Повышение эффективности информационно — измерительных и управляющих систем лазерных технологических установок при резке материалов

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[1].

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», «Primaindustrie», хотя появляются и отечественные разработкиэто 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.

В настоящее время основной тенденцией развития лазерных установок является их автоматизация, причемв той или иной форме автоматизация применяется на большей части лазерных установок[2].

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 теперь 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 X и Y). Установки с «летающей» оптикой предназначены для обработки заготовок размерами от 0,8×0,6 до 3×8 (м).

Следует отметить, что важнейшим элементомлазерной 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.

Следует отметить, что несмотря на широкое применение лазерных технологических установок в промышленности практически отсутствуют труды по методикам их проектирования. Счастливым исключением являются работы Белянина П. Н. Григорьянца А.Г., Miyamotol., Данилова A.A., Крайнева А. Ф. Афонина В.Л., но и в них рассмотрены, в основном, либо вопросы проектирования механической части установок, либо особенности применения лазеров. Вопросам же проектирования ИИУС ЛТУ и их элементам внимания практически не уделяется.

Вместе с тем, особенности построения и работы ИИУС ЛТУ позволяют вскрыть следующие трудности их проектирования и использования:

— повышение эффективности раскроя материала предопределяет оптимизацию траекторий перемещения лазера, позволяющих 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.

Анализ и учет всех этих факторов предопределил содержание работы.

В первой главепроведен анализ областей использования лазерных технологий в современном производстве, которые следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения, которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

На основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок, как отечественных, так и зарубежных, были определены технические требования, предъявляемые к современным ЛТУ реза.

Также, на основе анализа конкретных образцов лазерных технологических установок была разработана обобщенная функциональная схема лазерных технологических установок.

Во второй главе рассмотрены методы построения комплексной модели раскроя и ее применение для повышения эффективности раскройно-заготовительного производства. Проанализированы различные математические методы, позволяющие решить эту задачу — метод разрешающих множителей, симплекс-метод, сеточный метод, метод склейки, метод северо-восточного угла, метод юго-восточного угла, метод последовательного улучшения оценок, метод ветвей и границ, метод замещений. В качестве основного оптимизационного метода решения задач раскроя материала выбран метод парных замещений, как имеющий абсолютную сходимость за малое время. Формализована функциональная модель раскройного производства, основанная на анализе взаимодействия материального и информационного потоков.

Также разработана вычислительная схема решения целочисленной задачи раскроя.

В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования исполнительных электроприводов ИИУС ЛТУ. Также разработаны технические требования, предъявляемые к ним и математические модели унифицированных электроприводов. На основании полученных результатов была разработана схема ЭП ИИУС ЛТУ с переменной структурой, обладающая хорошими техническими показателями, удовлетворяющими предъявляемым требованиям. Также в работе была разработана математическая модель системы 2-х взаимосвязанных электроприводов ИИУС ЛТУ. Математическое моделирование разработанных систем позволило определить пути совершенствования ЭП ИИУС ЛТУ.

В четвертой главеприведен пример практического раскроя материала для лазерной технологической установки ЛТУ-1. Показано, что деятельность производственного предприятия в целом может быть отражена в виде некоего множества потоков, связывающих участки и оборудование этихучастков. Для комплексной модели раскроя целесообразно выделить информационные и материальные потоки. Именно они оказывают существенное влияние на эффективность раскройно-заготовительного производства. Разработана временная диаграмма работы ЛТУ-1 по раскрою исходного материала, на которой представлены затраты времени на различные этапы.

Представлены осциллограммы переходных процессов контуров положения ИИУС ЛТУ-1 и траектории движения исполнительного органа установки в плоскости х, у соответственно без корректирующего устройства и с корректирующим устройством, реализованным программным путем. В заключении изложены основные научные и практические результаты работы.

В приложениях приведены принципиальные электрические схемы корректирующих устройств и акт внедрения основных результатов работы.