автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление лазерным технологическим комплексом на основе анализа акустических колебаний из зоны обработки

На правах рукописи

Велиев Давид Элманович

УПРАВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ИЗ ЗОНЫ ОБРАБОТКИ

технологическими

процессами и

05.13.06 - Автоматизация и управление производствами (машиностроение)

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2015

005570023

Набережные Челны - 2015

005570023

Работа выполнена на кафедре «Высокоэнергетические процессы и агрегаты) Набережночелнинского института (филиала) федерального государственног автономного образовательного учреждения высшего профессиональног образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исрафилов Ирек Хуснемарданович

доктор технических наук, доцент Звездин Валерий Васильевич

доктор технических наук, профессор кафедры Электромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный

авиационный технический университет» Хасанов Зимфир Махмутович

доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», заведующий кафедры Технологических систем пищевых и перерабатывающих производств Прейс Владимир Викторович

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (г. Самара)

Защита состоится «02» июля 2015 г. в 14:00 на заседании диссертационног совета Д 212.081.31 в ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) федеральны университет по адресу: 423810, Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, 13А Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВПО Казанского (Приволжского федерального университета, УЛК-5, ауд.309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Набережночелнинског института Казанского (Приволжского) федерального университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 423810, Татарстан, г Набережные Челны, пр. Мира, 68/19, диссертационный совет Д 212.081.31.

Ведущая организация

Автореферат разослан «_01_»_июня_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат техн. наук, доцент Мавлеев Ильдус Рифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Обеспечение требуемых показателей качества при лазерной термообработке металлов определяется в первую очередь такими параметрами лазерных технологических комплексов, как плотность мощности лазерного излучения, температура зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом, скорость перемещения лазерного луча, физико-химические свойства металла, фокусное расстояние. Для проектирования технологического процесса (ТП) и выбора режимов обработки металлов необходимо знание основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих процесс сварки. Этого можно достичь, в том числе, с помощью анализа звуковых колебаний из зоны взаимодействия импульсного лазерного излучения с металлом.

В текущих условиях актуальными является оптимизация структуры системы автоматического управления (САУ) лазерным технологическим комплексом (ЛТК) для данного ТП, выбор звеньев ЛТК с требуемыми параметрами, обеспечивающими заданные показатели качества.

Использование лазера как эффективного технологического инструмента ограничено неудовлетворительными точностными характеристиками систем управления ЛТК, что обусловлено, в первую очередь, низкой информативностью параметров, измеряемых в реальном времени ТП и характеризующих физико-химические процессы в зоне обработки металла.

Для решения этих проблем был рассмотрен способ получения временных, частотных и энергетических параметров акустического сигнала из зоны взаимодействия ЛИ с металлом, полученные данные были проанализированы на предмет автоматизации процесса, представлен способ лазерной сварки деталей из разнородных металлов с контролем температуры в режиме реального времени на основе анализа звуковых колебаний.

Объект исследования — процесс лазерной термообработки металлов.

Предметом исследования является управление процессом лазерной термообработки металлов на основе информативных параметров, измеряемых в реальном времени.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности автоматизированной системы управления технологическим процессом сварки металлов на основе анализа акустических колебаний из зоны обработки.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи:

1. Провести экспериментальные исследования генерации акустических колебаний при лазерной термообработке металлов.

2. Сравнить полученные экспериментальные данные с теоретическими исследования в области генерации акустических колебаний при лазерной обработке металлов.

3. Разработать структурную схему лазерного технологического комплекса.

4. Рассчитать оптимальные параметры лазерного излучения (ЛИ) на основе математической модели с учетом распределения температурного поля по объему зоны взаимодействия излучения.

5. Разработать микропроцессорную систему и алгоритм оптимизации процес сварки металлов для создания эффективной системы автоматического управлен ЛТК.

Для достижения поставленной цели и выполнения поставленных задач работе необходимо решить следующие вопросы:

1. Обзор текущего состояния и развития ЛТК, оценка особенностей их рабо для выполнения технологического процесса сварки и прошивки металл Выявление дополнительных факторов, оказывающих влияние на стабильное показателей качества сварки заготовок с использованием лазерного излучен путем исследования акустических колебаний из зоны обработки и результа металлографических анализов образцов.

2. Разработка методики расчета функциональной зависимости параметр сварки от теплофизических характеристик металлов на основе анализа сигн колебаний и теплового поля в зоне воздействия ЛИ. Выбор оптимальных параметр ЛИ на основе математической модели, учитывающей распределение температурно поля по объему зоны взаимодействия излучения и металла.

3. Разработка алгоритма контроля требуемых параметров ТП для получен заданных показателей качества и разработка САУ ЛТК на основе этого алгоритма."

4. Анализ влияния параметров САУ ЛТК на показатели качест технологического процесса.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использова методы спектрального анализа дискретного сигнала, математическо моделирования, теории автоматического управления, системного анали Экспериментальные исследования по взаимодействию ЛИ с металлами проводили на ЛТК с последующим программным анализом акустического сигнала использованием методов металлографического анализа образцов. Результа исследований и измерений обрабатывались с применением пакетов прикладн программ Ма&САБ, о\уоп-1йПз.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов выводов подтверждена соответствием результатов существующих теоретическ исследований с полученными экспериментальными данными.

Научная новизна:

1. Экспериментальное подтверждение математических расчетов и численно моделирования влияния изменения мощности лазерного излучения характеристику акустических колебаний из зоны взаимодействия.

2. Разработана методика расчета оптимальных параметров режи технологического процесса на основе математического моделирован распределения теплового поля в зоне воздействия лазерного излучени позволяющая обеспечить заданные показатели качества в автоматическом режим отличающаяся тем, что контроль показателей качества происходит на основе анали акустических колебаний.

3. Разработан способ лазерной сварки разнородных металлов, учитывающ теплофизические характеристики свариваемых металлов и отклонение фоку относительно наклонной стыковой поверхности, повышающий показатели качест автоматизированного технологического процесса.

4. Разработан алгоритм контроля процесса сварки разнородных металлов на основе анализа акустических колебаний из зоны взаимодействия, позволяющий обеспечить отсутствие испарения более легкоплавкого металла.

5. Разработана структурная и микропроцессорная схемы системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом для технологического процесса лазерной сварки, позволяющая в реальном времени контролировать показатели качества на основе измерения информативных параметров из зоны обработки.

Общетеоретическая значимость и практическая ценность.

Проведенное диссертационное исследование было в значительной мере мотивировано и поддержано выполнением НИР «Разработка и исследование лазерно-плазменной установки и гибридной технологии обработки», 4900000 руб., ГК №14.740.11.0823 от 01.12.2010 г. Акт №1, от 10.12.201 Юг, Акт №2 от 24.06.2011 г.. Акт №3 от 29.11.2011 г., Акт №4 от 29.06.2012 г., Акт №5 от 29.11.2012 г.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в учебном процессе Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета.

На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:

1. Анализ зависимостей показателей качества ТП от параметров ЛТК на основе акустических колебаний из зоны обработки и расчет распределения теплового поля в зоне воздействия ЛИ, позволяющие выявить характерные параметры, измеряемые в реальном времени процесса лазерной сварки и определяющие качество обрабатываемых деталей.

2. Математическая модель функциональной зависимости распределения теплового поля в зоне воздействия лазерного излучения от теплофизических характеристик материалов, позволяющая прогнозировать качество обработки.

3. Решение задачи контроля процесса сварки разнородных металлов, учитывающее теплофизические характеристики обрабатываемых металлов и обеспечивающее отсутствие испарения легкоплавкого металла, призванное обеспечить стабилизацию рабочих режимов лазерной сварки.

4. Структурная и микропроцессорная схема САУ ЛТК для ТП лазерной сварки с ее оптимизацией, основанной на измерении в реальном времени информативных параметров из зоны обработки, приводящая к повышению эффективности производства.

Личный вклад автора в диссертационную работу состоит: в выборе и обосновании методики разработки САУ и проведения экспериментальных исследований, анализе, синтезе, расчете параметров и обобщении полученных данных.

Структура и объём диссертации. Диссертация содержит 107 страниц машинописного текста, 46 рисунков и 5 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 55 наименований, двух приложений.

Публикации. Содержащиеся в диссертации материалы нашли отражение в 9 научных трудах, в том числе в одном патенте и двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность задачи по сварке металлов машиностроении, по анализу акустических сигналов из зоны обработки, п оптимизации параметров звеньев ЛТК, по анализу и синтезу САУ для обеспечени заданного ТП, по исследованию ЛТК с обратными связями по параметрам определяющим качество ТП, и измеряемым в реальном времени ТП. Рассмотрен цель и задачи диссертационной работы, сформулированы положения, выносимые н защиту, их научная новизна и практическая ценность. Представлены сведения структуре диссертации.

В первой главе проведен обзор по применению лазерной сварки металлов выявлением особенностей этого ТП, дана характеристика проблемы, изложень предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, сформулировань цели, и определены пути ее достижения.

Исследования в области автоматизации ТП лазерной сварки металло проводились под руководством Звездина В.В., Галиакбарова А.Т., Саубанова РР Исрафилова И.Х., Башмакова Д.А., Исрафилов Д.И. и др. В ходе работь принимались к рассмотрению различные подходы для стабилизации параметре ЛТК.

Для многих областей современного промышленного конкурентоспособног производства характерно внедрение и использование высокоэффективны технологий, позволяющее обеспечить более совершенный технологический процесс Возможности существующих сейчас лазерных технологических комплексе позволяют эффективно задействовать их при выполнении таких энергоёмки технологических процессов как сварка, резка, упрочнение металлов. Современны лазеры работают в широком диапазоне длин волн, причем сильное развитие получи ли перестраиваемые лазеры на красителях, газовые лазеры, лазеры на твердом теле В период массового применения вступили полупроводниковые лазеры, которы можно охарактеризовать и как наиболее миниатюрные, и как наиболее надежные долговечные изделия квантовой электроники.

Обеспечение требуемых показателей качества при лазерной термообработк металлов определяется в первую очередь такими параметрами лазерны технологических комплексов, как плотность мощности лазерного излучения температура зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом, скорое перемещения лазерного луча, физико-химические свойства металла. Дл проектирования ТП и выбора режимов обработки металлов необходимо знани основных закономерностей и взаимосвязи параметров, определяющих процес сварки. Этого можно достичь, в том числе, с помощью анализа колебаний из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлов.

В текущих условиях актуальными является оптимизация структуры САУ ЛТК для данного ТП, выбор звеньев ЛТК с требуемыми параметрами, обеспечивающими заданные показатели качества.

Использование лазера как эффективного технологического инструмента ограничено неудовлетворительными точностными характеристиками систем управления ЛТК, что обусловлено, в первую очередь, низкой информативностью

параметров, измеряемых в реальном времени ТП и характеризующих физико-химические процессы в зоне обработки металла.

Во второй главе рассмотрен способ получения временных, частотных и энергетических параметров акустического сигнала из зоны взаимодействия ЛИ с металлом на примере единичного лазерного импульса.

При взаимодействии с металлом лазерный импульс поглощается в узкой приповерхностной зоне мишени, нагрев которой сопровождается фазовыми превращениями. Для анализа режимов термообработки при различных плотностях энергии лазерного излучения были проведены исследования на стали 30X13. Каждый режим термообработки металлов характеризуется значением плотности энергии ЛИ и параметрами ТП. которые определяют показатели качества (ПК). В качестве сигналов обратной связи АСУ ЛТК сварки металлов обычно используются плотность энергии ЛИ, температура и точность позиционирования фокуса относительно стыка.

Твердое тело

Жидкость

Лазерный луч

I

I

Рисунок I: Схема воздействия лазерного излучения с металлом

Возникающий при лазерной обработке акустический эффект обусловлен различными физическими механизмами, ответственными за изменение удельного объема вещества при поглощении излучения: нагрев вещества, фазовые переходы первого рода. Пример сигнала, снимаемого датчиком представлен рисунке 2. Такой акустический сигнал может быть использован как дополнительный информативный параметр, позволяющий повысить эффективность процесса лазерной обработки.

100

§ -

2 аСв,йт,шгЧтт414у

к ____

О

-100

I 1

(II ^ Г-'

Плотность мощности, Вт/см

4.5 5 5.5 б

"Т11ГИП

- 2.867 х 10

®1ИГО414У

¡"4 Время, мкс

Рисунок 2: Временная зависимость амплитуды сигнала и

поглощенная энергия в относительных единицах (штриховые линии)

в Ст45 при диаметре излучения 1 .мм и плотности мощности

излучения О = 2.87-10'' Вт/см2 7

г

Спектральная плотность единичного акустического сигнала при лазернс термообработке металлов в общем случае является комплексной функиие включающей в себя совокупность гармоник, с различной амплитудой и фазо Применительно к процессу генерации звука при лазерной обработке, наиболыш интерес представляет амплитуда сигнала. Она характеризует плотность энер^ импульса лазерного излучения и поэтому в данной работе для анализа результат« исследований рассматривались амплитудные спектры звуковых сигналов. Д» проведения сравнительного анализа сигналов при различных параметрах обработ!< необходимо из исходного акустического сигнала определить его временные частотные характеристики. К ним относятся временная функция сигнала. е| спектральная плотность и энергетический спектр. По этим характеристикам моя« определить следующие параметры сигнала, определяющие показатели качест! технологического процесса: длительность; ширина спектра, особые точки функш спектра, значения частот гармонических составляющих; и энергия сигнала.

Амплитудный спектр сигналя

О 1x10' 2х107 Зхю' 4*ю' 5х107

Гг^шпсу

Частота, Гц

Рисунок 3: Амплитудный спектр сигнала Амплитудный спектр типичного сигнала из зоны взаимодействия име« характерный вид затухающей колеблющейся функции с главным лепестком, котором сосредоточена основная часть энергии сигнапа. на фоне других сигналов шумов. При анализе сигнала из зоны обработки основное требование предъявлялос к необходимости обнаружить наличие информационного сигнала на фоне други сигналов и шумов, поэтому перед исследованием была проведена фильтраци снятого сигнала на основе дискретного преобразования Фурье.

В третьей главе для интерпретации полученных экспериментальных даннь! был проведен регрессионный анализ и выявлены зависимости амплитуды и частот! сигнала от плотности мощности лазерного излучения. Как показал анали.1 изменение плотности мощности излучения практически никак не сказывается н частоте акустических колебаний, ее значение колеблется в пределах одной частоть! Амплитуда, в отличие от частоты, напрямую зависит от плотности мощное™

Подобные зависимости частоты и амплитуды согласуются с математическими расчетами и численным моделированием.

!.4х1о'

сг -—

Ро Лиа

2 ааа 7 о Г1 иввЦи*»! 1x10

3 •■•■

6*10"

О 5x10» 1x10м 1Л-101»

&1 «ппл.С'п ГЬгап.О] [Уг^,

Плотность мощности, Вт/см'ЧЗ Рисунок 4: Регрессионный анализ зависимости частоты от плотности мощности

Регреесионньш анализ зависимости частоты от плотностн мощности

...О-•©-. а с

& □

Регрессионный анализ зависимости амплитуды от плотности мощности

60 50

а0.5пжп'§0.5хпт' ? °аП 40

К — 2 А1.Окат

ООО

30

200 5x109 МО10 1.5хЮ10

. С-П .ГКтуггт .О] .ОЫШ

Плотность мощности. Вт/смл2 Рисунок 5: Регрессионный анализ зависимости амплитуды от плотности мощности

□ /

.0

9 □

.о о

Металлографические исследования зоны взаимодействия ЛИ с металлам! показ&пи, что зона имеет в сечении сегментную форму. В результат экспериментальных исследований влияния ЛИ на фазовые превращения в металлах выявлено, что форма зоны воздействия ЛИ мощностью 1 кВт при скоростк перемещения 1200 мм/мин. в стали У8 и цирконии имеет сегментный характер с центром круга О1 и малую сегментную зону с центром круга 02. Наличие второй сегментной зоны можно объяснить либо началом возникновения кинжального проплавления в металле, либо возникновением вторичного источника энергии за счет окислительных процессов с выделением теплоты. Характер зон термическогс воздействия не зависит от энергии ЛИ, а величина второй зоны зависит от физико] химических свойств металлов. Цирконий является химически активным металлом.

Рисунок 6: Схема сварки разнородных металлов

Из анализа характера зоны термического воздействия ЛИ следует, что сварка разнородных металлов должна осуществляться подачей энергии на тугоплавкий металл и форма стыковой поверхности должна повторять форму зоны термического влияния (ЗТВ). На практике целесообразней стыковую поверхность делать плоской, исходя из экономических соображений. Это связано с различием температур плавления, в частности, температура плавления молибдена равна 2620 "С, а стали -1510 "С. Поэтому для получения сварного шва необходимо поднять плотность энергии, чтобы расплавить молибден, при этом происходит испарение стали. Для исключения этого эффекта необходимо использовать наклон стыковой плоскости свариваемых деталей. Выполнив плоскость сварного шва наклонной на угол по касательной к сегменту зоны термического воздействия, можно обеспечить расплав тугоплавкого металла, а за счет теплопередачи происходит расплав легкоплавкого металла.

/7И \

57=- Б2

Л

Рисунок 7: Геометрия стыкового соединения при сварке молибдена и

стали

ЛИ подается на более тугоплавкий молибден (ТПП=2620 °С). Температура плавления стали составляет 1510 градусов Цельсия. Ь — толщина деталей. Угол <р и смещение лазерного излучения должны быть подобраны таким образом, чтобы соблюдалось равенство площадей Б 1=82, а температура в середине по глубине стыкового соединения была равна температуре плавления второго свариваемого металла, в данном случае - стали (Т„я=1510 °С). Равенство площадей 51=52 обеспечит равномерный проплав стали.

Выполнив расчёт, были получены формулы для угла наклона стыкового соединения ср и смещения лазерного излучения Ь. По данному способу сварки зарегистрирован патент № 2415739.

<р = arc.es

(1)

2

I =

2 • л ■ Ат ■ Тк

Р

Дет

(2)

\

Рисунок 8: Фотография сварного шва образцов из молибдена и стали (оптическое увеличение в 200 раз)

Рисунок 9: Фотография сварного шва образцов из молибдена и стали (оптическое увеличение в 500 раз)

Исследования показали, что увеличение пикового значения поглощаемо интенсивности лазерного излучения и наличие испарительного процесс сопровождается ростом давления акустического сигнала более чем на порядок. Пр сварке разнородных металлов контроль обеспечения отсутствия испарени легкоплавкого металла может быть обеспечен анализом значения давлени акустического сигнапа из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом режиме реального времени. Оценка амплитуды сигнала в процессе сварки позволяв определить наличие испарительного процесса и автоматически изменить расстояни от стыковой плоскости на более тугоплавком металле с целью понижен» температуры легкоплавкого металла и исключения его испарения.

В четвертой главе разработана структурная схема ЛТК. Представлена микропроцессорная система и алгоритм обработки данных в режиме реального времени.

Исследования показали, что увеличение пикового значения поглощаемой интенсивности лазерного излучения и наличие испарительного процесса сопровождается ростом давления акустического сигнала более чем на порядок. При сварке разнородных металлов контроль обеспечения отсутствия испарения легкоплавкого металла может быть обеспечен анализом значения давления акустического сигнала из зоны взаимодействия лазерного излучения с металлом в режиме реального времени. Оценка амплитуды сигнала в процессе сварки позволяет определить наличие испарительного процесса и автоматически изменить расстояние от стыковой плоскости на более тугоплавком металле с целью понижения температуры легкоплавкого металла и исключения его испарения.

На основе заданных параметров ТП обработки лазерным излучением металла Сталь 45 была разработана математическая модель взаимодействия излучения с металлом. Рассчитанное температурное поле в зоне термического воздействия показано объемным графиком на рисунке 13. Здесь представлена зависимость температуры в центре пятна нагрева от глубины Ъ и от времени Т. Температура плавления металла составляет 1500 градусов Цельсия и представлена на трехмерном графике горизонтальной плоскостью. Можно видеть, что при данных условиях обработки, вся температура, представленная на графике областью выше горизонтальной плоскости температуры плавления, будет представлять собой расплавленный материал в зоне взаимодействия.

Рисунок 10: Температурное поле в зоне терм]П1еского воздействия

Зависимость частоты акустических колебаний от плотности энергии пр лазерной термообработке металлов позволяет в реальном времени контролирован температуру в зоне термического влияния. Заданные показатели качест! обеспечиваются путем сравнения амплитудного спектра снимаемого во вре^ технологического процесса сигнала со спектром, полученным на этаг технологической подготовки производства. На основе такого способа контрой температуры разработана блок-схема алгоритма работы системы автоматическое управления лазерным технологическим комплексом (рисунок 11).

( начало )

/ перевод системы » "О" на фиш ту области оораГнпки

л »мерси не шерохова гост

ОП|)«Д1!ЛСИИС КО*ффнЦИС»Па МОЩНОСТИ

----------1—------------------------------

прогрев I» течении определенного времени до состояния а ч.т

старг контроля температуры

старт с парки прилосси/кенлн технологической температуры

измерить положение фокуса и рассчитать новое -¿качение

««.. ("измени», фокусное расстояние с I

Ц||Ы.-11'11|>НМ<.и> Я^л^уМи^} ПОМОШЫО ИЬСЗОИрИВОДО

ОХ1 Л1У V ^Ю» Л01«)чЫ ни 1а 1ЦЖИ:.Ж1 * иим.Л} п[»лмы \

I ( и А V ».! ПА !|Ш П1т\ • _——•

Ишешпь фокусное расстояние с

помошыо ¿-привода ЛТУ Перенести капая пьехшршкш) « иолишальное положение

рассчитать новое значение скорости сварки, ускорения на участке траектория

Изменить скорость обработки 11ереыест каналы и<> фокусу и номинальное положение

I лиариИиыП ОСТАНОВ

( конец )

Рисунок 11: Блок-схема алгоритма работы САУ ЛТК Существенное значение при обработке ЛИ играет стабильность параметро ЛТК. Здесь необходимо рассматривать ЛТК как совокупность взаимодействующие между собой звеньев сложной системы. Это оптический квантовый генератор

Измени! ь мощность. Перевеет КЗИЛДЫ по фокусу И СК<>|ННТТИ II НЧ.МП1 ильное положение

оптическая система, среда пропускания лазерного излучения, обрабатываемая деталь и механизм ее перемещения. Структурная схема САУ (рисунок 12) включает в себя следующие подсистемы:

Подсистема регулировки температуры зоны сварки: 1 — оптический квантовый генератор; 2 — оптическая система; 3 — устройство перемещения луча; 4 — инертная среда; 5 — деталь; 6 — датчики (датчик температуры); 7 — регуляторы (блок формирования управляющего сигнала по температуре); 8 — блок питания.

Подсистема регулировки положения фокуса относительно шва: 3 — устройство перемещения луча; 6 — датчики (фотоприемник положения фокуса);

7 — регулятор (регуляторы) положения фокуса.

Подсистемы программного управления перемещением ЛИ относительно сварного шва: 9 — привод перемещения оптической системы; 10 — привод перемещения детали.

Подсистема контроля процесса обработки на основе анализа звуковых колебаний: 5 — деталь; 6 — датчики (пьезокристаллический приемник акустических колебаний); 7 — регуляторы (блок формирования управляющего сигнала по выделенной огибающей акустического сигнала).

Рисунок 12: Структурная схема системы автоматического управления

Разработана структурная схема ЛТК (рисунок 13), информативным параметром в которой является акустический сигнал из зоны взаимодействия лазерного излучения с с металлом. Программное обеспечение микропроцессорной системы на основе показаний пьезодатчика обеспечивает управление технологическим процессом обработки.

Рисунок 13: Структурная схема ЛТК

Микропроцессорная система (рисунок 14), осуществляющая проце, обработки цифровой информации и управления включает в себя центральнь процессорный элемент, генератор тактовых импульсов, постоянное и оперативн запоминающие устройства, аналогово-цифровой и цифро-аналоговь преобразователи.

Рисунок 14: Микропроцессорная система ЛТК

Для передачи аналогового сигнала от акустического датчика на микропроцессорную систему разработана структурная схема, позволяющая исключить влияние помех и потерю информации. Передатчик (рисунок 15) использует частотный синтезатор для генерирования несущей. Колебания полученной частоты с помощью высокочастотного усилителя (ВУ) усиливаются до определенного уровня и поступают на выход передатчика. Такой передатчик с угловой модуляцией энергетически более эффективен, чем амплитудно-модулированный, потому что модуляция осуществляется на более низком уровне мощности.

Рисунок 15: Передатчик

Приёмник (рисунок 16) обеспечивает усиление принятого сигнала и сохранение информации, содержащейся в сигнале минимальной мощности (чуть выше чем 12 дБ над уровнем собственного шума (отношение сигнал/шум)), а также избирательное выделение сигнала на фоне других нежелательных сигналов, которые могут быть очень близки по частоте. Приемник работает с использованием супергетеродинного принципа, где принимаемая частота преобразуется в более низкую и удобную при обработке промежуточную частоту (ПЧ). Фиксированная ПЧ означает, что перенастройка (для смены канала) необходима только для генератора (гетеродина). Понижение частоты до промежуточной обеспечивает достаточный коэффициент усиления при сохранении стабильности и селективности.

Рисунок 16: Приемник

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

1. Экспериментально исследована генерация акустических колебаний из зо) обработки импульсным лазерным излучением. Результаты эксперимент подтверждают математические расчеты и численное моделирование влиян изменения мощности лазерного излучения на характеристику акустическ колебаний из зоны взаимодействия. Выявлено, что частота акустического сигна практически никак не зависит от плотности энергии, а четырехкратное повышен плотности энергии приводит к двукратному увеличению амплитуды снимаемс сигнала.

2. Способ сварки разнородных металлов, учитывающий теплофизическ свойства металлов и геометрию стыковой плоскости, позволяющий получи сварной шов с заданными показателями качества (получен патент № 241573 Контроль процесса, основанный на анализе акустических колебаний, позволя обеспечить постоянное смещение фокуса лазерного излучение, не превышающее мкм, что составляет не более 2% от ширины зоны обработки.

3. Схема включения датчика акустических колебаний, позволяюш минимизировать помехи передаваемого информационного сигнала по линии связи

4. Структурная и микропроцессорная схемы САУ ЛТК, позволяющие реальном времени контролировать соответствие измеряемых информативна параметров заданным на этапе подготовки технологического процесса, ч обеспечивает требуемые показатели качества.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Основные результаты диссертации изложены в следующих научных работах.

В ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Способ управления процессом лазерной прошивки отверстий в сталях 1 основе анализа ультразвуковых колебаний / Шангараев И.Р., Велиев Д.Э., Галани!

H.A., Звездин B.B. // Вестник Чувашского университета. 2013. № 3. — Чебоксары: Изд. «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова», 2013г. - с. 302-306.

2. Исследования акустических колебаний при воздействии импульсного лазерного излучения / Шангараев И.Р., Велиев Д.Э., Галанина H.A., Звездин В.В., Саубанов PP. // Вестник Чувашского университета. 2014. № 2. — Чебоксары: Изд. «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова», 2014г. - С. 131135.

Авторские свидетельства, дипломы, патенты, лицензии, информационные карты, алгоритмы, проекты:

3. Пат. 2415739, Россия, МПК В23К26/40 В23К9/23 B23K33/00. Способ лазерной сварки деталей из разнородных металлов / Звездин В.В., Исрафилов И.Х., Велиев Д.Э. — 2009122958/02; Заявлено 16.06.2009; Опубл. 27.12.2010.

В других изданиях:

4. Стабилизация энергетических параметров в зоне взаимодействия лазерного излучения с металлом на основе измерения скорости вылета частиц / Звездин В.В., Загаров Р.Г., Шангараев И.Р., Велиев Д.Э. // Сборник трудов IX Международного Симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» часть 2, Казань: Изд-во «АтрПечатьСервис», 2008. - С. 364-368.

5. Исследование процесса взаимодействия лазерного излучения с металлами на основе анализа ультразвуковых колебаний / Велиев Д.Э., Исрафилов И.Х., Звездин В.В., Кузнецов И.Н. // Межвузовский научный сборник «Проектирование и исследование технических систем», вып.№14 - Наб. Челны: Изд-во ИНЭКА, 2009 — С.51-55.

6. Повышение энергоэффективности автоматической лазерной резки металлов на основе анализа частоты ультразвуковых колебаний из зоны обработки / Исрафилов И.Х., Звездин В.В., Мавлин Р.Ф., Велиев Д.Э. // Сборник трудов Международной научно-технической и образовательной конференции «ОБРАЗОВАНИЕ И НАУКА - ПРОИЗВОДСТВУ», Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010 г.-С. 63-65.

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

8. Сравнительный анализ экспериментальных данных акустических колебаний при лазерной термообработке материалов / Велиев Д.Э., Звездин В.В., Галанина H.A. // Сборник трудов VIII международной заочной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук». (04 апреля 2013 г.) — Москва: Изд. «Международный центр науки и образования», 2013 —С. 20-30.

9. Регрессионный анализ экспериментальных данных акустических колебаний при лазерной термообработке металлов / Велиев Д.Э., Исрафилов И.Х., Звездин В.В., Шангараев И.Р. // Сборник трудов II международной научно-практической конференции «Фундаментальная наука и технологии — перспективные разработки», том 1.North Charleston, SC, USA, 2014.-C. 138-141.