Содержание к диссертации
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 комплексов 15
1.2. Общие вопросы технологических процессов лазерной термообработки 18
1.2.1. Свойства лазерного излучения 18
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 излучения с металлом
2.4. Оптимизация способа измерения степени поляризации теплового 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 интенсивности излучения 41
2.5. Сравнительная оценка расчетных и экспериментальных значений параметров процесса лазерной закалки 43
2.5.1. Связь между показателями качества технологического процесса и параметрами лазерного технологического комплекса 43
2 6. Последовательность расчета распределенного управления 45
2.6.1. Определение параметров перемещающегося лазерного
излучения - источника нагрева 48
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 55
2.8. Уравнение энергетического баланса лазерной резки в среде кислорода
Глава 3. STRONG Анализ и синтез системы управления лазерного технологического
комплекса термообработки металлов STRONG 61
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 воздействия
3.2.2. Математическая модель теплового потока, наведенного лазесным излучением.
Особенности описания (моделирования)
теплофизических процессов при резке металла лазерным излучением 64
3.2.3. Моделирование теплового поля на основе численной модели..
3.3. Разработка и исследование системы автоматического управления лазерным технологическим комплексом 72
3.4. Расчет показателей качества каналов регулирования
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 автоматического управления 98
3.4.5. Расчет устойчивости и запасов устойчивости 101
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
4.3. Металлографические исследования лазерного реза различных металлов : 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
- Общие вопросы технологических процессов лазерной термообработки
- Оптимизация способа измерения степени поляризации теплового излучения
- Математическое описание подвижных источников воздействия
- Металлографические исследования лазерного реза различных металлов
Введение к работе
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., Андрияхин В.М., Веденов А.А., 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 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 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 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.
Общие вопросы технологических процессов лазерной термообработки
При разработке специализированных ЛТК для лазерной термообработки основной задачей является обеспечение высококачественной обработки заготовок. Один из способов [5] включает устройство для контроля лазерных технологических процессов, которое содержит лазер со сканирующей и фокусирующей системой, узкополосный диодный лазер, двухканальный 4 оптический пирометр, работающий в области от 1,1 до 2,5 мкм, и две видеокамеры. Одна видеокамера регистрирует изображение области обработки в спектральной области длин волн от 400 до 950 нм. Дополнительная видеокамера регистрирует изображение области обработки либо на длине волны лазера, либо на длине волны узкополосного диодного лазера. В результате достигается расширение функциональных возможностей. ( Известен способ [6] отслеживания кромок перед лазерной сваркой и/или контроля кромок и соответственно контроля сварного шва после сварки при сварном соединении листов вдоль общей кромки, причем свет проецируют на листы в форме нескольких линий (отличающиеся друг от друга световой интенсивностью), проходящих поперек через кромку, и оценивают изображение линий, зарегистрированное камерой.
В работе [7] рассматривается устройство для контактной лазерной обработки, которое содержит оптическую лазерную головку, щуп, датчик смещения. Датчик выполнен в виде источника цифровых сигналов, имеющего две подпружиненные относительно друг друга дискретные пластины. Щуп имеет регулируемый по высоте шток, посредством которого он связан с одной из пластин. Одна пластина подпружинена установленными на штоке пружинами обратного действия, а другая пластина подпружинена установленным на головке ходовым винтом. Конструкция устройства позволяет достигнуть повышения точности и производительности обработки заготовки за счет непрерывного измерения расстояния между фокусной точкой оптической головки лазера и обрабатываемой поверхностью, а также преобразование формы сигнала из аналоговой в цифровую.
Для формирования требуемой поверхности обрабатываемого материала используют способ [8] лазерной технологической обработки материалов заготовки, заключающийся в том, что направленный пучок лазерного излучения, который фокусируют внутри объема материала на расстоянии, обеспечивающем приповерхностное разрушение заготовки со стороны ее задней поверхности, и перемещают фокус пучка лазерного излучения внутри объема заготовки по направлению к ее передней стенке
Обнаружение дефектов сварного шва за счет контроля высоты сварного шва осуществляют регистрацией дефектов сварного стыкового соединения при глубокой сварке лазерным лучем. Высоту сварного шва считывают механической шпилькой, или оптическим дальномером, или акустическим дальномером. Расположенное над сварным швом считывающее устройство оснащено средством для непрерывного перемещения вдоль шва и оборудовано как дистанционное средство для измерения расстояния до поверхности сварного шва [9].
При лазерной закалке материала используют устройство [10] управления, содержащее источник лазерного излучения, приемник инфракрасного излучения с светофильтром на входе и усилителем электрических сигналов на выходе, связанный с микропроцессором, контроллер исполнительных механизмов, первый выход которого подключен к блоку питания, связанному с источником лазерного излучения, а вход - к первому выходу микропроцессора, и панель управления оператора, связанную первой двухсторонней связью с контроллером исполнительных механизмов, отличающееся тем, что приемник инфракрасного излучения выполнен в виде многоэлементного линейного фотоприемника для измерения поверхностного распределения температуры по линии визирования, расположенной на поверхности материала за точкой воздействия лазерного луча по направлению перемещения и перпендикулярно траектории обработки, и установлен на оптической головке, оптически связанной с источником лазерного излучения, с возможностью линейного перемещения вдоль траектории обработки материала при помощи привода линейного перемещения, вход которого связан через фильтр высоких частот с вторым выходом микропроцессора, причем устройство дополнительно снабжено приводом продольного перемещения материала, вход которого подключен к второму выходу контроллера исполнительных механизмов, при этом панель управления оператора связана второй двухсторонней связью с микропроцессором.
Сварка, резка и другие виды термической обработки может быть осуществлено устройством [11], содержащим источник лазерного излучения и источник предварительного подогрева. В излучающем фокусе эллипсоидного отражателя установлены электроды. Световод соединен одним концом с источником лазерного излучения, а другим - с фокусирующей оптической системой. Отражатель может иметь кольцевую вставку с входным отверстием для прохождения лазерного луча. Фокусирующая оптическая система может быть размещена в отверстии вставки. Вставка может быть с эллипсоидной или параболоидной отражающей поверхностью. Фокусирующая оптическая система может быть расположена у торца отражателя за апертурным углом.
Оптимизация способа измерения степени поляризации теплового излучения
Качество лазерного упрочнения определяется скоростью нагрева и охлаждения зоны термического влияния, а также временем выдержки и ее температурой. Анализ микроструктурных преобразований в зоне воздействия ЛИ показывает ее неоднородность [82], выраженная в наличии сегментов с отличительными признаками как по микротвердости, так и по размерам кристаллической структуры (рисунок 2.9).
Показатели качества ТП зависят не только от экстремального значения Тмакс(х), но и от закона распределения Т(х) в зоне термического воздействия. Связано это с определенными соотношениями между температурами и скоростями их достижения в различных стадиях нагрева. Таким образом, процесс требует поддержания строго определенного распределения температуры в зоне нагрева, которая перемещается вследствие движения ЛИ.
Проведенные исследования образцов из различных металлов после воздействия ЛИ показывают разнообразие форм зоны термического влияния в зависимости от модового состава ЛИ при различных. На фотографиях представлены микроструктуры циркония и стали 45 после воздействия лазерного излучения при различных мощностях [75].
Фотографии микроструктур образцов из циркония после воздействия лазерного излучения мощностью: а-1 кВт; 6-0,8 кВт при скорости обработки 100 мм/с Микрофотографии показали, что для циркония, существует пороговое значение плотности мощности излучения, при которой влиянием модового состава можно пренебречь (рисунок 2.10, а). При величинах плотности мощности ниже порогового значения проявляется влияние модового состава, что хорошо видно на рисунке 2,10, б. Это соответствует термообработке ЛИ без оплавления, т.е. закалке без изменения шероховатости поверхности [35].
На рисунке 2.11 хорошо просматривается сегментная форма зоны термического воздействия, однако, модовый состав ЛИ ТЕМШ (ТЕМы) соответствовал наиболее неблагоприятному распределению температурного поля [84]. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о незначительном влиянии модового состава энергии выше пороговых значений.
1. Выбирается время tm. Время воздействия ЛИ должно быть по возможности минимальным для меньшего теплонасыщения тела. Однако оно не может быть меньше времени процесса закалки щ элементарного объема тела [76]. Рекомендации по определению значения tm приводятся ниже.
2. Задаем функцию требуемого изменения температуры для каждого узла расчетной схемы, которая определена из параметров ТП термоупрочнения. В расчетной области скорость изменения состояния тела постоянна, поэтому член, характеризующий ее в рассматриваемой функции, будет иметь вид построим непрерывную по времени t функцию распределенного состояния Т1 (х, 1), хєШ, te[0, tm].
3. Задается непрерывная по аргументам х, I функция ТА(х, 1, а1,..., ak), которая аппроксимирует Т1 (х, 1) с определенной точностью, зависящей от параметров al,..., ak. Здесь а1,..., ak.- параметры, определяющие траекторию во времени и подлежащие определению в процессе оптимизации. где Dp - расчетная область, ограниченная (0,1 )х(0,12); х=(xl, х2)е В; t 0; tO(х) - время достижения температуры начала фазовых превращений АС1; Q(x,t) - распределенное воздействие ЛИ (распределенное управление); T(Q(x,t),x,t) - значение температуры в любой точке расчетной области, Тз(1) -заданное изменение температуры; 1ц - заданная продолжительность фазовых преобразований в металле.
Если ограничения на управление выполняются и изменение значения (26) не превышает допустимой величины, выбирается новое значение tm, если нет, выбираются новые значения параметров а1,..., ak и расчет повторяется, начиная с п. 4.
8. Выбирается новое значение tm и расчет п.2-п.2 повторяетсяе Выбор новых параметров tm, а1,..., ak, можно производить, используя известные методы минимизации функционала, например градиентный метод. Расчет заканчивается, когда изменение параметра tm не приводит к улучшению решения.
Значение tm задает интенсивность процесса термоупрочнения, т.е. чем меньше время tm, тем выше скорость перемещения пятна нагрева. Это в свою очередь, требует повышения мощности излучения, которое ограничено возможностями излучателя, а также допустимым предельным значением плотности мощности излучения для данного материала. Приближенное значение скорости перемещения ЛИ по обрабатываемой поверхности можно определить по формуле V = — практике, значение скорости V =20 (мм/с). При скорости 20 мм/с время tm = 1/20
Вид аппроксимирующей функции оказывает значительное влияние на точность получаемого решения, трудоемкость, затраты времени на вычисления. При удачном выборе аппроксимирующей функции удовлетворительное для практики решение может быть получено за одну итерацию. При выборе аппроксимирующей функции необходимо учитывать характер изменения температуры, который носит экспоненциальный вид [78]. 2.6.1. Определение параметров перемещающегося лазерного излучения - источника нагрева
Математическое описание подвижных источников воздействия
Процесс взаимодействия ЛИ характеризуется температурой металла в зоне термического воздействия, временем выдержки, обеспечивающим растворение примесей в структуре железа и диффузии металлов, а также скоростью нагрева и охлаждения. Результаты лазерной сварки разнородных металлов показывают нестабильность показателей качества ТП [93]. К этим показателям качества относятся заданная прочность, устойчивость к высоким нагрузкам, отсутствие несплавлений, подрезов, пор, прожигов и др. В процессе сварки, по сравнению с традиционными методами (электродуговая сварка, аргоновая и др.), особенно ярко проявляются достоинства лазерной технологии. Это более высоко реализуемая плотность энергии на поверхности металла, что позволяет получать высокую микротвердость и износостойкость шва, в результате снижается деформация детали и повышается точность изготовления сварного соединения.
Существенное значение в этом играет стабильность параметров ЛТК. Здесь необходимо рассматривать ЛТК как совокупность взаимодействующих между собой звеньев сложной системы. Задание параметров ТП при обработке деталей лазерным излучением обычно производится либо по экспериментальным данным зависимостей показателей качества, либо используются справочные данные. Это приводит к неоптимальному выбору параметров ЛТК при существенном увеличении как экономических, так и временных затрат.
Описание взаимосвязей между этапами расчета технологических параметров основано либо на накоплении экспериментальных данных и приведении их к единому стандарту требований при выборе параметров ЛТК, либо на получении математических моделей на основе физических законов процесса взаимодействия ЛИ с металлами [63-64].
В силу сложности математического описания функциональных зависимостей между параметрами ТП и механическими характеристиками деталей, предпочтительнее являются методы расчета этих параметров на основе экспериментальных данных [24]. В этом случае повышение точности вычислений параметров ЛТК определяется чистотой эксперимента, методами статистической обработки результатов, методами аппроксимации функциональных зависимостей и т.п [25].
Структура автоматизированного ЛТК Процесс управления заданными параметрами ТП будет определяться структурной схемой АЛТК, которая представлена на рисунке 2.16. При разработке моделей необходимо также учитывать прогрессивные направления в построении САУ ЛТК, которые характеризуются введением обратных связей на основе информативных параметров, измеряемых в реальном времени. Одним из примеров является использование температуры зоны взаимодействия ЛИ с металлом. Поэтому использование расчета зависимостей технологических параметров ЛТК от параметров ТП на основе математических моделей является наиболее приемлемым. Это объясняется наибольшей изученностью данной проблемы и большим количеством опубликованных работ. Однако наряду с учетом таких параметров, как скорость, мощность и размер зоны нагрева, необходимо учитывать и температуру зоны взаимодействия ЛИ с металлом [65-69]. На основании выделенных этапов взаимосвязи начальных характеристик детали с конечными параметрами ЛТК сформулированы требования к разработке методики их расчета.
В этих условиях актуальной является разработка такой системы расчета технологических параметров, которая, с учетом особенностей габаритно-весовых характеристик детали, а также на основе экспериментально полученных зависимостей параметров ТП от показателей качества, обеспечивала бы повышение эффективности использования ЛТК.
Металлографические исследования лазерного реза различных металлов
Проведенные исследования, подтверждаемые соответствующими расчетами показателей качества трехконтурной САУ доказывают потенциальную возможность создания ЛТК с обратными связями по информативным параметрам измеряемым в реальном масштабе времени.
САУ ЛТК включает совокупность звеньев системы, содержащую как источник лазерного излучения, оптический тракт транспортировки, свариваемую деталь и т. д., так и микропроцессорную систему с регуляторами выходных параметров технологического комплекса. Выбор и расчет режимов лазерной сварки детали является составной частью задачи оптимизации системы управления ЛТК. На эту систему действуют возмущающие воздействия различной физической природы и, в конечном счете, влияют на температуру в зоне сварки, отклоняя ее от заданных по технологии значений, а значит, ухудшающие качество сварки.
В числе основных требований, предъявляемых к системам автоматического регулирования, должно быть, прежде всего, выполнено условие устойчивости. Чтобы качественно выполнить задачу в различных изменяющихся условиях работы, система должна обладать определенным запасом устойчивости [44].
В устойчивых системах автоматического регулирования переходный процесс с течением времени затухает и наступает установившееся состояние. Как в переходном режиме, так и в установившемся состоянии выходная регулируемая величина x(t) отличается от желаемого закона изменения на некоторую величину, которая является ошибкой и характеризует точность выполнения поставленных задач. Ошибки в установившемся состоянии определяют статическую точность системы и имеют большое практическое значение, поэтому при составлении технического задания отдельно выделяют требования, предъявляемые к статической точности. Большой практический интерес представляет поведение системы в переходном процессе. Показателями переходного процесса являются время переходного процесса Трег, перерегулирование ст и число колебаний п регулируемой величины около линии установившегося значения за время переходного процесса.
На рисунок 3.23 показан переходный процесс в некоторой системе автоматического регулирования, вызванный типовым воздействием. Переходный процесс этого графика соответствует устойчивой системе.
Переходный процесс устойчивой САР x(t) - переходный процесс; х() - установившееся значение переходного процесса системы имеющей при со нулевую ошибку по положению; хтах максимальное отклонение регулируемой величины; а - величина перерегулирования; ± 0.005x(boj = А - трубка переходного процесса; Трег время переходного процесса
Время переходного процесса Трег, или время регулирования, определяется промежутком времени от момента приложения воздействия до момента (точки А), когда абсолютная величина разности между регулируемой величиной x(t) и ее значением в установившемся состоянии х(сс) становится во все последующие моменты времени меньше некоторой заданной малой величины А. Часто А выбирают равной 5% от установившегося значения регулируемой величины.
Время переходного процесса является важным показателем, характеризующим быстроту реакции системы, или ее быстродействие.
Перерегулирование (%) может служить мерой колебательности процесса: а = тах О 100%, где хтах - максимальное значение регулируемой величины. х(оо) Допустимые значения перерегулирования чаще всего находятся в пределах от 0 до 25%. Число колебаний за время переходного процесса также является мерой колебательности. Обычно требуется, чтобы число колебаний п 2. Показатели переходного процесса характеризуют качество системы автоматического регулирования и являются одним из важнейших требований, предъявляемых к динамическим свойствам системы.
В тех случаях, когда воздействие (управляющее или возмущающее) не является типовым сигналом и не может быть сведено к типовому, т.е. когда оно не может рассматриваться как сигнал с заданной функцией времени и является случайным процессом, в рассмотрение вводят вероятностные характеристики. Обычно при этом оценивается динамическая точность системы с помощью понятия среднеквадратичной ошибки.
Исследование системы автоматического регулирования или ее элементов связано с изучением процессов, протекающих как в самой системе, так и в элементах. Характер и направление протекания процессов соответствуют тем или иным физическим законам, математическая формулировка которых для рассматриваемой системы и определяет уравнение, которое может быть положено в основу анализа. Уравнения, описывающие процессы в элементах и системе могут быть линейными и нелинейными, дифференциальными, разностными и алгебраическими, с постоянными и переменными коэффициентами и т.д. Реальные системы описываются, в общем случае,
Похожие диссертации на Система управления процессами лазерной термообработки деталей машиностроения на основе стабилизации рабочих режимов
