Введение к работе
Актуальность темы.
Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки.
Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца.
Мировой рынок лазерного оборудования для обработки материалов оценивается в 7,9 миллиардов евро, однако российский рынок составляет не более 1% от мирового, хотя в последние годы он растет. Следует отметить, что в РФ применяют, в основном, зарубежные установки фирм «Trumpf», «Mazak», «Prima Industrie», хотя появляются и отечественные разработки - это продукция ЗАО «Лазерные комплексы», ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» и др. Поэтому проблема создания высококачественных отечественных лазерных технологических установок (ЛТУ), позволяющих повысить эффективность производственных процессов является чрезвычайно актуальной и экономически выгодной.
Состояние проблемы. В настоящее время тенденцией развития лазерных установок является их автоматизация, причем в той или иной форме автоматизация применяется на большей части лазерных установок.
Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.
Большинство выпускаемых в настоящее время лазерных установок выполнено с «летающей» оптикой или подвижным лазерным лучом. Разрезаемый материал остается при этом неподвижным, а лазерный луч перемещается по нему, осуществляя программируемые резы.
Сам лазер располагают непосредственно на раме установки либо рядом с ней (в этом случае система подачи луча направляет его по осям Х и Y). Установки с «летающей» оптикой предназначены для обработки заготовок размерами от 0,8х0,6 до 3х8 (м).
Следует отметить, что важнейшим элементом лазерной технологической установки является ее информационно-измерительная и управляющая система ЛТУ (ИИУС ЛТУ), назначение которой состоит в получении, хранении и обработке измерительной и управляющей информации с целью выработки входных сигналов на электродвигатели и лазер. Такая ИИУС ЛТУ содержит устройство управления, интерполятор, регуляторы положения, скорости, усилители мощности, датчики положения, скорости.
Особенности построения и работы ИИУС ЛТУ позволяют вскрыть следующие трудности их проектирования и использования:
повышение эффективности раскроя материала предопределяет оптимизацию траекторий перемещения лазера, позволяющую существенно экономить обрабатываемый материал;
контурный режим работы предопределяет управление параметрами по всей траектории движения исполнительного органа, т.е. повышает требования к динамической точности (а значит и к полосе пропускания);
цифровое исполнение регуляторов и датчиков параметров может в некоторых случаях (при неправильном учете эффектов квантования по уровню и времени) приводить к неустойчивой работе всей системы;
построение всей системы в виде «вложенных» друг в друга контуров приводит к некоторому запаздыванию управляющих сигналов.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности (точности, быстродействия и экономичности) лазерных технологических установок за счет совершенствования их информационно-измерительных и управляющих систем.
Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:
разработать методы и методику раскроя материала для резки, позволяющие минимизировать отходы материала при резке;
разработать математические модели следящих электроприводов ИИУС ЛТУ, учитывающие их основные особенности;
синтезировать корректирующие устройства, повышающие быстродействие и точность ЛТУ;
провести экспериментальные исследования для подтверждения теоретических положений и результатов моделирования.
Методы исследования: численные методы интегрирования дифференциальных уравнений, метод преобразований Лапласа, методы оптимального управления и идентификации.
Новые научные результаты, полученные в диссертационной работе:
на основе анализа особенностей работы лазерных технологических установок разработаны технические требования, предъявляемые к ИИУС ЛТУ;
на базе метода парных замещений разработан метод определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;
предложена обобщенная математическая модель ИИУС ЛТУ, отражающая основные особенности контуров положения - нелинейности регуляторов параметров;
синтезированы корректирующие устройства регуляторов параметров ИИУС ЛТУ, увеличивающие быстродействие и точность лазерных технологических установок в различных режимах работы.
Практическая значимость:
разработаны корректирующие устройства регуляторов параметров ИИУС ЛТУ, обеспечивающие уменьшение погрешности и увеличение быстродействия ЛТУ;
разработана методика упрощенной настройки регуляторов параметров ИИУС ЛТУ в зависимости от режимов работы - контурного или позиционного;
разработана методика определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;
Апробация работы. Результаты работы были использованы для докладов на:
на семинарах кафедры ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы» (ноябрь 2011г., март 2012 г.);
в выступлениях на факультетских конференциях МГУПИ (март 2013 г.);
на отраслевых совещаниях в ОАО «ЦНИТИ».
На защиту выносятся:
методика определения оптимальных траекторий движения рабочего органа лазерных технологических установок;
обобщенная функциональная схема ИИУС ЛТУ;
обобщенная математическая модель ЭП ЛТУ;
корректирующие устройства для ИИУС ЛТУ, повышающие быстродействие и точность ЛТУ;
методика упрощенной настройки регуляторов параметров ИИУС ЛТУ в зависимости от режимов работы - контурного или позиционного.
Личный вклад автора
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ в виде статей в журналах, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка использованной литературы и 3-х приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунка, 6 таблиц и список литературы из 115 наименований.
