Лазерный мир

Умнов В.П., Старостин Д.А. // Журнал Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11 (часть 8) – С. 1703-1708, УДК 67.05

Повышение стабильности лазерного термоупрочнения и его использование для изделий различной достаточно сложной геометрической формы возможно путем качественного управления технологическим процессом в автоматизированных системах на базе применения роботов, а также широкого использования моделей и современных подходов к структурному и параметрическому синтезу систем интеллектуального управления объектами, работающими в условиях нестационарности и неопределенности с учетом особенностей рабочего инструмента – лазерного луча. Предложена структура двухконтурной интеллектуальной системы управления, содержащей контур стабилизации температуры поверхностного слоя и контур коррекции параметров упрочняемого слоя. Такая структура позволит получить поверхность с переменной глубиной и (или) твердостью упрочненного слоя в случае ее неравномерного износа по условиям эксплуатации объекта, а также стабилизировать термический цикл в недетерминированных условиях, обеспечивая инвариантность процесса к внешним возмущениям. Система содержит параллельные модели нагрева материала, включая модель термического цикла.

Описание на английском языке:

SYSTEM MANAGEMENTS BY ROBOTIC TECHNOLOGICAL PROCESS OF THE LASER WORKHARDENING
Umnov V.P. 1 Starostin D.A. 1
1 The Federal State budgetary educational institution of higher professional education «The Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletovs»
Abstract:
Increase of stability of the laser work hardening and his use for the wares of different difficult enough geometrical form maybe by a quality management by a technological process in CASS on the base of application of robots, and similarly deployment of models and modern going near the structural and self-reactance synthesis of the systems of intellectual management by objects working in the conditions of not stationarity and vagueness taking into account the features of working instrument – laser ray. The structure of double-circuit intellectual control system offers, to the containing a contour stabilizing of temperature of superficial layer and contour of correction of parameters of hardenable layer. Such structure will allow to get a surface with a variable depth and (or) hardness of the work-hardened layer in case of her uneven wear on external of object environments, and also to stabilize a thermal cycle in nondeterministic terms, providing the invariance of process to external indignations. The system contains the parallel models of heating of material, including the model of thermal cycle.

Лазерное упрочнение металлов значительно улучшает надежность, долговечность и другие эксплуатационные показатели изделий за счет повышения их износостойкости, теплостойкости и твердости. Усилия специалистов в области лазерного упрочнения сегодня направлены главным образом на создание высокоэффективных автоматизированных комплексов, обеспечивающих необходимую точность временного и локального дозирования теплового воздействия.

Однако в современных условиях возможности лазерного технологического оборудования используются далеко не полностью. Это объясняется в основном нестабильностью конечного результата лазерного упрочнения, которая зависит от априорной неопределенности теплофизических свойств материала упрочняемого изделия, существенной погрешности необходимого дозирования энергии излучения в зону нагрева, неравномерности распределения плотности мощности, статических и динамических погрешностей исполнительной системы и других факторов.

Одним из направлений в создании автоматизированной системы управления лазерным технологическим процессом является обеспечение системного подхода при планировании экспериментальных и теоретических работ с целью полного описания взаимосвязи между механическими характеристиками, определяемыми условиями эксплуатации изделия и техническими параметрами комплекса [1]. При этом отмечается необходимость создания многокомпонентных банков данных взаимосвязи показателей качества, свойств материалов, параметров лазерного технологического процесса, технологических приемов и технических параметров на основе математических моделей. По существу, такая система является автоматизированной системой подготовки производства и не является системой непосредственного управления ходом технологического процесса в понимании классической теории. Разработке алгоритмов управления автоматизированными установками лазерного термоупрочнения, включая роботы, на основе моделей процессов, организации обратных связей и выработке на их основе управляющих воздействий на технологические параметры посвящено достаточно большое количество работ, например [2–4]. В большинстве известных работ используются стационарные модели и одноконтурные системы управления по температуре нагрева поверхности объекта упрочнения. В качестве измерительных преобразователей в таких системах используются пирометры. Бесконтактное измерение температуры на поверхности детали в зоне обработки позволяет системе управления осуществлять регулирование процессом лазерного термического упрочнения в режиме реального времени преимущественно за счет изменения скорости перемещения луча. Такие системы не способны измерять скорости нагрева и охлаждения зоны воздействия луча на поверхность изделия и, следовательно, глубину упрочненного слоя, которая является основным показателем результата термообработки.

В работе [3] предлагается для контроля поверхностного распределения температур детали использовать тепловизор и по поверхностному градиенту вычислять градиент по глубине закалки, определяющий процесс теплового воздействия. Такое устройство матричного типа обрабатывает избыточную информацию, поскольку изображение перемещается относительно матрицы и создает дополнительные «геометрические шумы». Кроме этого, использование тепловизора предопределяет простую форму обрабатываемого изделия, ограничивая его применение. При лазерной термообработке изделий цилиндрической формы для организации обратной связи предлагается использовать оптико-электронную систему [4], в которой в качестве датчика используются две линейки инфракрасных датчиков, устанавливаемых с учетом скорости термообработки и времени насыщения, характеризующего неустановившийся режим распределения тепла от источника излучения. Данная система способна идентифицировать скорости нагрева и охлаждения зоны воздействия луча на поверхность изделия заданной формы только для определенной постоянной скорости движения теплового пятна.

Кардинальным путем повышения стабильности лазерного термоупрочнения и его использования для изделий различной достаточно сложной геометрической формы является создание качественного управления технологическим процессом в автоматизированных системах на базе применения роботов, а также широкого использования моделей и современных подходов к структурному и параметрическому синтезу систем интеллектуального управления объектами, работающими в условиях нестационарности и неопределенности с учетом особенностей рабочего инструмента – лазерного луча. Одной из возможных структур эффективных систем управления процессом лазерного термоупрочнения при использовании роботов является двухконтурная система, структура которой приведенная на рис. 1. Для обучения контроллера можно воспользоваться графиком зависимости средней температуры пятна нагрева поверхности лазерным лучом от скорости обработки. Такой график, полученный для рассматриваемого случая, приведен на рис. 5. На рис. 6 показан график обучения построенной нейросети

Оптимальные результаты обучения были достигнуты при числе нейронов на входе до 90 и числе эпох обучения до 2000.

Полное содержание статьи: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35831