Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время лазеры и технические системы на их основе широко применяются в различных областях человеческой деятельности: машиностроении, металлообработке, приборостроении, электронике, телекоммуникациях, в медицине и научных исследованиях. По данным ежегодного обзора лазерного рынка журнала Laser Focus World объем продаж мирового рынка лазеров в 2011 году достиг 7,46 млрд. долларов.
В качестве объекта управления лазерный технологический комплекс (ЛТК) представляет собой сложную техническую систему, состоящую из таких разнородных подсистем как вакуумный газовый контур с устройством прокачки и системой газообмена, высоковольтные источники питания основного разряда и ионизации, разрядная камера с оптическим резонатором, системы водяного охлаждения, электроавтоматики и электроники. Система управления таким объектом должна обладать повышенной надежностью для обеспечения безаварийной и безопасной работы ЛТК и расширенными диагностическими возможностями для своевременного выявления неисправностей в работе его подсистем. Однако известные системы управления, например, SINUMERIK 840D SL фирмы Siemens, которая управляет ЛТК фирмы Trumpf, в случае отказа или сбоя в работе обеспечивают только аварийную блокировку и перевод управляющих выходов в безопасное состояния.
В связи с этим необходимым условием для использования ЛТК на производстве является их автоматизация на базе систем управления с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является повышение надежности и расширение диагностических возможностей системы управления и технологических возможностей ЛТК с несамостоятельным тлеющим разрядом (НТР), заключающееся в увеличении ряда обрабатываемых материалов, их толщин и скорости лазерной обработки.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Разработка системы управления ЛТК с НТР со средствами повышения надежности и расширенными диагностическими возможностями.
-
Разработка методики повышения надежности системы управления ЛТК с НТР, позволяющей выявить отказ или сбой в ее работе.
-
Разработка методики диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК с НТР.
-
Исследование и реализация в автоматическом режиме способа управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации.
-
Определение влияния выбранного способа управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации на технологические возможности ЛТК с НТР.
-
Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов и их статистический анализ.
Новизна и достоверность предложенных методов и решений
Новизна результатов работы подтверждается патентом на разработанную систему управления лазером, достоверность результатов обеспечивается
использованием современных методов теории автоматического управления, спектрального, корреляционного, регрессионного анализов и статистической обработки экспериментальных данных; использованием высокоточных измерительных приборов: цифрового запоминающего осциллографа TDS2014 фирмы Tektronix, L/SB-устройства сбора данных N1 6008 фирмы National Instruments; современного программного обеспечения: программы компьютерной математики Mathcad 13, среды проектирования LabVIEW 2009, а также экспериментальной проверкой результатов в промышленных условиях.
Научная новизна
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработана методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет за допустимое, не влияющее на работу ЛТК с НТР и технологический процесс время (= 17 мс), выявить отказ или сбой в работе системы управления ЛТК с НТР.
-
Исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на параметры лазерного излучения ЛТК с НТР при парциальном давлении воздуха от 0 до 1 мм рт. ст. и различной частоте импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения Ws вычислены эмпирические средние значения Ws и эмпирические стандартные отклонения sWs. По этим оценкам рассчитана относительная флуктуация мощности АР. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности Ws, приводя к его снижению. Разработан метод диагностики, основанный на уменьшении среднего значения мощности Ws при натекании воздуха в газовый контур лазера при неизменной частоте импульсов ионизации, и обоснован выбор оптимальной частоты импульсов ионизации,
которая обеспечивает максимальную чувствительность во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст.
-
Исследован способ управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации в автоматическом режиме. На основе экспериментально полученной переходной характеристики построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения рассчитан коэффициент усиления пропорционального регулятора. Экспериментально получена переходная характеристика системы управления мощностью лазерного излучения с рассчитанным пропорциональным регулятором и проведена оценка качества переходного процесса.
-
Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения Ws вычислены эмпирические средние значения Ws и эмпирические стандартные отклонения sWs для различных значений мощности лазерного излучения. По этим оценкам определена относительная флуктуация мощности АР. Определено, что с увеличением среднего значения мощности Ws эмпирическое стандартное отклонение sWs уменьшается. Выявлено, что с увеличением среднего значения мощности Ws, относительная флуктуация мощности АР экспоненциально уменьшается.
-
Определено экспоненциальное уменьшение мощности лазерного излучения при работе на новой газовой смеси (при полной замене газовой смеси после откачки газового контура), вызванное деградацией смеси газов из-за протекания плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Установлено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации. Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой
мощности лазерного излучения частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом контуре лазера.
Практическое значение работы
-
Разработана система управления ЛТК с НТР с расширенными диагностическими и технологическими возможностями.
-
В системе управления реализован блок диагностирования аварийных ситуаций, который позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управление лазерным комплексом.
-
Разработан алгоритм работы системы управления, позволяющий диагностировать натекание воздуха в газовый контур лазера с НТР.
-
В результате применения пропорционального регулятора в системе управления мощностью ЛТК с НТР удалось достичь заданной точности установки мощности лазерного излучения (<2%) и практически в 2 раза уменьшить перерегулирование ст.
-
Доказано, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1-1,5 мм достигнуто 30-50% увеличение скорости резки.
-
Модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении ЛТК с НТР и при полной замене газовой смеси с учетом деградации рабочей смеси газов, вызванной протеканием плазмохимических реакций в
тлеющем разряде. Время, отводимое системой управления для окончания плазмохимических реакций и достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.
-
Создано метрологическое обеспечение измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.
-
Принципы построения и основные технические решения разработанной системы управления могут применяться для автоматизации перспективных лазерных установок, основанных на НТР с импульсной емкостной ионизацией, например мощных лазеров с быстрой аксиальной прокачкой.
Реализация результатов работы
Результаты выполненной работы нашли широкое практическое применение в промышленности. Технологический лазер «Лантан-3» с разработанной системой управления, входящий в состав ЛТК с НТР, серийно выпущен на НПО «РОТОР», г. Черкассы и на Ижевском механическом заводе, г. Ижевск. ЛТК с НТР были установлены на МКБ «Факел», г. Химки, НПО им. С. А. Лавочкина, г. Химки, авиационном ремонтном заводе, г. Старая Русса, НИАТе, г. Москва, ИПМех РАН, г. Москва. В настоящее время Ижевский механический завод готовит к выпуску модернизированный вариант технологического лазера с НТР «Лантан-3» с разработанной системой управления. Три ЛТК с НТР успешно работают на фирме «ЛАНТАН ЛАЗЕР», г. Москва. Один комплекс используется для резки конструкционной и нержавеющей стали, латуни и алюминиевых сплавов. Два комплекса применяются для резки фанерных заготовок штанцевых форм.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертации были предметом докладов на семинаре «Современные методы и приборы автоматического контроля и регулирования технологических процессов» (Москва, 1988 г.), Первой международной конференции «Приоритетные направления в научном приборостроении» (Ленинград, 1990 г.), Международной конференции по искусственному интеллекту (Кацивели, Украина, 2008 г.), VIII Международной научно-практической конференции «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения» (Москва, 2009 г.), 7-ой Научно-технической конференции по мехатронике, автоматизации и управлению (Санкт-Петербург, 2010 г.), 4-ой Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Россия, 2011 г.).
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 15-ти печатных работах, включая 5 статей в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации
