Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет На правах рукописи
Шемякин Андрей Николаевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ
Специальность:
05.13.06. - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012 г.
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Рачков Михаил Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ластовиря Вячеслав Николаевич кандидат технических наук, доцент Савостин Петр Иванович
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
Защита диссертации состоится л____ декабря 2012 г. в _______ часов на заседании диссертационного Совета Д.212.129.03 при ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет по адресу: 115280, Москва, ул.
Автозаводская, д. 16, ауд. 1605.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет.
Автореферат разослан л____ _____________________ 20____ г.
Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Кузнецов А.В.
Общая характеристика работы
Актуальность работы В настоящее время лазеры и технические системы на их основе широко применяются в различных областях человеческой деятельности: машиностроении, металлообработке, приборостроении, электронике, телекоммуникациях, в медицине и научных исследованиях. По данным ежегодного обзора лазерного рынка журнала Laser Focus World объем продаж мирового рынка лазеров в 20году 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:
1. Разработка системы управления ЛТК с НТР со средствами повышения надежности и расширенными диагностическими возможностями.
2. Разработка методики повышения надежности системы управления ЛТК с НТР, позволяющей выявить отказ или сбой в ее работе.
3. Разработка методики диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК с НТР.
4. Исследование и реализация в автоматическом режиме способа управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации.
5. Определение влияния выбранного способа управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации на технологические возможности ЛТК с НТР.
6. Экспериментальная проверка достоверности полученных результатов и их статистический анализ.
Новизна и достоверность предложенных методов и решений Новизна результатов работы подтверждается патентом на разработанную систему управления лазером, достоверность результатов обеспечивается использованием современных методов теории автоматического управления, спектрального, корреляционного, регрессионного анализов и статистической обработки экспериментальных данных; использованием высокоточных измерительных приборов: цифрового запоминающего осциллографа TDS20фирмы Tektronix, USB-устройства сбора данных NI 6008 фирмы National Instruments; современного программного обеспечения: программы компьютерной математики Mathcad 13, среды проектирования LabVIEW 2009, а также экспериментальной проверкой результатов в промышленных условиях.
Научная новизна Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Разработана методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет за допустимое, не влияющее на работу ЛТК с НТР и технологический процесс время ( 17 мс), выявить отказ или сбой в работе системы управления ЛТК с НТР.
2. Исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на параметры лазерного излучения ЛТК с НТР при парциальном давлении воздуха от 0 до 1 мм рт. ст. и различной частоте импульсов ионизации. Для сглаженной мощности Ws Ws лазерного излучения вычислены эмпирические средние значения и sWs эмпирические стандартные отклонения. По этим оценкам рассчитана P относительная флуктуация мощности. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха в газовый контур явно влияет только на Ws среднее значение мощности, приводя к его снижению. Разработан метод Ws диагностики, основанный на уменьшении среднего значения мощности при натекании воздуха в газовый контур лазера при неизменной частоте импульсов ионизации, и обоснован выбор оптимальной частоты импульсов ионизации, которая обеспечивает максимальную чувствительность во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст.
3. Исследован способ управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации в автоматическом режиме. На основе экспериментально полученной переходной характеристики построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения рассчитан коэффициент усиления пропорционального регулятора. Экспериментально получена переходная характеристика системы управления мощностью лазерного излучения с рассчитанным пропорциональным регулятором и проведена оценка качества переходного процесса.
4. Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения Ws Ws вычислены эмпирические средние значения и эмпирические стандартные sWs отклонения для различных значений мощности лазерного излучения. По этим P оценкам определена относительная флуктуация мощности. Определено, что с Ws увеличением среднего значения мощности эмпирическое стандартное sWs отклонение уменьшается. Выявлено, что с увеличением среднего значения Ws P мощности, относительная флуктуация мощности экспоненциально уменьшается.
5. Определено экспоненциальное уменьшение мощности лазерного излучения при работе на новой газовой смеси (при полной замене газовой смеси после откачки газового контура), вызванное деградацией смеси газов из-за протекания плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Установлено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации. Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом контуре лазера.
Практическое значение работы 1. Разработана система управления ЛТК с НТР с расширенными диагностическими и технологическими возможностями.
2. В системе управления реализован блок диагностирования аварийных ситуаций, который позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управление лазерным комплексом.
3. Разработан алгоритм работы системы управления, позволяющий диагностировать натекание воздуха в газовый контур лазера с НТР.
4. В результате применения пропорционального регулятора в системе управления мощностью ЛТК с НТР удалось достичь заданной точности установки мощности лазерного излучения (2%) и практически в 2 раза уменьшить .
перерегулирование 5. Доказано, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1Ц1,5 мм достигнуто 30 - 50% увеличение скорости резки.
6. Модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении ЛТК с НТР и при полной замене газовой смеси с учетом деградации рабочей смеси газов, вызванной протеканием плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Время, отводимое системой управления для окончания плазмохимических реакций и достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.
7. Создано метрологическое обеспечение измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.
8. Принципы построения и основные технические решения разработанной системы управления могут применяться для автоматизации перспективных лазерных установок, основанных на НТР с импульсной емкостной ионизацией, например мощных лазеров с быстрой аксиальной прокачкой.
Реализация результатов работы Результаты выполненной работы нашли широкое практическое применение в промышленности. Технологический лазер Лантан-3 с разработанной системой управления, входящий в состав ЛТК с НТР, серийно выпущен на НПО РОТОР, г. Черкассы и на Ижевском механическом заводе, г. Ижевск. ЛТК с НТР были установлены на МКБ Факел, г. Химки, НПО им. С. А. Лавочкина, г. Химки, авиационном ремонтном заводе, г. Старая Русса, НИАТе, г. Москва, ИПМех РАН, г. Москва. В настоящее время Ижевский механический завод готовит к выпуску модернизированный вариант технологического лазера с НТР Лантан-3 с разработанной системой управления. Три ЛТК с НТР успешно работают на фирме ЛАНТАН ЛАЗЕР, г. Москва. Один комплекс используется для резки конструкционной и нержавеющей стали, латуни и алюминиевых сплавов. Два комплекса применяются для резки фанерных заготовок штанцевых форм.
Апробация работы и публикации Результаты диссертации были предметом докладов на семинаре Современные методы и приборы автоматического контроля и регулирования технологических процессов (Москва, 1988 г.), Первой международной конференции Приоритетные направления в научном приборостроении (Ленинград, 1990 г.), Международной конференции по искусственному интеллекту (Кацивели, Украина, 2008 г.), VIII Международной научнопрактической конференции Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения (Москва, 2009 г.), 7-ой Научно-технической конференции по мехатронике, автоматизации и управлению (Санкт-Петербург, 2010 г.), 4-ой Всероссийской мультиконференции по проблемам управления (с. Дивноморское, Россия, 2011 г.).
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 15-ти печатных работах, включая 5 статей в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 1страницы машинописного текста, 62 рисунка, 16 таблиц и список использованной литературы, включающий 116 наименований.
Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, определены цель и задачи исследования, описана структура диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.
В главе I проведен сравнительный анализ современных ЛТК и их технологических возможностей. Основное внимание уделено универсальным двухкоординатным ЛТК с перемещением оптики, к которым относится ЛТК с НТР. Сопоставлены схемы организации НТР, нашедшие практическое применение, и показаны преимущества НТР с импульсной емкостной ионизацией, используемого в ЛТК с НТР. Проанализированы приемники излучения, измеряющие мощность лазерного излучения - основной параметр, которым необходимо управлять в процессе лазерной обработки, и обоснован выбор термоэлектрического зеркала-приемника с анизотропией термоЭДС. Рассмотрены различные методы повышения надежности систем управления путем их самодиагностирования встроенными средствами. Выявлены недостатки существующих систем управления ЛТК по надежности, диагностическим и технологическим возможностям и определены пути их устранения.
Глава II посвящена исследованию системы управления ЛТК с НТР (рис. 1), которая состоит из микропроцессорного устройства управления (МП УУ) лазером с НТР, системы управления координатным столом и подсистемы ввода файлов лазерной резки на базе персонального компьютера.
Технологический лазер с НТР условно разделен на отдельные Рис. 1. Общий вид ЛТК с НТР:
подсистемы. Исследованы цифровые и 1 - технологический лазер с НТР;
аналоговые сигналы от датчиков и 2 - микропроцессорное устройство сигналы управления исполнительными управления; 3 - координатный стол;
механизмами. В результате 4 - персональный компьютер сформулированы требования к системе управления по количеству цифровых и аналоговых входных и выходных сигналов, необходимых для работы в автоматическом режиме.
Показано устройство координатного стола, проанализирована его система управления и подсистема ввода файлов лазерной резки, представляющая собой персональный компьютер со специальной программой лазерной резки.
Исследовано МП УУ, которое управляет технологическим лазером с НТР и обеспечивает его взаимодействие с остальными элементами системы управления (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема МП УУ лазером с НТР:
ЦП - центральный процессор; ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство К особенностям МП УУ относятся многоуровневая (21 уровень) приоритетная система прерываний, которая позволяет управлять лазером в режиме реального времени и оптоволоконные устройства, обеспечивающие связь МП УУ с датчиками и исполнительными механизмами лазера с НТР. Через блок сопряжения технологические устройства могут управлять мощностью лазерного излучения.
Для повышения надежности и расширения диагностических возможностей системы управления ЛТК с НТР в нее введен блок диагностирования аварийных ситуаций, а в ПЗУ записано дополнительное программное обеспечение (ПО) (рис. 3).
Рис. 3. Система управления ЛТК с НТР с повышенной надежностью и расширенными диагностическими возможностями Блок диагностирования аварийных ситуаций позволяет аварийно выключить ЛТК с НТР в случае отказа системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управления лазерным комплексом. ПЗУ содержит дополнительное ПО алгоритмов начала работы системы управления, диагностирования натекания воздуха в газовый контур, управления мощностью излучения и работы на новой газовой смеси.
Глава III посвящена управлению мощностью излучения ЛТК с НТР.
Проанализированы три способа управления мощностью излучения лазера с НТР:
путем изменения напряжения источника питания основного разряда, напряжения источника питания ионизации и частоты импульсов ионизации. Выбран способ управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации, который позволяет организовать работу лазера, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью и длительностью импульсов и обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой (рис. 4).
Создано метрологическое обеспечение измерения мощности лазерного излучения с помощью быстродействующего термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС. Лазерное излучение подавалось на зеркало-приемник и снимались показания мощности лазерного излучения W, измеренные Рис. 4. Зависимость мощности эталонным калориметрическим лазерного излучения W от частоты методом, и сигнал с зеркалаимпульсов ионизации F приемника U.
По результатам математической обработки полученных экспериментальных данных методом корреляционного анализа были определены параметры U W эмпирической прямой регрессии на (рис. 5) U = 0,9836W + 0,0258.(1) Рис. 5. Зависимость сигнала с зеркала- Рис. 6. Эмпирическая прямая регрессии приемника U от мощности лазерного U на W вместе с 95% доверительными излучения W и эмпирическая прямая границами для теоретической прямой регрессии U на W (1) регрессии U на W (2) r = sWU = 0,99Определен эмпирический коэффициент корреляции, где sW sU sW sU sWU, - эмпирические дисперсии W и U; - эмпирический корреляционный момент.
Рассчитаны 95% доверительные оценки параметров эмпирической прямой регрессии U на W и 95% доверительные границы для теоретической прямой регрессии U на W при фиксированном значении W =W0 (рис. 6).
SU W n(W0 -W) t 1+ = 0,0494 1+1,3688(W0 -W), (2) n - 2 (n -1)sW SU W где - сумма квадратов отклонений измеренных значений Ui от U W рассчитанных по уравнению прямой регрессии на.
В результате выявлена тесная линейная зависимость между сигналом с зеркала-приемника U и мощностью лазерного излучения W.
Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения, определяемые способом управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации (рис. 7).
Рис. 7. Сглаженная мощность Ws = 7лазерного излучения Вт Рис. 8. Зависимость скорости резки V алюминиевого сплава Д16АТ от Определено, что амплитудные изменения мощности происходят с частотой импульсов ионизации. Для сглаженной мощности лазерного излучения Ws n вычислены эмпирические средние значения Ws = n (3) Ws i n 1 sWs = (Wsi -Ws) и эмпирические стандартные отклонения.(4) n -2sWs P = Определена относительная флуктуация мощности. (5) Ws Исследовано влияние амплитудного изменения мощности лазерного излучения на технологические возможности лазерного комплекса. Наличие амплитудного изменения мощности с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения (рис. 8). В частности, при лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1Ц1,5 мм достигнуто 30Ц50% увеличение скорости резки.
Исследованы особенности управления мощностью лазерного излучения при работе на новой газовой смеси (рис. 9).
W при частоте ионизации 428 Гц, 667 Гц, 740 Гц, 844 Гц и 944 Гц Рис. 9. Изменение мощности излучения излучения от частоты импульсов ионизации и прямая регрессии Wp на F Рис. 10. Зависимость пиковой мощности Определено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации. Это связано с протеканием плазмохимических реакций и установлением химического равновесия в газовом контуре лазера с НТР.
Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения (рис. 10) частота импульсов ионизации 740 Гц и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций. Показано, что для перехода ЛТК с НТР в рабочий режим при работе на новой газовой смеси необходимо подавать импульсы ионизации частотой 740 Гц в течение 50 с.
На основании проведенных исследований оптимизировано время подготовки к работе ЛТК с НТР и модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении лазерного комплекса и при полной замене газовой смеси.
Исследована автоматическая система управления мощностью излучения ЛТК с НТР (рис. 11).
Рис. 11. Структурная схема системы управления мощностью излучения ЛТК с НТР:
W (p) - передаточная функция объекта управления; W (p) - передаточная функция о р kд регулятора; - коэффициент передачи датчика мощности; W - реальная мощность лазерного излучения (Вт); W - измеренная мощность лазерного излучения (В);
изм Уст. W - установленная оператором ЛТК с НТР мощность лазерного излучения;
Упр. F - сигнал управления частотой ионизации; К - переключатель Экспериментально получена переходная характеристика объекта управления (рис. 12). Начальный участок переходной характеристики и затухающие колебания объясняются схемой подключения источника основного разряда к электродам НТР. Для ее моделирования составлена система дифференциальных уравнений, решение которой позволяет построить модель объекта управления на базе колебательного звена. Для Рис. 12. Экспериментальная определения коэффициентов переходная характеристика объекта переходной функции модели управления и моделирующая проведено быстрое преобразование переходная функция колебательного Фурье экспериментальной переходной звена (6) характеристики объекта управления с помехами, вырезаны высокочастотные гармоники (f =200 Гц) и проведено cp обратное преобразование Фурье. Переходная функция моделирующего колебательного звена (рис. 12) имеет окончательный вид h(t) = 476,62 [1- e-125,37t (cos 409,06t + 0,3065 sin 409,06t)]1(t). (6) По коэффициентам моделирующей переходной функции вычислены параметры передаточной функции объекта управления 476,W ( p ) =.
1+1,37 10-3 p +5,46 10-6 pПо полученной модели объекта управления проведена оценка качества переходного процесса. Перерегулирование = 38,2%, а длительность переходного процесса с допустимой ошибкой 2% составила t = 37,8 мс.
п Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения (2%) применен пропорциональный регулятор и рассчитан его коэффициент усиления. Экспериментально получена переходная характеристика системы управления мощностью лазерного излучения с пропорциональным регулятором и проведена оценка качества переходного процесса (рис. 13).
характеристики системы управления с пропорциональным регулятором В результате применения пропорционального регулятора удалось достичь заданной точности и практически в 2 раза ( = 23,8%) уменьшить перерегулирование.
Полученное при этом увеличение длительности переходного процесса ( Рис. 13. Прямое и обратное (f =100 Гц) cp tп = 213, мс) является допустимым с преобразование Фурье переходной точки зрения типовых технологических процессов, выполняемых на ЛТК с НТР.
В главе IV рассмотрены методика и средства повышения надежности системы управления ЛТК с НТР. Описан блок диагностирования аварийных ситуаций (рис. 14), который, совместно с подпрограммой обработки аварийных ситуаций, позволяет своевременно выявить отказ или сбой в работе системы управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - восстановить управление лазерным комплексом.
Рис. 14. Блок диагностирования аварийных ситуаций:
1 - аварийный одновибратор; 2 - формирователь сигнала сброса по включению питания и кнопке Сброс; 3 - формирователь сигнала сброса по аварии источника питания; 4 - формирователь сигнала Сброс по сбою; 5 - триггер сбоя; 6 - формирователь аварийных сигналов; DO0 - цифровой выходной сигнал Блокировка аварийного одновибратора; DO1 - цифровой выходной сигнал Запуск аварийного одновибратора; DO2 - цифровой выходной сигнал Сброс триггера сбоя; DI0 - цифровой входной сигнал Состояние триггера сбоя Аварийный одновибратор 1 выполняет функцию сторожевого таймера, который программно (выход DO1) перезапускается через 10 мс. В случае отказа или сбоя в работе системы управления очередной запуск одновибратора 1 не происходит и спад сигнала одновибратора вызывает аппаратную установку триггера сбоя 5, состояние которого может быть программно считано (вход DI0) системой управления, и формирование сигнала Сброс по сбою длительностью мкс формирователем 4. Установленный триггер сбоя свидетельствует об отказе или сбое в работе системы управления. Фронт сигнала на выходе триггера сбоя запускает формирователь аварийных сигналов 6, который устанавливает аварийные сигналы на панели управления оператора, аварийно отключает лазер и выдает аварийный сигнал для технологических устройств.
При включении питания или нажатии кнопки Сброс (формирователь 2) и аварии источника питания системы управления (формирователь 3) вырабатывается сигнал Сброс периферии, сбрасывающий МП и периферийные устройства ввода-вывода, и состояние управления лазером полностью теряется.
При возникновении сбоя формируется сигнал Сброс МП, который сбрасывает только МП для того, чтобы сохранить состояние управляющих сигналов, а подпрограмма обработки аварийных ситуаций пытается восстановить управление и продолжить работу с последнего блока программы перед сбоем. Сразу после аппаратного сброса подпрограмма Начало работы выясняет причину, вызвавшую сброс системы управления: включение питания или нажатие кнопки Сброс, авария источника питания, сбой в работе системы управления.
Определив причину сброса, система управления переходит к соответствующим действиям по управлению ЛТК с НТР.
Для расширения диагностических возможностей системы управления исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур лазера на мощность излучения ЛТК с НТР и предложен метод его диагностики. Натекание воздуха является трудно диагностируемой неисправностью, приводящей к снижению мощности излучения.
Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание воздуха Ws в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности, приводя к его снижению (рис. 15).
Рис. 16. Зависимость среднего значения Рис. 15. Зависимость эмпирического Ws мощности от парциального Ws среднего значения мощности от давления воздуха p при частоте частоты импульсов ионизации F и импульсов ионизации 1540 Гц и кривая парциального давлении воздуха p Ws экспоненциальной регрессии на p (7) Наиболее равномерное и сильное уменьшение мощности происходит при частоте импульсов ионизации составляющей 1540 Гц. Для аналитического Ws = f ( p) представления зависимости при частоте импульсов ионизации, составляющей 1540 Гц, применена экспоненциальная регрессия (рис. 16) RgWs =414,089e-2,954 p +120,5. (7) Ws Выяснено, что самое быстрое уменьшение среднего значения мощности происходит во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст. Затем скорость уменьшения среднего значения мощности замедляется и при давлении 0,2 мм рт. ст. выходит на практически постоянный уровень.
На основании проведенных исследований предложен метод диагностики натекания воздуха в газовый контур ЛТК, который основан на уменьшении среднего значения мощности излучения при натекании воздуха. Для предложенного метода диагностики обоснован выбор оптимальной частоты импульсов ионизации, которая обеспечивает максимальную чувствительность во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст.
По сравнению с существующим методом время диагностики сокращается на порядок.
В Заключении, которым завершается диссертация, приведены основные результаты работы, отмечены их научная новизна и практическая значимость.
Основные результаты работы 1. Разработана и реализована методика диагностирования аварийных ситуаций, которая позволяет своевременно выявить сбой или отказ в системе управления и аварийно выключить ЛТК с НТР при отказе системы управления, а в случае сбоя в ее работе - автоматически восстановить управление лазерным комплексом.
2. Для расширения диагностических возможностей системы управления исследовано влияние натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения ЛТК с НТР. Определено, что из всех параметров лазерного излучения натекание Ws воздуха в газовый контур явно влияет только на среднее значение мощности, приводя к его снижению. Выяснено, что наиболее равномерное и сильное уменьшение мощности происходит при частоте импульсов ионизации составляющей 1540 Гц во время начального натекания при парциальном давлении воздуха до 0,1 мм рт. ст. На основании проведенных исследований предложен метод диагностики натекания воздуха в газовый контур лазера с НТР. По сравнению с существующим методом время диагностики сокращается на порядок.
3. Исследован и реализован в автоматическом режиме способ управления мощностью излучения ЛТК с НТР путем изменения частоты импульсов ионизации, что расширяет его технологические возможности, позволяя организовать работу комплекса, как в непрерывном, так и в импульснопериодическом режиме с регулируемой скважностью и длительностью импульсов и обеспечивает возможность перехода из одного режима в другой.
4. В результате исследования системы управления мощностью излучения ЛТК с НТР экспериментально получена переходная характеристика, построена модель, проведена оценка переходного процесса и определена передаточная функция объекта управления. Для достижения заданной точности установки мощности лазерного излучения применен пропорциональный регулятор, рассчитан его коэффициент усиления и проведено экспериментальное исследование системы управления мощностью лазерного излучения с пропорциональным регулятором. В результате удалось достичь заданной точности .
(2%) и практически в 2 раза уменьшить перерегулирование 5. Исследованы амплитудные изменения мощности лазерного излучения, определяемые способом управления мощностью излучения путем изменения частоты импульсов ионизации. Определено, что наличие амплитудного изменения мощности лазерного излучения с частотой импульсов ионизации, наряду с высоким качеством излучения, расширяет технологические возможности ЛТК с НТР, позволяя увеличить скорость резки материалов с высоким коэффициентом отражения. При лазерной резке алюминиевого сплава Д16АТ толщиной 1Ц1,5 мм достигнуто 30Ц50% увеличение скорости резки.
6. Исследованы особенности управления мощностью лазерного излучения при работе на новой газовой смеси. Определено, что пиковая мощность излучения на новой смеси газов примерно в 3,17 раза превышает мощность излучения в рабочем режиме при одной и той же частоте импульсов ионизации, что связано с протеканием плазмохимических реакций в тлеющем разряде. Выбрана оптимальная с точки зрения значения пиковой мощности лазерного излучения частота импульсов ионизации и определено время, необходимое для окончания плазмохимических реакций и установления химического равновесия в газовом контуре лазера. Определено, что для перехода лазера в рабочий режим при работе на новой газовой смеси необходимо подавать импульсы ионизации частотой 7Гц в течение 50 с. Модернизированы алгоритмы работы системы управления при включении лазера и при полной замене газовой смеси. Время, отводимое системой управления для достижения химического равновесия в новой газовой смеси, сокращено в 2 раза.
7. Проведено метрологическое исследование измерения мощности лазерного излучения и обосновано применение быстродействующего (10-5 с) термоэлектрического зеркала-приемника лазерного излучения с анизотропией термоЭДС, которое позволяет непосредственно измерять мощность широкоапертурного (20Ц50 мм) высокоинтенсивного (до 1 кВт/см2) лазерного излучения. Проведенные исследования показали, что зеркало-приемник обладает линейной характеристикой в диапазоне мощности от 0 до 3 кВт и может быть использовано в качестве датчика мощности в системе управления ЛТК с НТР.
Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах:
1. Бойцов О.М., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н. Микропроцессорное устройство управления технологическим лазером Лантан-3 // Материалы семинара Современные методы автоматического контроля и регулирования технологических процессов, общество Знание РСФСР. - М.: Знание, 1988. - С.
142Ц146.
2. Бойцов О.М., Верин В.М., Генералов Н.А., Зимаков В.П., Зотов В.П., Москалев В.С., Поденок С.Е., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н., Якимов М.Ю.
Технологический лазер Лантан-3 - М.: ИПМ АН СССР, 1989. - Препринт № 407. - 38 с.
3. Бойцов О.М., Дятлова О.Е., Соловьев Н.Г., Шемякин А.Н.
Микропроцессорное устройство управления технологическим лазером Лантан-3 // Первая межд. конф. молодых ученых "Приоритетные направления в научном приборостроении". Тезисы докладов. - Л.: Изд. НТО АН СССР, 1990. - С. 59.
4. Пат. 75791 Россия, МПК H01S 3/00. Система управления лазером / А.Н.
Шемякин, М. Ю. Рачков. - Опубл. 20.08.2008.
5. Рачков М.Ю., Шемякин А.Н. Развитие методов диагностирования систем управления лазерами // Сб. Межд. конф. по искусственному интеллекту. - Кацивели: Украина, 2008. - С. 195-199.
6. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Повышение надежности работы лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. - 2008. - № 2 (15). С. 27-35. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК) 7. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Выбор способа управления мощностью излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. - 2009. - № 3 (16). - С. 25-31.
8. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Якимов М.Ю. Измерение мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. - 2009. - № 2 (19). - С.
22-29. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК) 9. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю. Исследование мощности излучения технологического лазерного комплекса // Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения: Сб.
научных докладов VIII Межд. научно-практической конф. - М.: МГИУ, 2009. - С.
91-94.
10. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Влияние амплитудного изменения мощности излучения на технологические возможности лазерного комплекса // 7-ая научно-техническая конф. по мехатронике, автоматизации и управлению. - Санкт-Петербург: ЦНИИ Электроприбор, 2010. - С. 424-427.
11. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния деградации рабочей смеси газов на мощность излучения лазерного технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Известия МГИУ. - 2010. - № 3 (20). - С. 28-31.
12. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование характеристик мощности лазерного излучения технологического комплекса с несамостоятельным тлеющим разрядом // Машиностроение и инженерное образование. - 2011. - № 1 (26). - С. 40-48. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК) 13. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения лазерного технологического комплекса. Часть 1. // Мехатроника, автоматизация, управление.
- 2011. - № 7. - С. 46-50. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК) 14. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Управление лазерным комплексом с учетом деградации рабочей смеси газов // 4-ая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления // Материалы 4-й Всероссийской мультиконференции. Т. 2. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 433-435.
15. Шемякин А.Н., Рачков М.Ю., Соловьев Н.Г. Исследование влияния натекания воздуха в газовый контур на мощность излучения лазерного технологического комплекса. Часть 2. // Мехатроника, автоматизация, управление.
- 2011. - № 12. - С. 45-51. (из перечня изданий, рекомендованных ВАК)
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям