Введение к работе
Актуальность работы. В условиях развития авиакосмической промышленности, приборостроения, микро- и оптоэлектроники, проблема повышения качества и миниатюризации изделий является одной из самых актуальных. Все в большем масштабе применяются элементы, содержащие хрупкие неметаллические материалы: оптические приборы, дисплеи, микроэлектронные сборки на основе сапфира, термооптические покрытия и многое другое.
Постоянное повышение требований к качеству таких прецизионных изделий вызывает необходимость применения и совершенствования новых лазерных методов высокоточного разделения хрупких неметаллических материалов, а именно лазерного управляемого термораскалывания.
Лазерное управляемое термораскалывание - это один из наиболее эффективных методов высокоточного безотходного разделения хрупких неметаллических материалов, отличительной особенностью которого заключается в том, что разделение материала происходит не за счет механического воздействия или испарения материала вдоль линии реза, а за счет образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента.
Сложность процесса лазерного управляемого термораскалывания требует разработки математических моделей данного процесса, алгоритмов управления оборудованием, а также автоматизации выбора рациональных режимов обработки хрупких неметаллических материалов.
Определено, что наиболее прогрессивной архитектурой системы управления лазерного управляемого термораскалывания является построение такой системы на базе одного вычислительного устройства (сервоконтроллера), управляющего технологическими параметрами
лазерного управляемого термораскалывания, которые определяются разработанной автоматизированной системой, построенной на базе экспериментально полученных данных, которые соответствуют математической модели технологического процесса.
В этой связи тема диссертационной работы, направленная на
повышение качества изделий из хрупких неметаллических материалов путем
применения программных и аппаратных средств автоматизации процесса
прецизионной обработки методом лазерного управляемого
термораскалывания, является актуальной задачей.
Цель работы: автоматизация выбора рациональных технологических процессов и разработка программных и аппаратных средств для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания различных хрупких неметаллических материалов.
Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
Провести анализ развития технологии лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов, в первую очередь стекла, выявить основные недостатки существующих методов и наметить пути их совершенствования.
Провести исследования и разработать математическую модель по автоматизации выбора рациональных режимов обработки и процесса лазерного управляемого термораскалывания, включая математическую модель процесса зарождения первоначального микродефекта импульсным лазером.
Разработать алгоритмы и создать программное обеспечение для рационального выбора технологических параметров обработки материалов и управления оборудованием для лазерного управляемого термораскалывания.
Разработать требования к конструкции установки и архитектуру системы управления для обработки изделий из стекла методом лазерного управляемого термораскалывания.
Создать управляющие программы для лазерной технологической установки для разделения определенного класса тонких стеклянных изделий.
Разработать специализированное технологическое оборудование для повышения эффективности лазерного управляемого термораскалывания.
Научная новизна работы заключается в:
установлении функциональных связей между процессом термоупругого разрушения хрупких неметаллических материалов и лазерным термовоздействием, показана определяющая роль первоначального микродефекта для создания управляемой микротрещины;
разработке архитектуры и моделей автоматизированной подсистемы выбора рациональных режимов лазерного управляемого термораскалывания исходя из выявленных функциональных связей характеристик материалов и технологических параметров лазерной обработки;
разработке методики построения специализированного технологического оборудования и архитектуры системы управления универсальной технологической установкой для лазерного управляемого термораскалывания широкого класса многофункциональных материалов;
разработке алгоритмов управления технологическим оборудованием для разделения стеклянных изделий методом лазерного управляемого термораскалывания;
установлении, что наиболее эффективным средством для создания
первоначального микродефекта является фемтосекундный импульсный
лазер, а для локального охлаждения зоны термораскалывания -
управляемая дюза.
Методы исследования. Методы исследования в работе базировались на основных теоремах теории теплопроводности, классической теории упругости и теории разрушения, теории автоматического управления.
Теоретические исследования базировались на математических моделях процесса лазерного управляемого термораскалывания. Были использованы методы разработки автоматизированных систем управления с применением аппарата сетей Петри, методы по разработке программного обеспечения. Использовался широкий класс экспериментальных методик и современное измерительное оборудование.
Практические исследования велись на экспериментальной установке, созданной на базе СО, СО2, Sr, Nd лазеров с мощностью 10-100 Вт. Оценка величины отклонения трещины от заданной траектории, а также контроль за наличием дефектов в обрабатываемом стекле осуществлялись с помощью TV-микроскопов.
Практическая ценность работы. Разработан программно-аппаратный комплекс управления технологическим оборудованием, включая управляющие программы, для разделения хрупких неметаллических изделий методом лазерного управляемого термораскалывания.
Практическая ценность данной работы подтверждена актами о целесообразности внедрения результатов работы на ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина", где результаты использовались для совершенствования и автоматизации установки УЛТ-04 для лазерного управляемого термораскалывания хрупких неметаллических материалов для элементов летательных аппаратов.
Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные Системы управления» МГТУ «Станкин», на Первой Всероссийской конференции «Функциональные наноматериалы для космической техники»
(2009 г.) и XIX Международная научно-техническая конференция "Информационные средства и технологии" (2011 г.).
Основные результаты работы были получены в ходе выполнения Государственного контракта П388 от 27мая 2010 года Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» проекта «Разработка высокоэффективных лазерных технологий изготовления изделий космической техники» и изложены в соответствующих отчетах.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены и использованы на установке «УЛТ-04», применяемой в опытном производстве ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», а модели автоматизации используются в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Публикации. По теме диссертационной работы было опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 100 наименований, изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 54 рисунка, 6 таблиц.
