокировка аварийного одновибратора»; DOl - цифровой выходной сигнал «Запуск аварийного одновибратора»; D02 - цифровой выходной сигнал «Сброс триггера сбоя»; DIO - цифровой входной сигнал «Состояние триггера сбоя» Аварийный одновибратор 1 выполняет функцию «сторожевого таймера», который программно (выход DOl) перезапускается через 10 мс. В случае отказа или сбоя в работе системы управления очередной запуск одновибратора 1 не происходит и спад сигнала одновибратора вызывает аппаратную установку триггера сбоя 5, состояние которого может быть программно считано (вход DIO) системой управления, и формирование сигнала «Сброс по сбою» длительностью 4 мкс формирователем 4. Установленный триггер сбоя свидетельствует об отказе или сбое в работе системы управления. Фронт сигнала на выходе триггера сбоя 5 запускает формирователь аварийных сигналов б, который устанавливает

аварийные сигналы на панели управления оператора, аварийно отключает лазер и выдает аварийный сигнал для технологических устройств.

При включении питания или нажатии кнопки «Сброс» (формирователь 2) и аварии источника питания системы управления (формирователь 3) вырабатывается сигнал «Сброс периферии», сбрасывающий МП и периферийные устройства ввода-вывода, и состояние управления лазером полностью теряется. При возникновении сбоя формируется сигнал «Сброс МП», который сбрасывает только МП для того, чтобы сохранить состояние управляющих сигналов, а подпрограмма обработки аварийных ситуаций пытается восстановить управление и продолжить работу с последнего блока программы перед сбоем. Сразу после аппаратного сброса подпрограмма «Начало работы» выясняет причину, вызвавшую сброс системы управления: включение питания или нажатае кнопки «Сброс», авария источника питания, сбой в работе системы управления. Определив причину сброса, система управления переходит к соответствующим действиям по управлению ЛТК с НТР.

Для расширения диагностических возможностей системы управления исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур лазера на мощность излучения ЛТК с НТР и предложен метод его диагностики. Натекание воздуха является трудно диагностируемой неисправностью, приводящей к снижению мощности излучения.

Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности , приводя к его снижению (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость эмпирического среднего значения мощности Жу от частоты импульсов ионизации Г и парциального давлении воздуха р

мощности 1Уя от парциального давления воздуха р при частоте импульсов ионизации 1540 Гц и кривая экспоненциальной регрессии Шз на р (7)

Наиболее равномерное и сильное уменьшение мощности происходит при частоте импульсов ионизации составляющей 1540 Гц. Для аналитического представления зависимости Ж$ = /(р) при частоте импульсов ионизации, составляющей 1540 Гц, применена экспоненциальная регрессия (рис. 16)

Й^Жу = 414,089е"2'И4" +120,557. (7)

Выяснено, что самое быстрое уменьшение среднего значения мощности Жу происходит во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до ОД мм рт. ст. Затем скорость уменьшения среднего значения мощности замедляется и при давлении 0,2 мм рт. ст. выходит на практически постоянный уровень.

На основании проведенных исследований предложен метод диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК, который основан на уменьшении среднего значения мощности излучения при натекании воздуха. Для

предложенного метода диагностики обоснован выбор оптимальной частоты импульсов ионизации, которая обеспечивает максимальную чувствительность во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст. По сравнению с существующим методом время диагностики сокращается на порядок.

В Заключении, которым завершается диссертация, приведены основные результаты работы, отмечены их научная новизна и практическая значимость.

Основные результаты работы

1. Разработана и реализована методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - автоматически восстановить управление лазерным комплексом.

2. Для расширения диагностических возможностей системы управления исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения ЛТК с НТР. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности ¿Уя, приводя к его снижению. Выяснено, что наиболее равномерное и сильное уменьшение мощности происходит при частоте импульсов ионизации составляющей 1540 Гц во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст. На основании проведенных исследований предложен метод диагностики натекания воздуха в газовый контур лазера с НТР. По сравнению с существующим методом время диагностики сокращается на порядок.

3. Исследован и реализован в автоматическом режиме способ управления

мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов

ионизации, что расширяет его технологические возможности, позволяя

22

организовать работу комплекса, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью и длительностью импульсов и обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой.

4. В результате исследования системы управления мощностью излучения ЛТК с НТР экспериментально получена переходная характеристика, построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения применен пропорциональный регулятор, рассчитан его коэффициент усиления и проведено экспериментальное исследование системы управления мощностью лазерного излучения с пропорциональным регулятором. В результате удалось достичь заданной точности (<2%) и практически в 2 раза уменьшить перерегулирование а.

5. Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения, определяемые способом управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации. Определено, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1-1,5 мм достигнуто 30-50% увеличение скорости резки.

6. Исследованы особенности управления мощностью лазерного излучения

при работе на новой газовой смеси. Определено, что пиковая мощность излучения

на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в

рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации, что связано с

протеканием плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Выбрана

оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения

частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания

плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом

23

на новой газовой смеси необходимо подавать импульсы ионизации частотой 740 Гц в течение 50 с. Модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении лазера и при полной замене газовой смеси. Время, отводимое системой управления для достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.

7. Проведено метрологическое исследование измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего (=10's с) термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС, которое позволяет непосредственно измерять мощность широкоапертурного (20-50 мм) высокоинтенсивного (до 1 кВт/см2) лазерного излучения. Проведенные исследования показали, что зеркало-приемник обладает линейной характеристикой в диапазоне мощности от 0 до 3 кВт и может быть использовано в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах:

1. Бойцов О.М., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н. Микропроцессорное устройство управления технологическим лазером «Лантан-3» // Материалы семинара «Современные методы автоматического контроля и регулирования технологических процессов», общество «Знание» РСФСР. - М.: Знание, 1988. - С. 142-146.

2. Бойцов О.М., Верин В.М., Генералов H.A., Зимаков В.П., Зотов В.П., Москалев B.C., Поденок С.Е., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Технологический лазер Лантан-3 - М.: ИПМ АН СССР, 1989. - Препринт № 407. -38 с.

3. Бойцов О.М., Дятлова O.E., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н. Микропроцессорное устройство управления технологическим лазером «Лантан-3»

// Первая межд. конф. молодых ученых "Приоритетные направления в научном приборостроении". Тезисы докладов. - Л.: Изд. НТО АН СССР, 1990. - С. 59.

4. Пат. 75791 Россия, МПК H01S 3/00. Система управления лазером / А.Н. Шемякин, М. Ю. Рачков. - Опубл. 20.08.2008.

5. Рачков М.Ю., Шемякин А.Н. Развитие методов диагностирования систем управления лазерами // Сб. Межд. конф. по искусственному интеллекту. -Кацивели: Украина, 2008. - С. 195-199.

6. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Повышение надежности работы лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. - 2008. - № 2 (15). С. 27-35. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

7. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Выбор способа управления мощностью излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. - 2009. - № 3 (16). - С. 25-31.

8. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Якимов М.Ю. Измерение мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. - 2009. - № 2 (19). - С. 22-29. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

9. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Исследование мощности излучения технологического лазерного комплекса // Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения: Сб. научных докладов VIII Межд. научно-практической конф. - М.: МГИУ, 2009. - С. 91-94.

10. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Влияние амплитудного изменения мощности излучения на технологические возможности лазерного комплекса // 7-ая научно-техническая конф. по мехатронике, автоматизации и управлению. - Санкт-Петербург: ЦНИИ Электроприбор, 2010. - С. 424-427.

11. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния деградации рабочей смеси газов на мощность излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. — 2010. — № 3 (20). — С. 28-31.

12. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование характеристик мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом II Машиностроение и инженерное образование. - 2011. — № 1 (26). - С. 40-48. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

13. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния натекаяия воздуха в газовый контур на мощность излучения лазерного технологического комплекса. Часть 1.1/ Мехатроника, автоматизация, управление. - 2011. - К® 7. - С. 46-50. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

14. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Управление лазерным комплексом с учетом деградации рабочей смеси газов И 4-ая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления 11 Материалы 4-й Всероссийской мультиконференции. Т. 2. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 433-435.

15. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения лазерного технологического комплекса. Часть 2. // Мехатроника, автоматизация, управление. -2011.-№ 12.-С.45-51. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

Шемякин Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ

Автореферат

Подписано в печать 08.11.12 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 300

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ni; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 620-39-90 Отпечатано в типографии издательства МГИУ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Сравнительный анализ лазерных технологических комплексов.

§1.1. Назначение и особенности конструкции универсальных ЛТК.

§1.1.1. Преимущества двухкоординатных ЛТК с перемещением оптики и требования к ним.

§1.1.2. Сфера применения двухкоординатных ЛТК с перемещением детали и их основные ограничения.

§1.1.3. Анализ комбинированной конструкции гибридных двухкоординатных

§ 1.2. Сопоставление основных схем организации несамостоятельного тлеющего разряда.

§1.3. Сравнение приемников лазерного излучения.

§1.4. Рассмотрение методов повышения надежности систем управления.

Выводы.

ГЛАВА II. Система управления ЛТК с НТР.

§2.1. Исследование ЛТК с НТР как объекта управления.

§2.2. Система управления координатным столом и подсистема ввода файлов лазерной резки.

§2.3. Микропроцессорное устройство управления технологическим лазером с

§2.4. Система управления ЛТК с НТР с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями.

Выводы.

ГЛАВА III. Управление мощностью излучения ЛТК с НТР.

§3.1. Способы управления мощностью излучения ЛТК с НТР.

§3.2. Измерение мощности излучения ЛТК с НТР.

§3.2.1. Экспериментальное исследование.

§3.2.2. Обработка результатов эксперимента.

§3.3. Исследование временных характеристик мощности излучения JITK с НТР

§3.3.1. Схема измерительного эксперимента.

§3.3.2. Результаты эксперимента и их обработка.

§3.3.3. Влияние амплитудного изменения мощности лазерного излучения на технологические возможности JITK с НТР.

§3.4. Исследование особенностей управления мощностью лазерного излучения

JITK с НТР при работе на новой газовой смеси.

§3.4.1. Схема измерительного эксперимента.

§3.4.2. Результаты эксперимента и их обработка.

§3.4.3. Алгоритмы работы системы управления при включении JITK с НТР и при полной замене газовой смеси.

§3.5. Исследование автоматической системы управления мощностью излучения

ЛТК с НТР.

§3.5.1. Экспериментальное получение переходной характеристики, построение модели, оценка переходного процесса и определение передаточной функции объекта управления.

§3.5.2. Определение параметров регулятора и экспериментальная проверка полученных результатов.

Выводы.

ГЛАВА IV. Методика и средства повышения надежности и расширения диагностических возможностей системы управления ЛТК с НТР.

§4.1. Блок диагностирования аварийных ситуаций системы управления ЛТК с НТР.

§4.2. Исследование влияния натекания воздуха в газовый контур лазера на мощность излучения ЛТК с НТР.

§4.2.1. Схема измерительного эксперимента.

§4.2.2. Предварительная обработка результатов эксперимента.

§4.2.3. Влияния натекания воздуха на параметры лазерного излучения.

§4.2.4. Влияния натекания воздуха на эмпирическое среднее значение мощности лазерного излучения при оптимальной частоте импульсов ионизации.

§4.2.5. Метод диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК с НТР

Выводы.

История создания лазера насчитывает около пятидесяти лет, но за это время ученые и инженеры прошли большой путь от фундаментальных научных исследований до разработки разнообразного лазерного оборудования, которое широко применяется в современном мире в различных областях человеческой деятельности: машиностроении, металлообработке, приборостроении, электронике, телекоммуникациях, медицине и науке. По данным ежегодного обзора лазерного рынка журнала Laser Focus World объем продаж мирового рынка лазеров в 2011 году достиг 7,46 млрд. долларов [1].

Данная работа посвящена системе управления лазерным технологическим комплексом (ЛТК), который оснащен мощным газовым лазером на углекислом газе (С02-лазером). Комплекс предназначен для резки, сварки и модификации поверхности различных материалов.

Обработка материалов в промышленности является одной из важнейших областей применения лазеров. Так, например, объем продаж лазеров для обработки материалов составил 26% общего объема продаж всех лазеров, выпущенных в 2011 году [1]. На долю С02-лазеров приходится 68% лазеров, применяемых для обработки материалов [2]. В промышленности широко применяются два типа С02-лазеров: лазеры с диффузионным охлаждением газовой смеси и лазеры с быстрой прокачкой газовой смеси в процессе работы. По данным [3] объем продаж лазеров с быстрой прокачкой составил 90,9%, а диффузионных лазеров - 9,1% от общего объема продаж С02-лазеров (5500 С02-лазеров с быстрой прокачкой и 19050 диффузионных лазеров). Необходимо отметить, что основную долю рынка диффузионных лазеров занимают маломощные лазеры, которые используются в комплексах для маркировки и гравировки материалов.

Приведенные цифры свидетельствуют о том, что по объему продаж ЛТК на базе С02-лазеров с быстрой прокачкой занимают лидирующее положение в сфере лазерной обработки материалов.

В качестве объекта управления ЛТК представляет собой сложную техническую систему, состоящую из таких разнородных подсистем как вакуумный газовый контур с устройством прокачки и системой газообмена, высоковольтные источники питания основного разряда и ионизации, разрядная камера с оптическим резонатором, системы водяного охлаждения, электроавтоматики и электроники. Поэтому система управления должна обладать повышенной надежностью для обеспечения безаварийной и безопасной работы ЛТК и расширенными диагностическими возможностями для своевременного выявления неисправностей в работе его подсистем. Однако известные системы управления, например, SINUMERIK 840D SL фирмы Siemens, которая управляет ЛТК фирмы Trumpf, в случае отказа или сбоя в работе обеспечивают только аварийную блокировку и перевод управляющих выходов в безопасное состояния

4].

Поэтому необходимым условием для использования ЛТК на производстве является их автоматизация на базе систем управления с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями.

Лазерный комплекс, рассматриваемый в работе, состоит из С02-лазера с несамостоятельным тлеющим разрядом (НТР) и координатного стола. Основной отличительной особенностью этого комплекса является использование лазера с НТР.

В основе лазера с НТР лежит оригинальный способ организации тлеющего разряда в камере большого объема - несамостоятельный тлеющий разряд с импульсной емкостной ионизацией [5]. Такой способ организации разряда позволяет легко управлять мощностью лазерного излучения, обеспечивает высокую оптическую однородность и стабильность разряда, а, следовательно, и высокое качество излучения.

Целью исследования является повышение надежности и расширение диагностических возможностей системы управления и технологических возможностей ЛТК с НТР, заключающееся в увеличении ряда обрабатываемых материалов, их толщин и скорости лазерной обработки.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка системы управления ЛТК с НТР со средствами повышения надежности и расширенными диагностическими возможностями.

2. Разработка методики повышения надежности системы управления ЛТК с НТР, позволяющей выявить отказ или сбой в ее работе.

3. Разработка методики диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК с НТР.

4. Исследование и реализация в автоматическом режиме способа управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации.

5. Определение влияния выбранного способа управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации на технологические возможности ЛТК с НТР.

6. Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов и их статистический анализ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты работы

1. Разработана и реализована методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - автоматически восстановить управление лазерным комплексом.

2. Для расширения диагностических возможностей системы управления исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения ЛТК с НТР. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности , приводя к его снижению. Выяснено, что наиболее равномерное и сильное уменьшение мощности происходит при частоте импульсов ионизации составляющей 1540 Гц во время начального натекания при парциальном давлении-воздуха до 0,1 мм рт. ст. На основании проведенных исследований предложен метод диагностики натекания воздуха в газовый контур лазера с НТР. По сравнению с существующим методом время диагностики сокращается на порядок.

3. Исследован и реализован в автоматическом режиме способ управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации, что расширяет его технологические возможности, позволяя организовать работу комплекса, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью и длительностью импульсов и обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой.

4. В результате исследования системы управления мощностью излучения ЛТК с НТР экспериментально получена переходная характеристика, построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения применен пропорциональный регулятор, рассчитан его коэффициент усиления и проведено экспериментальное исследование системы управления мощностью лазерного излучения с пропорциональным регулятором. В результате удалось достичь заданной точности (<2%) и практически в 2 раза уменьшить перерегулирование <т.

5. Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения, определяемые способом управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации. Определено, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1-1,5 мм достигнуто 30-50% увеличение скорости резки.

6. Исследованы особенности управления мощностью лазерного излучения при работе на новой газовой смеси. Определено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации, что связано с протеканием плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом контуре лазера. Определено, что для перехода лазера в рабочий режим при работе на новой газовой смеси необходимо подавать импульсы ионизации частотой 740 Гц в течение 50 с. Модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении лазера и при полной замене газовой смеси. Время, отводимое системой управления для достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.

7. Проведено метрологическое исследование измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего (~10"5 с) термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС, которое позволяет непосредственно измерять мощность

•у широкоапертурного (20-50 мм) высокоинтенсивного (до 1 кВт/см ) лазерного излучения. Проведенные исследования показали, что зеркало-приемник обладает линейной характеристикой в диапазоне мощности от 0 до 3 кВт и может быть использовано в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.

Результаты выполненной работы нашли широкое практическое применение в промышленности. Технологический лазер «Лантан-3» с разработанной системой управления, входящий в состав ЛТК с НТР, серийно выпущен на НПО «РОТОР», г. Черкассы и на Ижевском механическом заводе, г. Ижевск. ЛТК с НТР были установлены на МКБ «Факел», г. Химки, НПО им. С. А. Лавочкина, г. Химки, й авиационном ремонтном заводе, г. Старая Русса, НИАТе, г. Москва, ИПМех РАН, г. Москва.

В настоящее время Ижевский механический завод готовит к выпуску модернизированный вариант разработанного лазера с НТР «Лантан-3».

Три ЛТК с НТР успешно работают на фирме «ЛАНТАН ЛАЗЕР», г. Москва. Один комплекс используется для резки конструкционной и нержавеющей стали, латуни и алюминиевых сплавов. Два комплекса применяются для резки фанерных заготовок штанцевых форм.

Многолетнее практическое применение системы управления ЛТК с НТР показало ее высокую надежность, широкие диагностические возможности и удобство эксплуатации в промышленных условиях.

Автор благодарен покойному члену-корреспонденту РАН H.A. Генералову за внимание к работе, д.ф.-м.н. Н.Г. Соловьеву за многочисленные полезные обсуждения основных аспектов автоматизации лазерного комплекса и активное участие в проведении экспериментов, д.ф.-м.н. М.Ю. Якимову за непосредственное участие в проведении эксперимента по измерению характеристик термоэлектрического зеркала-приемника с анизотропией термоЭДС, к.ф.-м.н. А.Ю. Кедрову за полезные обсуждения и советы по электронике, покойному ведущему инженеру В.М. Верину за практическое участие в автоматизации лазера «Лантан-3» на различных этапах работы, О.М. Бойцову за создание программного обеспечения микропроцессорного устройства управления, главному конструктору B.C. Москалеву за разработку конструкции пульта управления, начальнику производства ООО «ЛАНТАН ЛАЗЕР» М.В. Прокопову за техническое сопровождение и помощь в проведении экспериментов на лазере «Лантан-3», а также всем сотрудникам лаборатории лазерных разрядов за помощь и поддержку работы на разных этапах ее выполнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. ANNUAL REVIEW AND FORECAST: Economic aftershocks keep laser markets unsettled / G. Overton, T. Hausken, D.A. Belforte etc. // Laser Focus World. -2012. V. 48. - № 1.

2. Belforte D.A. 2010 Annual Economic Review and Forecast // Industrial Laser Solutions. 2011. - V. 46. -№ 1.

3. Kincade K., Anderson St.G. LASER MARKETPLACE 2008: Innovation opens the door for next wave of success // Laser Focus World. 2008. - V. 44. - № 1.

4. SINUMERIK 840D. Версия программного обеспечения 4. Проектирование NCU 571-573. Руководство. АО SIEMENS AG, 1997.

5. Метод существенного повышения предела стабильности разряда в быстропроточных лазерах большого объема / Н.А. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин и др. // Письма в ЖТФ. 1975. - Т. 1. - В. 9. - С. 431-435.

6. Технологические лазеры. Справочник. В 2 т. / под общ. ред. Г.А. Абильситова. М.: Машиностроение, 1991. - Т. 2. - 544 с.

7. New Products. Laser Cell // Industrial Laser Solutions. 2002. - № 8.

8. SCHULER PRESSES, Laser Notchmaster for flexible production of rotor and stator laminations. SCHULER PRESSEN GMBH & CO. KG.

9. News story from: Emag Lasertec, Laser cell assembles and welds automotive parts // Manufacturingtalk. 2004. - № 9.

10. Rofin Laser Macro Group, C02 SLAB LASERS // PHOTONICS SPECTRA. 2004. - № 2.

11. Product Showcase: Laserpowder fusion welder // Aerospace Engineering. -2000. № 6.

12. Lacent lands airbag technology contract I I CANADA FOCUS. 2003. - Vol. 11. - № 18.

13. The reality of remote laser welding // Industrial Laser Solutions. 2004 - №2.

14. On a clear day you can see the Alps // Industrial Laser Solutions. 2004 - №6.

15. Интервью // ГАРТ GRAPHIC ARTS NEWS. 2004. - № 6. - C. 16-18.

16. News story from: Schuler Presses UK, Laser welding to make aircraft structures lighter. // Manufacturingtalk. 2004. - № 11.

17. Rotzer I. Laser-beam welding makes aircraft lighter // Fraunhofer magazine. -2005.-№ 1.

18. New Products. Cutting systems // Industrial Laser Solutions. 2005. - № 4.

19. Bailey M. Software drives the laser // Industrial Laser Solutions. 2004. - №5.

20. Новая продукция: TRUMPF TLC CUT 5: Простая ЗБ-обработка // TRUMPF EXPRESS. 2004. - № 5.

21. New Products. Five-axis welding // Industrial Laser Solutions. 2005. - № 6.

22. David A. B. Entering a new manufacturing age // Industrial Laser Solutions. -2002. № 8.

23. New C02-Laser Robot with Increased Power // Robotics Online. 2004. - №1.

24. New Products. High-power laser/robot // Industrial Laser Solutions. 2004.10.

25. David A.B. Celebrating in distant locales // Industrial Laser Solutions. 2004. -№ 12.

26. TRUMPF hits milestone // Industrial Laser Solutions. 2004 -№11.

27. TruLaser серии 3000. Электронный ресурс. URL: http://www.ru.trumpf.com (дата обращения: 25.10.2011).

28. TruLaser серии 5000. Электронный ресурс. URL: http://www.ru.trumpf.com (дата обращения: 25.10.2011).

29. TRUMATIC L 3050 with TLF 6000 Laser: Rapid positioning, rapid cutting // TRUMPF EXPRESS. 2004 - № 10.

30. TLF versus TCF: Where is the trend heading in the field of laser cutting // TRUMPF EXPRESS. 2004. - № 10.

31. Engel M. The backbone of production // Industrial Laser Solutions. 2005.5.

32. News Release from: Bystronic Laser AG, Highspeed laser cutting of large sheets // Manufacturingtalk. 2005. - № 1.

33. News Release from: LVD (UK), Laser profiling machine can be fully automated // Engineeringtalk. 2001. - № 10.

34. Laser Carves More Profit for Job Shop // Forming & Fabricating. 2002. -Vol. 9. - №. 2.

35. News Release from: Prima Industrie UK, CNC profiling speeds, accelerations doubled // Manufacturingtalk. 2002. - № 5.

36. News Release from: Prima Industrie UK, Flat bed laser doubles up on cutting speed // Manufacturingtalk. 2005. - № 7.

37. Laser Cutting in XXL // TRUMPF EXPRESS. 2005. - № 4.

38. Мурашов П. Прогресс двигают творцы // Шатурский вестник. -07.06.2005.

39. Грязев А.Н. Качество оборудования определяет эффективность сервисного обслуживания // Эксперт Оборудование: рынок, предложение, цены. -2002.-№ 12.

40. Выставка «МЕТАЛЛООБРАБОТКА-2004» // Комплект: ИТО. 2004.

41. News Release from: LVD (UK), Latest sheet metal working tools go on show // Manufacturingtalk. 2005. - № 6.

42. Herzfeld R. Quick QC // Industrial Laser Solutions. 2003. - № 7.

43. New Products. Mazak Adds High-Speed Laser // MetalCenter News. 2004. -№ 12.

44. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Физические основы технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1987. - 190 с.

45. Электроионизационный СОг-лазер замкнутого цикла непрерывного действия / Н.Г. Басов, И.К. Бабаев, В.А. Данилычев и др. // Квантовая электроника. 1979. - Т. 6. -№ 4. - С. 772-781.

46. Мощный быстропроточный СС>2-лазер непрерывного действия с накачкой комбинированным разрядом / А.П. Беляев, P.A. Дмитерко, В.А. Епишов и др. // Письма в ЖТФ. 1979. - Т. 5. - В. 6. - С. 325-328.

47. Генералов H.A. Исследование неравновесных состояний газовой среды, возникающих под действием ударных волн, тлеющего разряда и мощных световых импульсов: дис. . докт. физ.-мат. наук. М., 1981. - 298 с.

48. Справочник по лазерам. В 2 т. / под ред. акад. A.M. Прохорова. М.: Советское радио, 1978. - Т. 2. - 400 с.

49. Соловьев Н.Г. Экспериментальное исследование несамостоятельного тлеющего разряда в скоростном потоке газа и создание технологического СО2-лазера на замкнутом цикле: дис. . канд. физ.-мат. наук. М., 1986. - 169 с.

50. Кременчугский Л.С. Современные тепловые приемники излучения // ПТЭ. 1970. -№ 3. - С. 12-33.

51. Новые термоэлементы и болометры / А.Ш. Берман, Л.П. Буйко, И.М. Весельницкий и др. // В кн.: Фотометрические измерения и их метрологическое обеспечение. Ротапринт ВНИИОФИ, 1974. - С. 19-20.

52. Кременчугский Л.С., Шульга А.Я. Лазерные пироэлектрические приемные устройства Киев: Институт физики АН УССР, 1979. - Препринт. - 29 с.

53. Преобразователь мощности лазерного излучения ТИ-5А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КРПГ.433648.001 ТО. Фрязино Московской обл.: ГНПП «ИСТОК», 1993. - 12 с.

54. Андреев В.И., Грановский А.Б., Яковлев В.А. Малоинерционный неохлаждаемый приемник импульсного лазерного излучения // Квантовая электроника. 1985. - Т. 12. - № 6. - С. 1295-1296.

55. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики. -М.: Энергоиздат, 1981. 320 с.

56. Боллард Д.Р. Проектирование сверхнадежных микропроцессорных, систем // Электроника. 1979. - Т. 52. - № 1. - С. 73-80.

57. Уильяме Г.Б. Отладка микропроцессорных систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.-253 с.

58. Контроль и исправление ошибок в многоразрядных устройствах памяти // Электроника. 1982. - Т. 55. - № 11. - С. 52-74.

59. Балакин В.Н., Барашенков В.В., Усачев Ю.Е. Проектирование системы самодиагностирования управляющей микропроцессорной системы // Управляющие системы и машины. 1984. -№ 2. - С. 39-43.

60. Гладштейн М.А., Комаров В.М., Шубин Н.А. Простой метод повышения надежности функционирования микропроцессорных систем управления // Приборы и системы управления. 1987. - № 4. - С. 5-6.

61. Горюнов Г.В. Микроконтроллеры NEC с повышенными требованиями к надежности // Электронные компоненты. 2005. - №7. - С. 67-70.

62. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. I. Конструкция и эксперимент / H.A. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин и др. // Физика плазмы. 1977. - Т. 3. - В. 3. - С. 626-633.

63. Стационарный несамостоятельный разряд с ионизацией безэлектродными импульсами в лазере на замкнутом цикле. II. Теория емкостного разряда / H.A. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин и др. // Физика плазмы. -1977. Т. 3. - В. 3. - С. 634-643.

64. Исследование несамостоятельного тлеющего разряда и генерации в быстропроточных лазерных устройствах. Итоговый отчет / H.A. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин и др. М.: ИПМ АН СССР, 1980. - № 78055483. - 148 с.

65. А. С. 615795 СССР, МКИ3 HOIS 3/22. Способ получения непрерывного тлеющего разряда / H.A. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин и др.. Опубл. 21.03.1978.

66. Бойцов O.M., Верин B.M., Генералов H.A., Зимаков В.П., Зотов В.П., Москалев B.C., Поденок С.Е., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю. Технологический лазер Лантан-3 М.: ИПМ АН СССР, 1989. - Препринт № 407. -38 с.

67. Соловьев Н.Г. Разработка физических основ и создание мощных технологических С02-лазеров с высококачественным быстро управляемым излучением: дис. докт. физ.-мат. наук. М., 2004. - 244 с.

68. Основные принципы построения микропроцессорных систем управления технологическими лазерами и лазерными технологическими комплексами / Г.А. Абильситов, B.C. Голубев, В.Г. Гонтарь и др. Троицк: НИЦТЛАН СССР, 1984. - Препринт № 6. - 22 с. , , |11 I

69. Хвощ С.Т., Варлинский H.H., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - 640 с.

70. Диденко К.И., Гозен Ю.В. Микро-ДАТ. Принципы построения. Основные параметры и характеристики // Приборы и системы управления. 1985. -№ 1.-С. 5-8.

71. Шереметьевский H.H., Долкарт В.М. Магистрально-модульные микросредства управляющей вычислительной техники // Микропроцессорные средства и системы. 1984. - № 2. - С. 24-27.

72. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2 т. М.: Мир, 1984. -Т. 2. - 590 с.

73. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Выбор способа управления мощностью излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. 2009. - № 3 (16). - С. 25-31.

74. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 7. Лазерная резка металлов: Учеб. пособие для вузов / под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Высш. шк., 1988. - 127 с.

75. Термоэлектрическое зеркало-приемник лазерного излучения / В.Н. Глебов, В.М. Мананков, A.M. Малютин и др. // Известия РАН. Серия физическая. 1993. - Т. 57. - № 12. - С. 167-169.

76. Пат 2031377 РФ, МІЖ G01J5/12. Термоэлектрический приемник излучения / В.Н. Глебов, A.M. Малютин. Опубл. 20.03.1995.

77. Хальд А. Математическая статистика с техническими приложениями. -ИЛ, 1956.-664 с.

78. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.-192 с.

79. ГОСТ Р ИСО 11554 2008. Методы испытаний лазеров и измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка. - М.: Стандартинформ, 2008. - 13 с.

80. Дьяконов В.П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 958 с.

81. Schwarzenbach A.P., Hunziker U.W. Industrial CO2 laser with high overall efficiency // High power CO2 Laser Systems and Applications: Proc. SPIE, 1988. V. 1020.-P. 43-48.

82. ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 11 с.

83. Лазерная резка. Источники лазерного излучения. Электронный ресурс.1. URL:http://www.bystronic.m/cuШngandbendmg/ru/ru/products/laser/bylaser/index.php (дата обращения: 21.12.2010).

84. Cut Calculator. Электронный ресурс. URL: http://www.prclaser.com/calculator.shtml (дата обращения: 21.12.2010).

85. International standard ISO/DIS 11146. Optics and optical instruments, Lasers and laser related equipment, test methods for laser beam parameters: Beam widths, divergence angle and beam propagation factor. 1995.

86. Получение и применение высококачественных негауссовых пучков мощных технологических СОг-лазеров / Н.А. Генералов, М.И. Горбуленко, В.П. Зимаков и др. // Известия РАН. Серия физическая. 1997. - Т. 61. - № 8. - С. 1554-1559.

87. Клоповский К.С., Лопанцева Г.Б., Старостин А.Н. Химические процессы в плазме несамостоятельного разряда С02-лазера // Химия высоких энергий. 1978. -Т. 12.-№5.-С. 448-455.

88. Якимов М.Ю. Экспериментальное исследование физико-химических процессов в лазерных разрядах в потоке молекулярных газов: дис. . канд. физ.-мат. наук. М., 1990. - 247 с.

89. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния деградации рабочей смеси газов на мощность излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. 2010. - № 3 (20). - С. 28-31.

90. Трэвис Дж., Кринг Дж. Lab VIEW для всех. М.: ДМК Пресс, 2008.800 с.

91. Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. - 536 с.

92. Лазер газовый технологический комбинированного действия ЛГТ-2.02 УХЛ4.2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИЕГВ 433713.001 ТО. Ленинград: ВНИИЭСО, 1988. - Ч. 1. - 125 с.

93. Оришич A.M., Фомин В.М. Актуальные проблемы физики лазерной резки металлов: Монография. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2011. - 192 с.

94. Востриков A.C., Французова Г. А. Теория автоматического регулирования: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2004. - 365 с.

95. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. 3-е изд., испр. - М.: Наука, 1975. - 768 с.

96. Математические основы теории автоматического регулирования. / под ред. Б.К. Чемоданова. 2-е изд., доп. -М.: Высшая школа, 1977. - Т. 2. - 455 с.

97. TruFlow lasers with up to 10000 Watts. Technical data. Электронный ресурс. URL: http://www.trumpf-laser.com/en/products/co2-lasers/axial-flow-lasers/truflow-10000-w.html (дата обращения: 20.06.2012).

98. Пат. 75791 Россия, МПК H01S 3/00. Система управления лазером / А.Н. Шемякин, М. Ю. Рачков. Опубл. 20.08.2008.

99. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Повышение надежности работы лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. 2008. - № 2 (15). С. 27-35. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

100. Рачков М.Ю., Шемякин А.Н. Развитие методов диагностирования систем управления лазерами // Сб. Межд. конф. по искусственному интеллекту. -Кацивели: Украина, 2008. С. 195-199.

101. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-е изд., перераб. и доп. -Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. - 736 с.

102. Дьяконов В.П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 958 с.