автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления процессами лазерной термообработки деталей машиностроения на основе стабилизации рабочих режимов

На правах рукописи ПОРТНОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ

Специальности:

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

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 МДМ 2012

Набережные Челны- 2012 005044348

005044348

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Камской государственной инженерно-экономической академии» (ИНЭКА).

кандидат технических наук, доцент Звездин Валерий Васильевич

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Песошин Валерии Андреевич

Официальные оппоненты: Ильин Герман Иванович

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор ФГБОУ «КНИТУ - КАИ», зав. кафедрой «Радиоэлектронные и квантовые устройства»

Сабиров Ильдар Салихзянович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ «ИНЭКА», доцент кафедры «Автоматизация и информационные технологии»

Ведущая организация НТЦ «КамАЗ», г. Набережные Челны

Защита состоится «29» мая 2012г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.309.01 при ФГБОУ ВПО «ИНЭКА» по адресу: 423810, г. Набережные Челны, пр. Мира, 68/19.

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

Автореферат разослан «27» апреля 2012 года.

Научный руководитель: Научный консультант:

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.А. Симонова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития машиностроительного производства повышение эффективности и качества выпускаемых изделий возможно только при комплексном внедрении прогрессивных технологий и автоматизации технологических процессов. К ним относятся и лазерная технология.

В настоящее время промышленностью выпускаются лазерные установки, направленные на выполнение различных технологических процессов. Современные требования производства по использованию лазерных технологических комплексов приводят к необходимости их специализации. Специализация комплекса зависит от типа машиностроительного производства. Для единичного и мелкосерийного производства деталей машиностроения требуется универсальный лазерный технологический комплекс, способный выполнять различные операции. К ним относятся закалка, сварка, резка и т.д. Как показывают проведенные исследования, для каждого из этих видов технологического процесса свойственна своя группа показателей качества деталей, влияние параметров лазерного технологического комплекса на данные параметры разнообразно.

Использование лазерного излучения для достижения заданных показателей качества обработки различных технологических процессов изготовления деталей требует многогранности подходов к разработке систем управления лазерным технологическим комплексом, так как вид технологического процесса определяет показатели качества обработки деталей. Для закалки показателями качества являются: глубина упрочненной зоны, микротвердость, шероховатость поверхности. Для сварки это требуемая прочность, устойчивость к нагрузкам, отсутствие непроваров, прожигов и др. Для резки требуется обеспечить минимальную шероховатость поверхности детали, ее геометрию и максимальную экономическую эффективность технологического процесса в машиностроении.

Одним из важнейших преимуществ лазерного излучения как высокоэффективного инструмента обработки металлов является возможность варьирования его параметрами в широких пределах, что определяет высокую эффективность лазерной технологии с возможностью автоматизации процесса при высокой производительности в машиностроительном производстве.

Показатели качества обработки деталей зависят как от параметров лазерного технологического комплекса, к которым относятся плотность мощности излучения, скорость перемещения лазерного луча, температура зоны обработки, так и от физико-химических свойств металлов и окружающей среды зоны взаимодействия. Обеспечение стабильности свойств обработки требует применения в технологических процессах с лазерным инструментом систем автоматического управления.

Исследованиям в области лазерной термообработки металлов и автоматизации лазерных технологических комплексов в машиностроении посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Абильсиитов Г.А., Андри-яхин В.М., Веденов A.A., Велихов Е.П., Григорьянц А.Г., Гладуш Г.Г., Голубев B.C., Зуев И.В., Ильин Г.И., Кожевников Ю. В., Польский Ю.Е., Реди Дж., Рыкалин Н. Н. и др.

Проведенный анализ показывает, что создание обобщенных данных взаимосвязи показателей качества, свойств материалов, параметров лазерного технологического процесса на основе математической модели технологических процессов обработки материалов позволяет решить поставленную задачу. Для этого необходимо разработать алгоритмы управления на основе математических моделей процессов, информационно-управляющую систему для анализа динамики и расчета управляющих воздействий лазерного технологического комплекса.

Эмпирически полученные зависимости показателей качества технологических процессов от параметров лазерного технологического комплекса приближенно соответствуют практическим. Существующие аналитические модели либо весьма упрощены, либо сложны и решаются с применением численных методов. Упрощение приводит к определенной погрешности в задачах формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства. Поэтому теоретический анализ и экспериментальные исследования влияния элементов и устройств систем управления лазерным технологическим комплексом на стабильность рабочих режимов весьма актуальны.

Диссертация выполнена в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по теме «Разработка и исследование лазерно-плазменной установки и гибридной технологии обработки» ГК № 14.740.11.0823 от 01 декабря 2010 года.

Объект исследования технологический процесс лазерной термообработки, элементы и устройства лазерных технологических комплексов для машиностроительных предприятий со специфическими требованиями к типу и качеству изделий машиностроения.

Предмет исследования - лазерные технологические комплексы в машиностроении, управляемые на основе прямых и косвенных информативных параметров, измеряемых в реальном времени хода технологического процесса.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов лазерной термообработки путем стабилизации рабочих режимов для получения заданных показателей качества деталей с разработкой системы автоматического управления универсальным лазерным технологическим комплексом за счет оптимизации мощности лазерного излучения.

Научная задача диссертационной работы заключается в разработке новых подходов совершенствования технологического процесса лазерной термообработки и принципов построения эффективной системы автоматического управления на основе экспериментальных и теоретических исследований влияния мощности лазерного излучения на изменение рабочих режимов.

Для достижения поставленной цели и решения научной задачи сформулированы следующие основные вопросы диссертационного исследования:

- анализ математической модели процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе энергетического баланса при различных параметрах технологических процессов в машиностроительном производстве;

- разработка способов измерения информативных параметров из зоны термообработки и структуры системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом для повышения точности управления;

- исследование эффективности предложенных алгоритмов работы системы автоматического управления технологическими процессами на базе универсального лазерного технологического комплекса и оптимизации структуры, основанной на измерении в реальном времени информативных параметров из зоны обработки для стабилизации рабочих режимов.

- анализ схемотехнического построения лазерных технологических комплексов в машиностроении;

- определение факторов, вносящих основной вклад в получение заданных показателей качества лазерной резки, сварки и закалки;

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использованы методы математического и имитационного моделирования, теории автоматического управления, системного анализа. Экспериментальные исследования по взаимодействию лазерного излучения с металлами проводились на лазерном технологическом комплексе «Хебр 1500» с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ MathCAD 14 и Excel.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке системы управления технологического процесса лазерной термообработки универсальным лазерным комплексом для стабилизации параметров рабочих режимов лазерной резки, сварки и закалки за счет оптимизации мощности лазерного излучения. Новыми научными результатами, выносимыми на защиту, являются:

- способ контроля технологических процессов лазерной сварки и закалки в зоне обработки на основе интерполяции полученных значений температуры вне зоны обработки, что исключает влияние плазменного факела на погрешность измерения в зоне обработки и повышает воспроизводимость заданных показателей качества (05.13.06);

- метод управления технологическим процессом лазерной резки на основе измерения косвенного параметра - величины вылета плазменного факела из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом в реальном време-

ни, позволяющий учитывать все виды энергий зоны лазерной термообработки металлов, что повышает экономическую эффективность производства (05.13.06);

- совершенствование звеньев системы автоматического управления универсальным лазерным технологическим комплексом для реализации заданного технологического процесса с формированием управляющего воздействия со стабилизацией параметров рабочих режимов, отличающаяся кошуром регулирования мощностью лазерного излучения на основе измерения величины вылета плазменного факела и контуром интерполяции трех измеренных значений температуры в зоне обработки (05.13.05).

Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов совершенствования технологического процесса лазерной термообработки и схемотехнических основ построения лазерных технологических комплексов. Это подтверждается:

- методами измерения информативных параметров из зоны термообработки (температуры и величины вылета плазменного факела) и системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом;

- функциональными схемами систем управления лазерными комплексами для реализации заданной модели технологического процесса в условиях гибкой производственной системы машиностроительного производства;

- экспериментальными данными влияния изменения мощности лазерного излучения на показатели качества лазерной термообработки металлов.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы на предприятиях ООО «ПФ Стипь-А» (г. Набережные Челны), ЗАО «НПО «Оптоойл» (г. Казань), в учебном процессе ИНЭКА и КНИТУ им. А. Н. Туполева, о чем свидетельствуют акты об использовании результатов работы.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа современного состояния исследований в области разработок лазерных технологических комплексов; корректностью выбора исходных допущений и ограничений при решении оптимизационных задач; строгостью использования современного математического аппарата при формализации исследуемой задачи и ее решения; корректным применением широко применяемых и хорошо апробированных практикой и экспериментом методов технологии машиностроения; удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных; публикацией и апробацией основных положений работы на международном, всероссийском и отраслевом уровнях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и симпозиумах: «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань 2007 г.), «Образование и наука производству» (ИНЭКА -г. Набережные Челны, 2010 г.), «Технология ремонта, восстановления и

упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (г. Санкт-Петербург, 2011); всесоюзных, всероссийских конференциях и симпозиумах: «Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» (СВГУ - г.Магадан, 2011), «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (г.Воронеж, 2011); межрегиональных научно-практических конференциях: «Студенческая наука в России на современном этапе» (ИНЭКА - г. Набережные Челны, 2008 г.), «Камские чтения» (ИНЭКА -г. Набережные Челны, 2009 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 21 научном труде, из них 3 в рецензируемых научных журналах и изданиях.

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит в выборе и обосновании методики моделирования, разработке системы автоматического управления и проведении экспериментальных исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении полученных данных.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и списка литературы. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 28 таблиц, список литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введешш обоснована актуальность проводимых в диссертации исследований. Дана краткая характеристика работы, сделан обзор и сформулированы цель и основные вопросы исследования, показаны пути решения поставленной задачи. Приведены основные научные результаты, отражающие новизну и практическую ценность работы. Очерчен круг вопросов, рассматриваемых в диссертации.

В первой главе проведен патентно-информационный обзор по автоматизации лазерных технологических комплексов (ЛТК) для термообработки металлов в машиностроении с выявлением их особенностей и недостатков, изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи.

Динамику процесса взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с металлом можно разделить на четыре стадии (рисунок 1). Известно, что изменение плотности мощности излучения влияет на характер физико-химических процессов, происходящих в зоне взаимодействия, что приводит к изменению качественных показателей детали. Основными показателями качества технологического процесса (ТП) закалки являются микротвердость, глубина и шероховатость. В зависимости от требований к детали основным показателем качества может выступать как микротвердость, так и шероховатость или глубина термообработки. В случае работы детали на истирание основным показателем качества является микротвердость. Микротвердость закаленного

слоя зависит от скорости нагрева, времени выдержки при температуре закалки для растворения углерода в структуре железа, температуры зоны обработки и скорости охлаждения. Скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения в основном зависят от мощности ЛИ и габаритно-весовых характеристик детали, которые заданы, а стабилизация мощности ЛИ осуществляется за счет введения местной отрицательной обратной связи. Следовательно, основной задачей является разработка структурной схемы системы автоматического управления (САУ) ЛТК с отрицательной обратной связью по информативным параметрам зоны лазерной термообработки.

а) б) в) г)

Рисунок 1. Процессы лазерной термообработки металла лазерным излучением: а) нагрев без изменения фазового состояния; б) плавление и испарение; в) ионизация испаряемого вещества и образование плазмы; г) удаление расплавленного металла

Для сварки показателями качества являются точность позиционирования ЛИ относительно стыка, отсутствие непроваров, раковин, прожигов, ширина сварного шва и его шероховатость.

Для резки металлов показателями качества являются ширина реза, оптимальность перемещения ЛИ по заготовке, мощность ЛИ, которые определяют экономическую эффективность производства. Оптимальность раскроя обеспечивается программно, а оптимальное значение мощности ЛИ можно определить за счет измерения величины вылета факела из зоны реза. Для этого требуется оптико-электронное устройство, определяющее данный параметр.

Одной из основных задач разработки САУ является выбор критерия оценки параметров, характеризующих качество ТП.

При выборе оптимальной стратегии построения САУ ЛТК следует исходить из временных и аппаратных затрат, информативности измеряемых параметров, физической реализуемости процесса измерения и т.д. Поэтому задача оптимизации построения САУ является многокритериальной, а противоречивость требований, предъявляемых к ним, обуславливает постановку задачи оптимизации как многоэкстремальную, с учетом ограничений и недостаточности информативности параметров ТП.

При описании оптимизирующих алгоритмов используем стандартные формы представления задач. В частности, вводим некую универсальную форму, подходящую для большинства задач, встречающихся на практике.

6

При разработке системы управления необходимо обеспечить минимум экономических затрат на ТП в заданном динамическом диапазоне изменения его параметров и требуемые показатели качества. Несмотря на все разнообразие критериев оценки качества САУ, их можно свести к целевой функции, которая отражает наилучшее приближение её характеристик к выполнению требуемых показателей качества ТП.

В настоящее время лазерная термическая обработка сталей получила широкое распространение как эффективный способ упрочнения деталей машин и инструментов, что приводит к существенному улучшению эксплутационных свойств. Специфические условия лазерной термообработки (высокая концентрация энергии на обрабатываемой поверхности, широкий диапазон регулирования времени воздействия лазерного излучения) создают предпосылки для реализации структурных особенностей, не достижимых при обычной объемной термообработке сталей.

Лазерная сварка производится на воздухе, в гелии, аргоне, углекислоте и др. в различных пространственных положениях. С помощью оптических систем излучение можно передавать в труднодоступные места.

Поглощение световой энергии металлом зависит как от состояния его поверхности, так и от поглощателыюй способности.

Высокая плотность мощности сфокусированного ЛИ позволяет практически все металлы довести не только до расплавленного состояния, но и до кипения. Это позволяет использовать ЛИ для сварки тугоплавких металлов.

Процесс лазерной резки заключается в удалении расплавленного металла за счет дополнительно подаваемого вспомогательного газа. В результате образуется узкий рез. При использовании кислорода в качестве вспомогательного газа скорость резки и качество обработанного изделия увеличивается.

Основным параметром, с помощью которого возможно регулирование показателей качества ТП, является изменение плотности мощности лазерного излучения. Исследования показывают, что при таком ТП, как резка, уменьшение избыточной мощности в процессе обработки не приводит к существенному повышению шероховатости поверхности, являющегося показателем качества реза.

Во второй главе изложены основные параметры, влияющие на показатели качества ТП лазерной термообработки. Исследован косвенный информативный параметр величины вылета плазменного факела металла при газолазерной резке в зоне обработки.

Для проектирования ТП и выбора режимов обработки металлов необходимо знание основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих данный процесс в машиностроении. Зависимость показателей качества от параметров ЛТК и характеристик детали представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры, влияющие на показатели качества ТП

Лазерное излучение Оптическая система Обрабатываемая заготовка Внешние факторы

Электрические параметры Коэффициент пропускания Шероховатость, толщина Плазменный факел

Состав активного вещества Коэффициент отражения Поглощающее покрытие Химический состав газовой среды

Температура активного вещества в резонаторе Температурная деформация Температура поверхности металла при обработке Давление вспомогательного газа

Процентное содержание примесей в основных газах Вибрация Физические свойства металла Процентное содержание примесей вспомогательного газа

Модовый состав лазерного излучения Фокусное расстояние Химический состав металла Направление потока вспомогательного газ

Процесс воздействия ЛИ на металлы при газолазерной резке (ГЛР) можно описать уточненным уравнением баланса энергий:

где ((',„, - энергия подводимого ЛИ в зону обработки; - энергия над-

дува газа; = Ет\НЪ - выделяемая энергия от окислительных процессов, Ет~суТп1, где су - объемная теплоемкость, 7'„, - температура плавления, И -толщина образца, Ь - ширина реза, у - скорость резки; 1У„гтЛт - энергия светового давления; = су(Т)^+с1Ш' - энергия, затрачиваемая на плавление металла, где IV = -Ат(Т)§гас1Т - тепловой поток, I, - коэффициент теплопроводности; ~0,05-1У,ш - энергия, затрачиваемая на возбуждение атомов и молекул металла; 1У„„^Ж ~ 0,3 ■ IV.,,, - отраженная энергия из зоны взаимодействия ЛИ с металлом, Н\]1М - энергия химических реакций в зоне обработки, 1У„гт„„, - энергия, теряемая на оптике; - потери энергии на факеле.

Использование системы уравнений, получаемых из уравнения баланса энергий (1), для расчета управляющих воздействий приводит либо к снижению быстродействия управления, либо к большой ошибке регулирования. Для повышения достоверности и быстродействия предлагается сочетать традиционный способ управления с управлением по величине «вылета» факела. Такой способ управления косвенно позволяет учесть влияние всех подводимых и расходуемых энергий на точность регулирования, не снижая быстродействия регулятора.

Исследование взаимодействия мощности ЛИ с обрабатываемым металлом при газолазерной резке проводилось на С02 ЛТК Хебр 1300. Изменяя мощность ЛИ (модовый состав излучения ТЕМм) и давление вспомогательного

газа наблюдали за факелом расплавленного металла из зоны обработки (рисунок 2).

Без спектрального фильтра а) 700 Вт б) \¥ЛИ=550 Вт в) 1УШ=400 Вт

Со спектральным фильтром

г) ИУЛИ=700 Вт д) \УШ=550 Вт е) №ш=400 Вт

Рисунок 2. Рез стали 0,8 КП Скорость лазерной резки 2000 мм/мин; мощность ЛИ 1УЛц = 700^400Вт; давление вспомогательного газа Р,с„_га„= Количество снимков в секунду^ 1200.

а) б)

Рисунок 3. Влияние изменения мощности лазерного излучения на металл: а) - воздействие ЛИ с уменьшением мощност;, б) с увеличением.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что при ГЛР резке металлов за счет окислительных процессов и светового давления в зоне обработки выделяется дополнительная энергия. Это позволяет уменьшать мощность ЛИ в процессе термообработки и соответственно увеличивать экономическую эффективность производства за счет снижения энергозатрат.

Рисунок 4. Лазерная резка РЛИ=400Вт. I- зона не прореза, 2- зона реза

Как видно из рисунка 4, наибольшая энергия при ГЛР затрачивается на врезку, так как в первые моменты времени резка металла не происходила. Затем металл нагревается, увеличивается его поглощательная способность и происходит разделение металла. Это дает возможность снижать мощность ЛИ в ходе обработки для увеличения энергоэффективности процесса ГЛР с сохранением заданных показателей качества, что позволяет построить САУ ЛТК со стабилизацией заданных показателей качества ТП при снижении мощности ЛИ.

Для обеспечения заданных показателей качества разработаны алгоритмы для ТП резки, сварки и закалки. Это позволяет построить САУ ЛТК со стабилизацией требуемых показателей качества ТП.

Третья глава посвящена разработке и исследований системы автоматического управления для стабилизации рабочих режимов в процессе лазерной термообработки.

Алгоритм решения задачи управления мощностью ЛИ на основе регулирования величины вылета плазменного факела из зоны обработки представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Алгоритм управления ТП ГЛР

Статистическая обработка

Ул« „*,=Г(М •оде, \Л/затрзч )

Система автоматического управления имеет сложную структуру с большим количеством обратных связей и является нелинейной. Для исследования нелинейной системы необходимо знать ее поведение в линейном режиме и привести систему в устойчивое состояние. Поэтому были приняты определенные условия и допущения, при которых данная система является линейной. Все расчеты и исследования проводились для линеаризованной системы управления.

Разработанная структурная схема универсального ЛТК для резки, сварки и закалки представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Структурная схема СЛ У универсального ЛТК для лазерной резки, сеарки и закалки.

Отличием предложенной структурной схемы (рисунок 6) являются разработанные и исследованные контур управления мощностью ЛИ по величине вылета плазменного факела в зоне резки, позволяющий оптимизировать расход энергии резки и контур контроля ТП лазерной сварки и закалки в зоне обработки на основе интерполяции полученных значений температуры вне зоны обработки, что исключает влияние плазменного факела на погрешность измерения в зоне обработки и повышает воспроизводимость заданных показателей качества.

Проведенные исследования, подтверждаемые соответствующими расчетами показателей качества четырех контурной САУ, доказывают возможность создания ЛТК с обратными связями по информативным параметрам, измеряемым в реальном времени.

В четвертой главе разработаны метод стабилизации мощности лазерного излучения в зоне обработки за счет регулирования длины вылета факела металла при газолазерной резке и способ управления ТП лазерной сварки и закалки на основе интерполяции измеренных значений температуры в трех точках, представлены результаты лазерной термообработки металлов

Для повышения эффективности резки металлов за счет контроля энергий участвующих в зоне взаимодействия кислорода с металлами, разработан способ

контроля энергий взаимодействия ЛИ с металлом с определением оптимальной величины факела из зоны обработки (рисунок 7).

Плазменный факел

Расплавленный^: металл

Рисунок 7.Схема измерения величины вылета факела во время резки

Данный способ заключается в использования энергии взаимодействия кислорода с металлами, отличающийся тем, что при повышении температуры металла выше температуры плавления коэффициент вложения энергии увели чивается до 30%, что позволяет значительно снижать мощность лазерного излучения.

Датчики обратной связи позволяют определить минимальную мощность лазерного излучения, определяющего качество реза. Для этого необходимо определить величину факела с нижней поверхности обрабатываемой детали. С этой целью применяется оптико-электронная система управления мощностью лазерного излучения с оптимизацией энергопотребления лазерного технологического комплекса.

к*.»™" Как показывают экс-

периментальные исследования по лазерной кислородной —резке металлов (ри--«-2мм сунки 8,9), снижение

-♦-Змм тттт

мощности ЛИ приводит к незначительному повышению шероховатости по-Рисунок 8. Зависимость шероховатости поверхности реза стали верхности реза.

0,8 КП от мощности ЛИ и толщины металла

Фотографии обработанных образцов с уменьшением мощности лазерного излучения в процессе обработки представлены на рисунке 9.

г) д)

Рисунок 9. Фотографии реза с уменьшением мощности лазерного излучения от 700 до 400Вт входе обработки. Направление реза слева-направо, а) сталь 90Г2С (Змм), б) сталь 0,8КП (холоднокатаная, 2мм), в) нержавеющая сталь (Змм), г) сталь 0,8КП (горячекатаная,2мм), д) сталь 30X13(3 мм)

Для ТП лазерной сварки и закалки разработан способ контроля ПК на основе интерполяции измеренных значений температуры в трех точках.

Рисунок 10. Структурная схема управления ЛТК сварки и закалки

Для определения температуры излучения поверхности металла (рисунок 10) через линзу направляется на вход спектрального прибора и далее разлагается на монохроматические компоненты, которые попадают на поляризаци-онно-чувствительные фотоприемники. В МПС происходит выделение спектральных составляющих излучения металла не менее чем трех длин волн, соответствующему математической модели:

= (2)

Ри

где <рм,(А-ь Т) — спектральная плотность собственного излучения металла, соответствующая ;-ой длине волны спектра излучения А,;

(ра — спектральная плотность излучения из зоны обработки;

Рм — степень поляризации собственного излучения металла — определяется по известным показателям преломления и поглощения в рабочем диапазоне температур;

Р^— степень поляризации излучения из зоны обработки:

_ _а2-Ь2 _^А2+Вг+Сг-2-Тс ...

Ъ";т^--тгс (3)

Для определения температуры в зоне взаимодействия ЛИ с металлом воспользуемся интерполяцией методом наименьших квадратов, так как данная задача обеспечивает наиболее точную интерполяцию температуры в точку, расположенную в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом.

Способ интерполяции измеренных значений температуры в исследуемую температуру зоны обработки позволяет исключить влияние плазменного факела на погрешность измерения.

САУ универсальным ЛТК для резки, сварки и закалки целесообразно использовать в мелкосерийном и единичном производстве, а также в исследовательских лабораториях научно-технических центров для прецизионной обработки в машиностроении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертационной работы является решение научной задачи, имеющей важное хозяйственное значение, которая заключается в разработке подходов формирования технологического процесса лазерной термообработки и принципов построения эффективной системы автоматического управления универсальным ЛТК на основе экспериментальных и теоретических исследований влияния мощности лазерного излучения на изменение режимов термообработки.

При проведении исследований по тематике диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ современного состояния ТП лазерной термообработки, основ построения ЛТК и разработана методика определения факторов, вносящих основной вклад в получение заданных показателей качества различ-

ных ТП, выявлены зависимости ПК ТП от параметров звеньев JTTK в машиностроении.

2. Разработаны алгоритмы оптимизации выбора параметров звеньев JITK для выполнения заданного ТП с требуемыми ПК и управления мощностью ЛИ на основе энергетического баланса при различных параметрах комплекса в машиностроительном производстве, что позволяет повысить качество САУ ЛТК.

3. Разработан способ стабилизации и измерения величины факела при резке из зоны воздействия ЛИ на металл с формированием управляющего воздействия по мощности ЛИ. Экспериментальные и расчетные данные по лазерной кислородной резке металлов со снижением мощности лазерного излучения в процессе газолазерной резки приводит к повышению экономической эффективности порядка 30% без изменения глубины реза и незначительного повышения шероховатости поверхности среза.

4. Способ контроля ТП лазерной сварки и закалки в зоне обработки, разработанный на основе интерполяции полученных значений температуры вне зоны обработки, исключает влияние плазменного факела на погрешность измерения в зоне обработки и повышает воспроизводимость требуемых показателей качества изделий машиностроения.

5. Разработана и исследована структурная схема САУ универсальным ЛТК для резки, сварки и закалки для реализации заданной модели ТП и формированием управляющего воздействия за счет введения обратных связей по параметрам, измеряемым в реальном времени, в условиях гибкой производственной системы машиностроительного производства.

Результаты диссертации опубликованы в 21 научном труде, в том числе:

Научные статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень рецензируемых ВАК изданий:

1. Портнов С.М. Система управления процессом термообработки концентрированными потоками энергии поверхности деталей / Портнов С.М., P.P. Саубанов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов, И.Х Исрафилов, В.В. Звездин,

A.И. Нугуманова // Глобальный научный потенциал - научно-практический журнал №8. -СПБ, 2011. -С.95-100.

2. Портнов С.М. Поляризация теплового излучения как информативный параметр процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами /

B.В. Звездин, A.B. Хамадеев, С.М. Портнов, Р.Ф. Зарипов // Вестник КГТУ им. Туполева, 2008.-№ 3. -С.88-91.

3. Портнов С.М. Исследование процесса влияния изменения мощности при газолазерной резке металлов / В.А. Песошин, В.В. Звездин,

C.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов И Вестник КГТУ им. Туполева, 2010. -№2. -С.43-46.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Портнов С.М. Автоматизация процесса измерения температуры в зоне лазерной резки заготовок в машиностроении / В.В. Звездин,

15

B.B.Заморский, C.M.Портнов, P.P.Саубанов, И.Н.Кузнецов, P.A.Кисаев // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. № 1. (www.sets.ru).

5. Портнов С.М. Автоматизация процесса обработки заготовок листового проката с учетом граничных условий распределения температурного поля в машиностроении / P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов, С.М. Портнов, В.В. Звездин,

B.В. Заморский // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2011. № 1. (www.sets.ru').

6. Портнов С.М. Анализ и исследование процесса позиционирования лазерного излучения относительно сварного шва/ В.В. Звезд™, A.B. Хамадеев,

C.М. Портнов, Г.С. Сафонов, Р.Г. Загаров // Образование и наука Закамья Татарстана: электронное периодическое издание. Вып. 11.- Наб. Челны: ИНЭКА, 2008. - (www.nauctat.ru).

7. Портнов С.М. Зависимость показателей качества сварки от параметров лазерного технологического комплекса / В.В. Звездин, A.B. Хамадеев, С.М. Портнов, Д.А. Башмаков // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2008. - № 4. - (www.sets.ru).

8. Портнов С.М. Сравнительная оценка расчетных и экспериментальных значений параметров процесса лазерной закалки / В.В. Звездин, С.М. Портнов А.Т. Мулюков, P.A. Кисаев // Проектирование и исследование технических систем: Межвуз. науч. Сборник. Вып.№12 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2008. - С.95-100.

9. Портнов С.М. Оптимизация процесса резки листовых материалов на базе лазерного технологического комплекса / С.М. Портнов, Д.Д. Дарзиев // Сборник работ победителей конкурса студентов вузов по направлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника. Под ред. А.Г. Григорьянца, И.Х. Исрафилова. - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2009. -С 333-337.

10. Портнов С.М. Оптимизации мощности лазерного излучения при газолазерной обработке металлов / И.Х. Исрафилов, В.В. Звездин, С.М. Портнов, Д.Э. Велиев // Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XVII международной научно-технической конференции в г. Севастополе. ДонНТУ, 2010.Т.1.-С. 312-314.

11. Портнов С.М. Оптимизация режимов лазерной резки металлов в среде кислорода / С.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый электронный научно-технический журнал, 2010. №3. -(www.sets.ru1.

12. Портнов С.М. Синтез и анализ системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом / В.В. Звездин, С.М. Портнов, P.A. Кисаев, И.Н. Кузнецов // Проектирование и исследование технических си-

16

стем: Межвуз. науч. сборник. Вып_№15 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010. -С. 39-45.

13. Портнов С.М. Сварка разнородных металлов высококонцентрированными потоками энергии в автомобилестроении / P.P. Саубанов, P.M. Алеев, В.В. Звездин, С.М. Портнов // Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: материалы I Всерос.науч.-практ. (заочной) конф. с между-нар. участием / под общ. ред. И.А. Якубович. - Магадан: Изд-во СВГУ, 2011. — С 85-89.

Подписано в печать 24.04.12 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать ризо1рафическая Уч.-изд. л. 1,1 Усл.-печ.л. 1,1 Тираж 100 экз.

Заказ 2225 Издательско-полиграфический центр Камской государственной инженерно-экономической академии

423810, г. Набережные Челны, Новый город, проспект Мира, 68/19 тел./факс (8552) 39-65-99 e-mail: ic@ineka.ru

61 12-5/2793

На правах рукописи

Портнов Сергей Михайлович

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ

Специальности:

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

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Звездин Валерий Васильевич; Научный консультант: доктор технических наук, профессор Песошин Валерий Андреевич

Набережные Челны 2012

Принятые обозначения...............................................................................................^

Введение ...................................................................................................................^

Глава 1. Анализ влияния параметров лазерного технологического комплекса

на стабильность показателей качества термообработки.......................................13

1.1. Патентно-информационный обзор по лазерной термообработке

металлов и элементам системы управления лазерных технологических

............................15

комплексов......................................................................................

1.2. Общие вопросы технологических процессов лазерной

термообработки.........................................................................................................^

1.2.1. Свойства лазерного излучения..................................................

1.2.2. Механизмы лазерной термообработки металлов....................22

1.3. Микроструктурные исследования обработанных заготовок..............24

Глава 2. Методы исследования процесса лазерной термообработки металлов27

2.1. Параметры лазерного технологического комплекса, влияющие на

показатели качества лазерной термообработки.....................................................27

2.2. Исследование качества реза металлов..................................................31

2.3. Расчет температурного поля в зоне взаимодействия лазерного

...........34

излучения с металлом...............................................................................

2.4. Оптимизация способа измерения степени поляризации теплового

............................36

излучения ......................................................................................

2.4.1. Решение оптимизационной задачи по обеспечению требуемых

параметров системы измерения поляризационных характеристик.............39

2.4.2. Измерение степени поляризации по двум замерам

41

интенсивности излучения..............................................................................

2.5. Сравнительная оценка расчетных и экспериментальных значений

43

параметров процесса лазерной закалки..................................................................

2.5.1. Связь между показателями качества технологического

процесса и параметрами лазерного технологического комплекса...............43

2.6. Последовательность расчета распределенного управления...............45

1

2.6.1. Определение параметров перемещающегося лазерного

48

излучения - источника нагрева........................................................................

2.7. Зависимость показателей качества сварки от параметров лазерного

технологического комплекса....................................................................................51

2.7.1. Этапы расчета параметров технологического процесса.........52

2.7.2. Расчет температуры зоны взаимодействия лазерного

излучения с металлами.....................................................................................^

2.8. Уравнение энергетического баланса лазерной резки в среде

...............................57

кислорода ..........................................................................................

Глава 3. Анализ и синтез системы управления лазерного технологического

/Г 1

комплекса термообработки металлов......................................................................ОА

3.1. Разработка модели и исследование процесса лазерной резки............61

3.2. Формализованное описание процесса лазерной резки.......................61

3.2.1. Математическое описание подвижных источников

...............63

воздействия ........................................................................................

3.2.2. Математическая модель теплового потока, наведенного

лазерным излучением. Особенности описания (моделирования) теплофизических процессов при резке металла лазерным излучением......64

3.2.3. Моделирование теплового поля на основе численной модели..

.......................................................................................65

3.3. Разработка и исследование системы автоматического управления

72

лазерным технологическим комплексом................................................................' *

3.4. Расчет показателей качества каналов регулирования.........................74

3.4.1. Расчет показателей качества канала грубой настройки..........74

3.4.2. Расчет показателей качества канала средней настройки........78

3.4.3. Расчет показателей качества канала точной настройки..........89

3.4.4. Расчет показателей качества каналов системы

98

автоматического управления............................................................................

3.4.5. Расчет устойчивости и запасов устойчивости.......................101

2

3.4.6. Определение качества регулирования....................................103

Глава 4. Анализ полученных результатов и разработка принципиально новых звеньев лазерного технологического комплекса......................................109

4.1. Элементы системы автоматического управления.............................109

4.1.1. Анализ и исследование процесса позиционирования лазерного

излучения относительно сварного шва.........................................................109

4.2. Разработка схемы измерения температуры зоне обработки.............114

4.2.1. Метод выбранных точек...........................................................117

4.2.2. Метод средних...........................................................................117

4.2.3. Метод наименьших квадратов.................................................119

4.3. Металлографические исследования лазерного реза различных металлов .........................................1.......................................................................123

4.4. Расчет экономической эффективности технологического процесса резки металлов в среде кислорода.........................................................................127

4.5. Система управления газолазерной резки металлов...........................128

Основные результаты работы................................................................................132

Список использованной литературы....................................................................134

Принятые обозначения

АЦП — аналого-цифровой преобразователь

ЛИ— лазерное излучение

ЛТК — лазерный технологический комплекс

МПС — микропроцессорная система

САУ — система автоматического управления

ТП — технологический процесс

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь

ГЛР - газолазерная резка

ОКГ - оптический квантовый генератор

ЗТВ - зона термического влияния

ТО - технологическая операция

ООС - отрицательная обратная связь

Введение

На современном этапе развития машиностроительного производства повышение эффективности и качества выпускаемых изделий возможно только при комплексном внедрении прогрессивных технологий и автоматизации технологических процессов. К ним относятся и лазерная технология.

В настоящее время промышленностью выпускаются лазерные установки, направленные на выполнение различных технологических процессов. Современные требования производства по использованию лазерных технологических комплексов приводят к необходимости их специализации. Специализация комплекса зависит от типа машиностроительного производства. Для единичного и мелкосерийного производства деталей машиностроения требуется универсальный лазерный технологический комплекс, способный выполнять различные операции. К ним относятся закалка, сварка, резка и т.д. Как показывают проведенные исследования, для каждого из этих видов технологического процесса свойственна своя группа показателей качества деталей, влияние параметров лазерного технологического комплекса на данные параметры разнообразно.

Использование лазерного излучения для достижения заданных показателей качества обработки различных технологических процессов изготовления деталей требует многогранности подходов к разработке систем управления лазерным технологическим комплексом, так как вид технологического процесса определяет показатели качества обработки деталей. Для закалки показателями качества являются: глубина упрочненной зоны, микротвердость, шероховатость поверхности. Для сварки это требуемая прочность, устойчивость к нагрузкам, отсутствие непроваров, прожигов и др. Для резки требуется обеспечить минимальную шероховатость поверхности детали, ее геометрию и максимальную экономическую эффективность технологического процесса в машиностроении.

Одним из важнейших преимуществ лазерного излучения как высокоэффективного инструмента обработки металлов является возможность варьирования его параметрами в широких пределах, что определяет высокую эффективность лазерной технологии с возможностью автоматизации процесса при высокой производительности в машиностроительном производстве.

Показатели качества обработки деталей зависят как от параметров лазерного технологического комплекса, к которым относятся плотность мощности излучения, скорость перемещения лазерного луча, температура зоны обработки, так и от физико-химических свойств металлов и окружающей среды зоны взаимодействия. Обеспечение стабильности свойств обработки требует применения в технологических процессах с лазерным инструментом систем автоматического управления.

Исследованиям в области лазерной термообработки металлов и автоматизации лазерных технологических комплексов в машиностроении посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Абильсиитов Г.А., Андрияхин В.М., ВеденовА.А., Велихов Е.П., Григорьянц А.Г., ГладушГ.Г., Голубев B.C., Зуев И.В., Ильин Г.И., Кожевников Ю. В., Польский Ю.Е., Реди Дж., Рыкалин Н. Н. и др.

Проведенный анализ показывает, что создание обобщенных данных взаимосвязи показателей качества, свойств материалов, параметров лазерного технологического процесса на основе математической модели технологических процессов обработки материалов позволяет решить поставленную задачу. Для этого необходимо разработать алгоритмы управления на основе математических моделей процессов, информационно-управляющую систему для анализа динамики и расчета управляющих воздействий лазерного технологического комплекса.

Эмпирически полученные зависимости показателей качества технологических процессов от параметров лазерного технологического комплекса приближенно соответствуют практическим. Существующие

6

аналитические модели либо весьма упрощены, либо сложны и решаются с применением численных методов. Упрощение приводит к определенной погрешности в задачах формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства. Поэтому теоретический анализ и экспериментальные исследования влияния элементов и устройств систем управления лазерным технологическим комплексом на стабильность рабочих режимов весьма актуальны.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» по теме «Разработка и исследование лазерно-плазменной установки и гибридной технологии обработки» ГК № 14.740.11.0823 от 01 декабря 2010 года.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов лазерной термообработки путем стабилизации рабочих режимов для получения заданных показателей качества деталей с разработкой системы автоматического управления универсальным лазерным технологическим комплексом за счет оптимизации мощности лазерного излучения.

Научная задача диссертационной работы заключается в разработке новых подходов совершенствования технологического процесса лазерной термообработки и принципов построения эффективной системы автоматического управления на основе экспериментальных и теоретических исследований влияния мощности лазерного излучения на изменение рабочих режимов.

Для достижения поставленной цели и решения научной задачи сформулированы следующие основные вопросы диссертационного исследования:

- анализ математической модели процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе энергетического баланса при различных

7

параметрах технологических процессов в машиностроительном производстве;

разработка способов измерения информативных параметров из зоны термообработки и структуры системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом для повышения точности управления;

исследование эффективности предложенных алгоритмов работы системы автоматического управления технологическими процессами на базе универсального лазерного технологического комплекса и оптимизации структуры, основанной на измерении в реальном времени информативных параметров из зоны обработки для стабилизации рабочих режимов.

- анализ схемотехнического построения лазерных технологических комплексов в машиностроении;

- определение факторов, вносящих основной вклад в получение заданных показателей качества лазерной резки, сварки и закалки;

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использованы методы математического и имитационного моделирования, теории автоматического управления, системного анализа. Экспериментальные исследования по взаимодействию лазерного излучения с металлами проводились на лазерном технологическом комплексе «Хебр 1500» с использованием методов металлографического анализа образцов. Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладных программ MathCAD 14 и Excel.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке системы управления технологического процесса лазерной термообработки универсальным лазерным комплексом для стабилизации параметров рабочих режимов лазерной резки, сварки и закалки за счет оптимизации мощности лазерного излучения. Новыми научными результатами, выносимыми на защиту, являются:

- способ контроля технологических процессов лазерной сварки и закалки в зоне обработки на основе интерполяции полученных значений

8

температуры вне зоны обработки, что исключает влияние плазменного факела на погрешность измерения в зоне обработки и повышает воспроизводимость заданных показателей качества (05.13.06);

- метод управления технологическим процессом лазерной резки на основе измерения косвенного параметра - величины вылета плазменного факела из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом в реальном времени, позволяющий учитывать все виды энергий зоны лазерной термообработки металлов, что повышает экономическую эффективность производства (05.13.06);

совершенствование звеньев системы автоматического управления универсальным лазерным технологическим комплексом для реализации заданного технологического процесса с формированием управляющего воздействия со стабилизацией параметров рабочих режимов, отличающаяся контуром регулирования мощностью лазерного излучения на основе измерения величины вылета плазменного факела и контуром интерполяции трех измеренных значений температуры в зоне обработки (05.13.05).

Практическая ценность работы заключается в разработке новых подходов совершенствования технологического процесса лазерной термообработки и схемотехнических основ построения лазерных технологических комплексов. Это подтверждается:

- методами измерения информативных параметров из зоны термообработки (температуры и величины вылета плазменного факела) и системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом;

- функциональными схемами систем управления лазерными комплексами для реализации заданной модели технологического процесса в условиях гибкой производственной системы машиностроительного производства;

экспериментальными данными влияния изменения мощности лазерного излучения на показатели качества лазерной термообработки

9

металлов.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы на предприятиях ООО «ПФ Стиль-А» (г. Набережные Челны), ЗАО «НПО «Оптоойл» (г. Казань), в учебном процессе ИНЭКА и КНИТУ им. А. Н. Туполева, о чем свидетельствуют акты об использовании результатов работы.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа современного состояния исследований в области разработок лазерных технологических комплексов; корректностью выбора исходных допущений и ограничений при решении оптимизационных задач; строгостью использования современного математического аппарата при формализации исследуемой задачи и ее решения; корректным применением широко применяемых и хорошо апробированных практикой и экспериментом методов технологии машиностроения; удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных; публикацией и апробацией основных положений работы на международном, всероссийском и отраслевом уровнях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и симпозиумах: «Ресурсоэффективность и энергосбережение» (г. Казань 2007 г.), «Образование и н