36. Оптико-электронная система контроля режимов лазерной

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ
ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ
А.Н. Шилин, В.В. Медведев
Волгоградский государственный технический университет
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 zзак 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.
151
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
152
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
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.
153