Оптико-электронная система контроля режимов лазерной термообработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волгоградский государственный технический университет

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ

А.Н. Шилин, В.В. Медведев

В работе проведен анализ существующих систем управления технологическим процессом лазерной термообработки деталей. Представлена разработанная система контроля поверхностного градиента температур обрабатываемой детали.

Интенсивное развитие лазерной техники в течение последних десятилетий привело к широкому внедрению технологии лазерного термического упрочнения (лазерной закалки) в машиностроении. По сравнению с традиционными видами поверхностного упрочнения лазерная закалка обладает рядом преимуществ - минимальные деформации деталей в процессе обработки, высокая производительность, технологическая гибкость. Необходимым условием автоматизации технологического процесса лазерной закалки является оснащение технологического оборудования системами контроля, позволяющими управлять режимами термообработки в реальном времени. В связи с этим вопросы, связанные с контролем режимов лазерного термического упрочнения, являются весьма актуальными.

Основной интегральной характеристикой, определяющей твердость поверхностного слоя, является глубина z_зак упрочненного слоя, поэтому основной задачей разработки средств контроля является получение оперативной информации о глубине упрочненного слоя на основе поверхностного распределения температурного поля в зоне обработки.

Анализ патентных и литературных источников показал, что основная доля лазерных установок реализована по разомкнутому принципу управления относительно обрабатываемой детали (примером может служить патент РФ № 2288084 от 27.11.2006). Настройка лазера заключается только в установке плотности мощности излучения, фокусировки и скорости обработки, которые являются постоянными в течение всего процесса обработки партии деталей. Начальные параметры установки определяются по справочным данным, которые могут корректироваться с учетом результатов обработки предыдущих партий. Достоинствами таких установок являются высокая надежность, низкая стоимость и простота в управлении. Однако такие системы не способны осуществлять корректировку режимов закалки при возникновении возмущений. Причинами таких возмущений могут быть случайное изменение геометрии поверхности обрабатываемой детали, колебания толщины поглощающего покрытия, наносимого перед обработкой, а также разброс химического состава материала обрабатываемой детали. Отсюда следует, что для повышения качества обработки деталей необходимо осуществлять корректировку режима непрерывно в течение всего технологического процесса.

Более совершенными являются лазерные системы, в состав которых входит звено обратной связи, предназначенное для точечного контроля температуры в зоне обработки [1]. 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. Недостатком таких систем является невозможность оценки глубины упрочненного слоя, которая является основным показателем результата термообработки.

Современное оборудование лазерного термического упрочнения оснащается системами управления, которые содержат тепловизоры [2], позволяющие осуществлять контроль поверхностного распределения температур детали и по поверхностному градиенту вычислять градиент по глубине закалки, определяющий процесс теплового воздействия. Известные системы содержат в своем составе матрицу приемников излучения. Однако такое устройство обрабатывает избыточную информацию, поскольку изображение перемещается относительно матрицы и создает дополнительные «геометрические шумы». Применение программных алгоритмов корректировки изображения требует дополнительного процессорного времени, поэтому такие системы имеют ограниченное быстродействие. В связи с этим, применение такого подхода в режиме реального времени затруднительно. Для повышения быстродействия устройства авторами было предложено использовать линейку приемников излучения, которая позволяет получать информацию о распределении температуры на поверхности детали. На рис. 1 представлена разработанная авторами структура оптико-электронной системы для автоматического контроля режимов лазерной термообработки цилиндрической детали.

Рис. 1 Оптико-электронная система контроля режимов лазерной термообработки цилиндрической детали

Структурная схема системы с тепловизионным контролем режимов лазерной термообработки включает следующие основные узлы: источник лазерного излучения 1; источник питания 2; систему охлаждения 3; устройство дозирования энергии излучения 4; оптическую систему 5 фокусирования лазерного излучения и мониторинга процесса обработки; системы стабилизации уровня выходной энергии 6; микропроцессорный блок 7, осуществляющий управление приводами исполнительных механизмов 8. Для реализации бесконтактного контроля глубины зоны упрочнения используется измерительный тепловизор 9, передающий посредством АЦП 10 в управляющую ЭВМ 11 информацию о температурном распределении на поверхности заготовки. Задачей ЭВМ является анализ поступивших термограмм программными методами и генерация управляющих сообщений микропроцессорному блоку управления 7.

Применение линейки приемников инфракрасного излучения взамен матричных приемников позволит устранить погрешности, связанные с чрезмерной зашумленностью температурного распределения (см. рис. 2).

При рассмотрении воздействия нормально кругового источника, перемещающегося с постоянной скоростью v по поверхности полубесконечного тела успешно используют модель квазистационарного температурного поля, рассмотренную в [3], в которой допускают, что в предельном состоянии подвижное температурное поле не изменяется со временем, а только перемещается с источником. Изменение температурного поля в ходе обработки будет свидетельствовать об отклонении установленных режимов. Линейное положение инфракрасных приемников относительно зоны фокального пятна устанавливается с учетом скорости термообработки и времени насыщения, характеризующего неустановившийся режим распределения тепла от источника излучения.

Рис. 2 Схема расположения инфракрасных датчиков: 1 - фронт лазерного воздействия; 2 - срез лазерного воздействия; 3 - изотерма фазового перехода; 4 - линейки приемников инфракрасного излучения

Перспективным средством анализа инфракрасной картины и интеллектуального управления лазерным излучением является применение экспертной системы температурных распределений с нечетким выводом в управлении режимами закалки.

Предложенный способ контроля режимов лазерного термического упрочнения отличается более высоким быстродействием в сравнении с тепловизионным контролем на основе применения матричных приемников инфракрасного излучения, поскольку в данном способе программные методы распознавания изображений не задействованы, что допускает использование таких систем управления в режиме реального времени.

Список литературы

термообработка лазерный термический контроль

1. Акулина, Г. А. Лазерная закалка деталей машин: Обзор / А. Г. Акулина, Э. С. Цырлин. М.: НИИИмаш, 1984. 64 с.

2. Кирилина, А. Н. Применение средств тепловизионного контроля в системе управления процессом лазерного термического упрочения / А. Н. Кирилина // Автоматизация в промышленности. 2007. № 1. С. 5-7.

3. Григорьянц, А. Г. Лазерная техника и технология. В 7 т. Т. 6. Основы лазерного термоупрочнения сплавов: учеб. Пособие для вузов / А. Г. Григорьянц, А.Н. Сафонов; под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Высшая школа, 1988. 159 с.

Размещено на Allbest.ru