Методы, алгоритмы и системы управления процессами лазерного сплавления металлических порошковых смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Хтин Линн У

• Хтин Линн У
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Хтин Линн У

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ режимов и методов аддитивных технологий лазерного сплавления металлических порошковых смесей

1.1. Анализ методов и особенностей синтеза на подложке (Powder Bed Fusion)

1.2 Структура и основные принципы селективного лазерного плавления

1.3 Физические явления в процессе синтеза на подложке (Powder Bed Fusion)

1.4 Основное уравнение селективного лазерного плавления

1.5 Анализ свойства металлических порошков для лазерного сплавления

1.6 Анализ твердости алюминия в процессе лазерного сплавления

1.7 Соотношение между измеренной твердостью и различными комбинациями четырех переменных: плотности энергии, расстояния штриховки, мощности лазера и скорости сканирования

1.8 Генерация технологической атмосферы

1.9 Выводы по первой главе:

Глава 2.Применение регуляторов в системах управления установкой лазерного сплавления

2.1 Структура и основные принципы работы ПИД-регулятора для настройки параметров

2.2 Анализ особенностей регулятора нечеткой логики

2.3. Управление позицией электродвигателя постоянного тока с использованием регуляторов

2.4 Система контроля положения двигателя постоянного тока с использованием нечеткой логики и ПИД регулятора

2.5 Результаты моделирования

2.6 Выводы по второй главе:

Глава 3. Применение методов синхронизации для нескольких двигателей

3.1 Принцип работы технологии синхронизации для управления двигателями

3.2 Разработка синхронного управления для трех систем двигателя в системе управления доставки порошка

3.3 Методология контроля расхода порошка

3.4 Математическое моделирование и разработка системы доставки порошка

3.5 Разработка системы управления температурой полупроводникового лазера

3.6 Анализ и разработка особенностей управления зеркалом для формирования точных лазерных лучей

3.7Выводы по третьей главе:

Глава 4. Разработка системы управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей

4.1 Оптимизация параметров процесса при лазерном нагреве металла в пакете Comsol MultiPhysics

4.2 Создание параметров процесса синтеза на подложке (Powder Bed

Fusion)

4.3 Разработка структуры алгоритма системы управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей

4.4 Функциональная схема управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей

4.5 Выводы по четвертой главе:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ССЫЛКИ И СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы, алгоритмы и системы управления процессами лазерного сплавления металлических порошковых смесей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время во многих областях экспериментального и промышленного производства, там где высока потребность в изделиях сложной геометрии, все более широкое применение находят аддитивные технологии. Популярность аддитивных технологий неуклонно растет. Ежегодные темпы роста составляют в среднем 20-30%. В течение ближайших лет ожидается существенный рост рынка, начиная с количества проданных устройств и заканчивая общей суммой доходов. Одним из главных факторов роста будут производственные предприятия, активно внедряющие 3Д-печать в качестве альтернативы традиционным способам производства. Непосредственное выращивание деталей со сложной геометрией из металлических порошковых материалов во многих случаях оказывается без альтернативным и весьма выгодным с экономической точки зрения, так как изготовление традиционными методами - точением или литьем - такие работы выполнить крайне сложно или вообще технически невозможно. Применение аддитивных технологий позволяет экономить материал, время, снижает риск ошибок. Аддитивные технологии позволяют изменять конструкцию детали на стадии проектирования и испытаний, позволяют изготавливать детали любой сложности без технологических ограничений, что является весьма важным фактором при создании технологий и оборудования для микроэлектроники. Одно из важных преимуществ 3Д печати металлами - возможность создать изделие практически из любого сплава. Помимо стандартных металлов существует широкая номенклатура специальных сплавов - уникальных высокотехнологичных материалов, которые производятся под определенные задачи заказчика. Вместе с тем сдерживающими факторами внедрения аддитивных технологий является высокая стоимость оборудования и

5

материалов, отсутствие метрологического обеспечения при производстве деталей высокой важности и сложности, нехватка квалифицированных кадров, знающих технологию, отсутствие математических моделей , позволяющих отрабатывать режимы управления технологическими процессами при работе с различными металлическими порошками.

Качество детали в аддитивном производстве (ЛП) сильно зависит от технологических параметров управления процессом и применяемых металлических порошков. Разработка методов анализа и синтеза управления технологическим процессом сплавления, разработка алгоритмов и систем управления режимами, является весьма актуальной и важной задачей, решение которой позволяет отказаться от первичной механической обработки, снизить себестоимость и повысить эффективность производства.

Объект исследования - Поставленные задачи решались путем теоретических и практических исследований. Для решения поставленных в диссертации задач, использованы методы математического анализа, теория автоматического регулирования, математическое моделирование. В работе исследованы используемые в настоящее время методы, разработанные в пакете COMSOL Multiphysics, в пакете Matlab, математические модели, алгоритмы и структуры систем управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей.

Целью работы является анализ и разработка методов и алгоритмов управления процессами лазерного сплавления металлических порошковых смесей, обеспечивающих повышение эффективности изготовления, надежности деталей и узлов для микроэлектронного оборудования и технологической оснастки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование свойств металлических порошков в процессе синтеза на подложке (Powder Bed Fusion) с целью определения параметров управления процессом лазерного сплавления;

2. Анализ проблем лазерной термической обработки и тепловых свойств сложных материалов и разработка алгоритмов контроля параметров лазерной обработки с помощью COMSOL Multiphysics;

3. Исследование и разработка математической модели системы управления зеркалом для точных отклонений лазерных лучей;

4. Разработка методов синхронного управления электромеханическими приводами установки лазерного сплавления;

5. Создание математических моделей систем управления загрузкой, подачей и послойной выгрузкой порошка;

6. Анализ и исследование регулятора для достижения повышения качества в системах управления процессами лазерного сплавления ;

7. Проведение сравнительного анализа системы контроля положения с использованием нечеткой логики и ПИД регулятора.

Научная новизна работы состоит в разработке моделей, методик и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности процессов аддитивного производства сложных деталей и узлов из металлических порошковых смесей за счет автоматического выбора рациональных алгоритмов контроля и управления режимами технологических процессов.

В ходе проведения диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Предложены принципы оптимизации параметров процесса при лазерном сплавлении металлических порошковых смесей и на их основе, разработаны методика и алгоритмы настройки параметров процесса лазерного сплавления, реализованные с помощью разработанных

7

микропроцессорной системы управления и ПО, что позволило автоматизировать технологический процесс и улучшить физико-химические свойства получаемых материалов.

2. Предложен метод контроля и разработан алгоритм коррекции отклонения лазерного луча от центра мишени, позволяющий осуществлять автоматическую настройку, обеспечивающий высокую точность калибровки и надежность при изготовлении сложных деталей и узлов методом лазерного сплавления.

3. Разработана методология и алгоритм управления скоростью потока порошка, обеспечивающий контроль скорости потока порошка и поддержание однородной морфологии трека при ускорении и замедлении системы, позволяющий поддерживать постоянное распределение порошка вдоль пути осаждения.

4. Разработана математическая модель привода, методика и алгоритмы управления приводами подач металлических порошковых смесей с использованием регуляторов нечеткой логики - ПИД, обеспечивающих повышение эффективности систем доставки порошка в составе технологической установки лазерного сплавления. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № - 2019666318, 09.12.2019.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Математические модели систем управления режимами работы двигателей при лазерной обработке и системы контроля подачи порошка;

2. Разработанные структурные и функциональные схемы системы управления и контроля параметров процесса лазерного сплавления;

3. Результаты математического моделирования систем управления с использованием регуляторов на основе нечеткой логики;

4. Предложенные модели и алгоритмы системы управления доставки порошка.

Достоверность_полученных_результатов подтверждена

математическим обоснованием полученных результатов и компьютерным моделированием, а также высокой степенью совпадения результатов математического и физического моделирования.

Личный вклад автора. Все основные научные результаты, а именно математические модели, структурные схемы, алгоритмы и результаты численных расчетов получены и исследованы автором лично.

Внедрение результатов. Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МИЭТ в рамках дисциплин «Современные проблеммы теории управления», «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов».

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования и алгоритмы контроля параметров лазерной обработки с использованием среды моделирования COMSOLMultiphysics.

2. Математические модели и результаты моделирования в MATLAB систем управления двигателями доставки порошка, с использованием разных типов регуляторов.

3. Разработанные структурные и функциональные схемы системы управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей.

4. Методы синхронизации приводов в установке сплавления металлических порошков.

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 3 работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК и 6 работ в международной реферативной базе данных SCOPUS, а также 9 - тезисов докладов на российских и международных конференциях, входящих в систему цитирования РИНЦ. Без соавторов опубликовано 7 работ. Получены два авторских свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения. Материал работы изложен на 148 страницах, включая 59 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 92 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ И МЕТОДОВ АДДИТИВНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ

В последние несколько лет наблюдается значительный рост в области разработки и применения аддитивного производства (АП) для создания физических прототипов. Поскольку АП-технология имеет много преимуществ, таких как изготовление сложных деталей и узлов, снижение производственных затрат и энергопотребления она является важной, быстро развивающейся производственной технологией и основается на системах автоматизированного проектирования и управления. АП технологии внедряются в машиностроение, приборостроение, медицину, авиацию, космонавтику, строительство и.т.д. В последние годы были проведены многочисленные исследования методов печати для строительных компонентов, а первые строительные проекты были реализованы с использованием процессов АП [1-4]. ]. Особый интерес представляют АП технологии, применяемые для создания сложных деталей и узлов из металлов, используемых в высокоточных производствах.

АП процессы можно классифицировать в соответствии с типом используемой энергии, используемых материалов и т. д. АП можно разделить на две широкие категории: жидкие процессы и порошковые процессы.

Для печати металлических деталей могут применяться процессы синтеза на подложке(powder bed fusion) и направленного осаждения энергии. При этом источник тепла, такой как лазер или электронный луч, плавит металлическое сырье в форме порошка или проволоки. Обычными, используемыми металлами для АП - стали, титан и его сплавы, а также алюминиевые сплавы. Стали, такие как аустенитная нержавеющая сталь 316L

11

или инструментальные стали, могут применяться для общих целей или для деталей с более высокими требованиями к прочности и твердости. Титан и титановые сплавы, такие как ^6А14У, используются, в частности, для высокопроизводительных деталей. Поскольку они дороги для машин, применение АП может привести к значительной экономии средств. Алюминиевые сплавы для ЗД-печати - это, например, AlSi10Mg и А^12. Современные АП методы по металлу, позволяют получить механические свойства, аналогичные тем, которые возникают в результате традиционных методов производства. Для этого необходима очень низкая пористость. Это может контролироваться качеством сырья и приложенной объемной энергией. Как слишком низкий, так и слишком высокий подвод энергии могут привести к пустотам. Кроме того, статические свойства при растяжении напечатанной детали сильно зависят от ее микроструктуры, которая является результатом сложного термического цикла с повторяющимися процессами нагрева и охлаждения из-за добавления вышележащих слоев. Из-за более высокой скорости охлаждения микроструктуры компонентов, изготовленных аддитивно, как правило, более тонкие, чем микроструктуры обычных деталей. Это приводит к более высокой прочности. Кроме того, микроструктура и, следовательно, статические свойства при растяжении являются анизотропными. В большинстве случаев направление, перпендикулярное плоскости осаждения, является самым слабым. Усталостная прочность может быть уменьшена из-за дефектов материала, таких как остаточная пористость, и из-за грубой поверхности, возникающей в процессе послойного производства. Эта проблема может быть решена с помощью обработки после изготовления. Остаточная пористость может быть уменьшена путем термической обработки и горячего изостатического прессования, тогда как шероховатость

12

поверхности может быть уменьшена путем полировки или химического травления.

1.1. Анализ методов и особенностей синтеза на подложке (Powder Bed

Fusion)

Технология ЗД-печати синтеза на подложке (Powder Bed Fusion) позволяет создавать продукты с высокой точностью. Эта технология 3D-печати позволяет изготавливать широкий спектр геометрически сложных изделий с использованием источника тепла, в основном лазерного или электронного пучка, для послойного плавления частиц порошка, образуя, таким образом, твердую часть. Производители могут воспользоваться значительной свободой дизайна, учитывая, что синтез на подложке представляет несколько жизнеспособных технологий и материалов. Различные методы синтеза на подложке (Powder Bed Fusion) включают в себя:

Селективное лазерное спекание (СЛС) технология ЗД-печати СЛС появилась в конце 1980-х годов в Техасском университете в Остине. За эти годы технология достигла значительных успехов. По сути, этот процесс использует лазеры для спекания или коалесценции порошкового материала. слой за слоем для создания твердой структуры. Конечный продукт, упакованный в рассыпчатую пудру, затем очищается щетками и сжатым воздухом. Основные материалы, используемые в процессе 3D-печати СЛС, включают полиамид (нейлон), алюминид (смесь серого алюминиевого порошка и полиамида) и резиноподобные материалы. Нейлоны прочны и долговечны, но обладают некоторой гибкостью, что делает их превосходными для защелок, скоб, зажимов и пружин. Проектировщики

должны принимать во внимание восприимчивость к усадке и деформации тонких деталей во время концептуальной фазы.

Селективное лазерное плавление (СЛП), также называемое прямым лазерным спеканием металла (ПЛСМ). Тот же технический принцип используется для производства деталей для селективного лазерного плавления (СЛП) и прямого лазерного спекания (ПЛС), но используется исключительно для производства металлических деталей. СЛП полностью расплавляет порошок, так что однокомпонентные металлы, такие как алюминий, могут быть использованы для создания легких, прочных запасных частей и прототипов. ПЛСМ спекает порошки и ограничивается сплавами, включая сплавы на основе титана. Эти методы требуют дополнительной поддержки, чтобы компенсировать высокое остаточное напряжение и ограничить возникновение искажений. Приложения включают в себя ювелирную и стоматологическую промышленность, запасные части и прототипы.

Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) технология ЗД-печати ЭЛП обеспечивает сплавление с использованием высокоэнергетического электронного пучка и создает меньшее остаточное напряжение, что приводит к меньшим искажениям. Он использует меньше энергии и может производить слои быстрее, чем СЛС. Этот метод наиболее полезен в таких важных отраслях, как аэрокосмическая и оборонная промышленность, автоспорт и медицинское протезирование.

Multi Jet Fusion (MJF) технология ЗД-печати отличается от вышеупомянутых методов тем, что струйная матрица используется для нанесения на плавкие предохранители и детализирующие агенты, которые затем сливаются при нагревании элементов в твердый слой. Лазер не задействован. Детализирующие агенты обводятся вокруг контуров, чтобы

14

улучшить разрешение деталей, открывая, таким образом, возможность создания реалистичных объектов.

1.2 Структура и основные принципы селективного лазерного

плавления

Рисунок 1.1 - Схема установки для селективного лазерного плавления

Схема установки для селективного лазерного плавления приведена на рисунок 1.1. Принцип работы основан на последовательном выполнении нескольких операций. Перед началом процесса инертный газ (азот или аргон) вводиться в камеру машины СЛП через циркуляционную систему, как показано на рисунке 1.1, до тех пор, пока внутри рабочей камеры не будет получена инертная атмосфера (максимальный уровень кислорода, допустимого внутри составляет 0,1%). Кроме того, инертный газ будет циркулировать через систему в течение всего процесса до конца с уровнем 0,1% кислорода, поддерживаемым постоянным.

Процесс продолжается с подачей из контейнера для порошка. Толщина напыляемого материала составляет около 20-100 мкм для первых нескольких слоев. Процесс повторяется до тех пор, пока порошок равномерно не покроет всю строительную платформу. Затем толщина слоя будет установлена на постоянное значение 30-50 мкм, и процесс будет продолжен со сканирования первого слоя в соответствии с первым срезом модели, а затем будет продолжено сканирование следующего среза и т. д. до тех пор, пока деталь не будет закончена на машине.

Строительная платформа перемещается вдоль оси Z после процесса сканирования каждого слоя. Наконец, когда достигается максимальная высота строительного пакета, строительная платформа перемещается в исходное положение, и изготовленный пакет удаляется с платформы.

Селективное лазерное плавление в порошковом слое (СЛП) является одним из процессов аддитивного производства, когда металлические детали изготавливаются непосредственно из данных 3Д CAD без какой-либо специальной обработки послойно. Во время процесса СЛП, требуемая часть изготавливается путем селективного плавления последовательных слоев порошковых материалов с использованием лазерного луча высокой энергии на опорной платформе. Верхний слой порошка расплавляется и образует бассейн с подвижной жидкостью. Затем расплавленный материал быстро затвердевает и начинает формировать желаемую форму. После завершения запланированного сканирования слоя в поперечном сечении платформа опускается на одну толщину слоя для нанесения нового слоя порошка. Этот процесс сканирования осаждения повторяется, пока вся часть не будет закончена. Неиспользованный порошок может быть извлечен и повторно использован в следующей сборке после процесса изготовления. Весь строительный процесс обычно проводится в камере, заполненной инертным

16

газом. Технология СЛП имеет много преимуществ по сравнению с другими методами изготовления деталей со сложной геометрией и внутренней структурой. СЛП также способен производить объекты с механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами сыпучих материалов, и предлагать значительную экономию времени за счет значительного сокращения этапов последующей обработки.

1.3 Физические явления в процессе синтеза на подложке (Powder Bed

Fusion)

Ввиду природы процесса синтеза на подложке частицы порошка в течение короткого периода времени испытывают процессы быстрого нагревания, плавления и затвердевания. Таким образом, динамика и сложные физические явления происходят во время процесса в широком диапазоне масштабов времени и длины на разных фазах процесса от формирования порошкового слоя до плавления и затвердевания [5,6]. Динамика ванны расплава, возникающая во время процесса, включает конвективный поток расплавленного металла, вызванный эффектом Марангони из-за градиента поверхностного натяжения на верхней поверхности ванны расплава и эффекта давления отдачи расширяющегося пара и потерь на испарение [7,8]. Этот процесс регулируется различными физическими механизмами, такими как взаимодействие источника тепла с частицами, образование порошкового слоя, теплообмен, динамика жидкости расплавленной ванны и фазовые превращения. Физика, часто моделируемая в процессе синтеза на подложке, может характеризоваться пятью физическими явлениями. Во-первых, это нанесение порошкового слоя. На этом этапе частицы порошка различных размеров выталкиваются с помощью повторного покрытия на последний

17

слой в сборочной камере из-за силы тяжести, трения и других сил между частицами порошка. Второе - это доставка лазерной энергии на порошок. Лазерная энергия, направляемая оптикой и гальванометром, направляется в соответствующее место на слое порошка. Здесь энергия лазера взаимодействует с порошком и преобразуется в тепловую энергию. Третий -формирование бассейна расплава. На этом этапе тепловая энергия движущегося лазера расплавляет порошок и образует бассейн расплава с переходным температурным полем вокруг него. В-четвертых, затвердевание ванны расплава из-за рассеяния тепла. Пятое - это развитие остаточных напряжений из-за разных скоростей нагрева и охлаждения в нескольких слоях и внутри слоя.

Модель порошкового слоя. Процесс синтеза на подложке начинается с образования порошкового слоя на подложке. Структура слоя, которая является результатом моделей с порошковым слоем, зависит от таких параметров, как размер и форма порошка, распределение частиц по размерам, толщина слоя и форма повторного покрытия. Порошковый слой образуется, когда поршень для подачи порошка поднимается, сборочная платформа опускается на заданную толщину слоя, и устройство для повторного нанесения покрытия движется вперед и распространяет слой частиц на сборочной платформе. В дополнение к параметрам слоя порошка скорость повторного нанесения покрытия также влияет на структуру поверхности и плотность упаковки слоя порошка [9]. Во время образования порошкового слоя возникает ряд явлений, таких как трение, столкновение и адгезия, обусловленные взаимодействием между крупными частицами. В результате различные силы, такие как упругие, силы трения, силы тяжести и силы Ван-дер-Ваала, могут влиять на морфологию порошкового слоя [1012].

Модель источников тепла. Как только порошковый слой сформирован, тепловая энергия в форме лазерного луча прикладывается к порошковому слою в соответствии со стратегией сканирования, чтобы плавить частицы вместе. Количество тепла, поглощаемого слоем порошка, зависит от многих факторов, таких как мощность лазера, размер пятна луча, теплопроводность материала, размер и форма порошка, распределение по размерам, плотность упаковки, окисление поверхности и загрязнение [13, 14]. Исходя из интенсивности распределения мощности лазера на поверхности порошкового слоя, предполагается, что источником тепла является (а) точечный источник тепла, который отбрасывает диаметр пятна лазерного луча [15,16], (б) цилиндрический источник тепла, который принимает однородную интенсивность в пределах размера пятна [17], (с) эллипсоидальный источник тепла, который предполагает, что интенсивность тепла уменьшается экспоненциально с расстоянием от центра источника [18-20], или гауссово тепло источник, который считает интенсивность мощности нормальным распределением [21]. Когда лазерный луч попадает на слой порошка, многократное рассеяние лазерных лучей происходит внутри частиц порошка и в ванне расплава [22], и, следовательно, глубина проникновения сравнима с толщиной слоя [23]. Многократное рассеяние лазерного луча приводит к тому, что поглощающая способность слоя порошка оказывается выше, чем поглощающая способность лазера на плоской поверхности [24]. Таким образом, допущение ограничения поглощенной энергии на поверхности вместо объема слоя порошка значительно снижает прогнозную точность модели источника тепла [25].

Чтобы определить количество поглощенной энергии и поглощающей способности порошкового слоя, был разработан ряд численных моделей на основе (а) состава переноса излучения, который выводил аналитическое

19

решение из уравнения однородного непрерывного излучения с использованием пористости порошка и площади поверхности , (Ь) метод трассировки лучей, который учитывает эффект многократных отражений путем отслеживания траекторий каждого фотона [26], и (с) подход Бера -Ламберта, который предполагает, что лазерный луч преимущественно поглощается на поверхности порошка первого падающего слоя и связывает ослабление интенсивности облучения с глубиной проникновения как функцию экспоненциального затухания [27-29]. Принимая во внимание их различные допущения, эти модели источников тепла по своей природе несут значительную неточность, которая в дальнейшем распространяется на последующие модели расплава и затвердевания [30]. В таблице 1 представлены входы, выходы и характеристики этих различных моделей. Кроме того, из-за движущейся природы источника тепла в процессе лазерного синтеза время термодиффузии короткое, что приводит к частичному расплавлению частицы и, возможно, вызывает дефекты в виде пор или включений в готовой детали . Таким образом, при моделировании источника тепла в процессе лазерного синтеза важно рассматривать слой порошка как распределение взаимодействующих частиц порошка, а не идеализировать его как материал континуума. Рассмотрение порошкового слоя как сплошного тела игнорирует влияние нескольких физических явлений, вызванных динамикой жидкости, таких как поверхностное натяжение и смачивание, которые присутствуют в расплавленной ванне [31]. Следовательно, допущения, связанные с распределением поглощенной энергии (поверхность в зависимости от объема) и материала слоя порошка (континуум в сравнении с частицами порошка), потенциально определяют точность моделей источников тепла. Модель, которая учитывает упрощенные предположения и пренебрегает реалистичными

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хтин Линн У, 2021 год

ССЫЛКИ И СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. N. Labonnote, A. Ronnquist, B. Manum, P. Rüther, Additive construction: state-ofthe-art, challenges and opportunities, Autom. Constr. 72 (2016) 347-366, https:// doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.026 ISSN 09265805.

2. P. Wu, J. Wang, X. Wang, A critical review of the use of 3-D printing in the construction industry, Autom. Constr. 68 (2016) 21-31, https://doi.org/10.1016/ j.autcon.2016.04.005 ISSN 09265805.

3. D. Delgado Camacho, P. Clayton, W.J. O'Brien, C. Seepersad, M. Juenger, R. Ferron, S. Salamone, Applications of additive manufacturing in the construction industry - a forward-looking review, Autom. Constr. 89 (2018) 110-119, https:// doi.org/10.1016/j.autcon.2017.12.031 ISSN 09265805.

4. S.H. Ghaffar, J. Corker, M. Fan, Additive manufacturing technology and its implementation in construction as an eco-innovative solution, Autom. Constr. 93 (2018) 1-11, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2018.05.005 ISSN 09265805.

5. Zhang Y, Lee WH, Wu L, Meng L, Jung Y-G, and Zhang J, 2018, Multiscale Multiphysics Modeling of Laser Powder Bed Fusion Process, Additive Manufacturing, Butterworth, Heinemann.

6. Zhang J, Zhang Y, Lee WH, Wu L, Choi HH, and Jung YG, 2018, "A Multi-Scale Multi-Physics Modeling Framework of Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Process," Met. Powder Rep, 73(3), pp. 151-157.

7. DebRoy T, Wei HL, Zuback JS, Mukherjee T, Elmer JW, Milewski JO, Beese AM, Wilson-Heid A, De A, and Zhang W, 2018, "Additive Manufacturing of Metallic Components—Process, Structure and Properties," Prog. Mater. Sci, 92, pp. 112-224.

8. Klassen A, Scharowsky T, and Körner C, 2014, "Evaporation Model for Beam Based Additive Manufacturing Using Free Surface Lattice Boltzmann Methods," J. Phys. D. Appl. Phys, 47(27), 275303.

9. Parteli EJR, and Pöschel T, 2016, "Particle-Based Simulation of Powder Application in Additive Manufacturing," Powder Technol, 288, pp. 96-102.

10.Dou X, Mao Y, and Zhang Y, 2014, "Effects of Contact Force Model and Size Distribution on Microsized Granular Packing," J. Manuf. Sci. Eng, 136(2), 021003.

11.Xiang Z, Yin M, Deng Z, Mei X, and Yin G, 2016, "Simulation of Forming Process of Powder Bed for Additive Manufacturing," J. Manuf. Sci. Eng, 138(8), 081002.

12.Parteli EJR, 2013, "DEM Simulation of Particles of Complex Shapes Using the Multisphere Method: Application for Additive Manufacturing," AIP Conf. Proc, 1542(2013), pp. 185-188.

13.King WE, Anderson AT, Ferencz RM, Hodge NE, Kamath C, Khairallah SA, and Rubenchik AM.

14.Boley CD, Khairallah SA, and Rubenchik AM, 2015, "Calculation of Laser Absorption by Metal Powders in Additive Manufacturing," Appl. Opt, 54(9), pp. 2477-82. [PubMed]

15.Devesse W, De Baere D, and Guillaume P, 2014, "The Isotherm Migration Method in Spherical Coordinates With a Moving Heat Source," Int. J. Heat Mass Transf, 75, pp. 726-735.

16.Rosenthal D, 1946, The Theory of Moving Sources of Heat and Its Application to Metal Treatments, ASME, Cambridge, pp. 849-866.

17.Assouroko I, Lopez F, and Witherell P, 2016, "A Method for Characterizing Model Fidelity in Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing," ASME

2016 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Phoenix, AZ, November 11-17, pp. 1-13.

18.Malmelov A, 2016, Modeling of Additive Manufacturing With Reduced Computational Effort; Simulation of Laser Metal Deposition with Inconel 625, Lulea University of Technology, Lulea, Sweden.

19.Lindgren LE, Lundback A, Fisk M, Pederson R, and Andersson J, 2016, "Simulation of Additive Manufacturing Using Coupled Constitutive and Microstructure Models," Addit. Manuf, 12, pp. 144-158.

20.Michaleris P, 2014, "Modeling Metal Deposition in Heat Transfer Analyses of Additive Manufacturing Processes," Finite Elem. Anal. Des, 86, pp. 51-60.

21.Hussein A, Hao L, Yan C, and Everson R, 2013, "Finite Element Simulation of the Temperature and Stress Fields in Single Layers Built Without-Support in Selective Laser Melting," Mater. Des, 52, pp. 638-647.

22.Schoinochoritis B, Chantzis D, and Salonitis K, 2014, "Simulation of Metallic Powder Bed Additive Manufacturing Processes With the Finite Element Method: A Critical Review," Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf, 231(1), pp. 96-117.

23.Gusarov AV, and Kruth JP, 2005, "Modelling of Radiation Transfer in Metallic Powders at Laser Treatment," Int. J. Heat Mass Transf, 48(16), pp. 34233434.

24.Meier C, Penny RW, Zou Y, Gibbs JS, and Hart AJ, 2017, "Thermophysical Phenomena in Metal Additive Manufacturing by Selective Laser Melting: Fundamentals, Modeling, Simulation and Experimentation," Annu. Rev. Heat Transf, abs/1709.09510.

25.Li JF, Li L, and Stott FH, 2004, "Comparison of Volumetric and Surface Heating Sources in the Modeling of Laser Melting of Ceramic Materials," Int. J. Heat Mass Transf, 47(6-7), pp. 1159-1174.

125

26.Fischer P, Romano V, Weber HP, Karapatis NP, Boillat E, and Glardon R, 2003, "Sintering of Commercially Pure Titanium Powder With a Nd:YAG Laser Source," Acta Mater, 51(6), pp. 1651-1662.

27.Chen Q, Guillemot G, Gandin C-A, and Bellet M, 2017, "Three-Dimensional Finite Element Thermomechanical Modeling of Additive Manufacturing by Selective Laser Melting for Ceramic Materials," Addit. Manuf, 16, pp. 124-137.

28.Körner C, Attar E, and Heinl P, 2011, "Mesoscopic Simulation of Selective Beam Melting Processes," J. Mater. Process. Technol, 211(6), pp. 978-987.

29.Masoomi M, Thompson SM, and Shamsaei N, 2017, "Laser Powder Bed Fusion of Ti-6Al-4 V Parts: Thermal Modeling and Mechanical Implications," Int. J. Mach. Tools Manuf, 118-119, pp. 73-90.

30.Hu Z, and Mahadevan S, 2017, "Uncertainty Quantification and Management in Additive Manufacturing: Current Status, Needs, and Opportunities," Int. J. Adv. Manuf. Technol, 93, pp. 2855-2874.

31.Markl M, and Korner C, 2016, "Multiscale Modeling of Powder Bed-Based Additive Manufacturing," Annu. Rev. Mater. Res, 46, pp. 1-34.

32.Mukherjee T, Wei HL, De A, and DebRoy T, 2018, "Heat and Fluid Flow in Additive Manufacturing—Part I: Modeling of Powder Bed Fusion," Comput. Mater. Sci, 150, pp. 304-313.

33.Criales LE, Arisoy YM, Lane B, Moylan S, Donmez A, and Özel T, 2017, "Predictive Modeling and Optimization of Multi-Track Processing for Laser Powder Bed Fusion of Nickel Alloy 625," Addit. Manuf, 13, pp. 14-36.

34.Dai D, and Gu D, 2015, "Tailoring Surface Quality Through Mass and Momentum Transfer Modeling Using a Volume of Fluid Method in Selective Laser Melting of TiC/AlSi10Mg Powder," Int. J. Mach. Tools Manuf, 88, pp. 95107.

35.Khairallah SA, Anderson AT, Rubenchik A, and King WE, 2016, "Laser Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing: Physics of Complex Melt Flow and Formation Mechanisms of Pores, Spatter, and Denudation Zones," Acta Mater, 108, pp. 36-45.

36.Khairallah SA, and Anderson A, 2014, "Mesoscopic Simulation Model of Selective Laser Melting of Stainless Steel Powder," J. Mater. Process. Technol, 214(11), pp. 2627-2636.

37.Das S, 2003, "Physical Aspects of Process Control in Selective Laser Sintering of Metals," Adv. Eng. Mater, 5(10), pp. 701-711.

38.Gusarov AV, Yadroitsev I, Bertrand P, and Smurov I, 2007, "Heat Transfer Modelling and Stability Analysis of Selective Laser Melting," Appl. Surf. Sci, 254, pp. 975-979.

39.Juechter V, Scharowsky T, Singer RF, and Körner C, 2014, "Processing Window and Evaporation Phenomena for Ti-6Al-4 V Produced by Selective Electron Beam Melting," Acta Mater, 76, pp. 252-258.

40.Sun X, Zhou W, Kikuchi K, Nomura N, Kawasaki A, Doi H, Tsutsumi Y, and Hanawa T, 2017, "Fabrication and Characterization of a Low Magnetic Zr-1Mo Alloy by Powder Bed Fusion Using a Fiber Laser," Metals (Basel), 7(11), p. 501.

41.Liu YJ, Li SJ, Wang HL, Hou WT, Hao YL, Yang R, Sercombe TB, and Zhang LC, 2016, "Microstructure, Defects and Mechanical Behavior of Beta-Type Titanium Porous Structures Manufactured by Electron Beam Melting and Selective Laser Melting," Acta Mater, 113, pp. 56-67.

42.Verhaeghe F, Craeghs T, Heulens J, and Pandelaers L, 2009, "A Pragmatic Model for Selective Laser Melting with Evaporation," Acta Mater, 57(20), pp. 6006-6012.

43.Glicksman ME, 2011, Principles of Solidification: An Introduction to Modern Casting and Crystal Growth Concepts, Springer Science + Business Media, Berlin/Heidelberg, Germany.

44.Gockel J, Beutha J, and Taminger K, 2014, "Integrated Control of Solidification Microstructure and Melt Pool Dimensions in Electron Beam Wire Feed Additive Manufacturing of Ti-6Al-4 V," Addit. Manuf, 4, pp. 119-126.

45.Hanzl P, Zetek M, Baksa T, and Kroupa T, 2015, "The Influence of Processing Parameters on the Mechanical Properties of SLM Parts," Procedia Eng, 100, pp. 1405-1413.

46.Zinoviev A, Zinovieva O, Ploshikhin V, Romanova V, and Balokhonov R, 2016, "Evolution of Grain Structure During Laser Additive Manufacturing. Simulation by a Cellular Automata Method," Mater. Des, 106, pp. 321-329.

47.Wu AS, Brown DW, Kumar M, Gallegos GF, and King WE, 2014, "An Experimental Investigation into Additive Manufacturing-Induced Residual Stresses in 316L Stainless Steel," Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci, 45(13), pp. 6260-6270.

48.Arisoy YM, Criales LE, Ozel T, Lane B, Moylan S, and Donmez A, 2017, "Influence of Scan Strategy and Process Parameters on Microstructure and Its Optimization in Additively Manufactured Nickel Alloy 625 via Laser Powder Bed Fusion," Int. J. Adv. Manuf. Technol, 90(5-8), pp. 1393-1417.

49.Boettinger WJ, Coriell SR, Greer AL, Karma A, Kurz W, Rappaz M, and Trivedi R, 2000, "Solidification Microstructures: Recent Developments, Future Directions," Acta Mater, 48(1), pp. 43-70.

50.Mahesh M, Lane B, Donmez A, Feng S, Moylan S, and Fesperman R, 2015, "Measurement Science Needs for Real-Time Control of Additive Manufacturing Powder Bed Fusion Processes," Natl. Inst. Stand. Technol pp. 1-50.

51.Heinl P, Müller L, Körner C, Singer RF, and Müller FA, 2008, "Cellular Ti-6A1-4 V Structures With Interconnected Macro Porosity for Bone Implants Fabricated by Selective Electron Beam Melting," Acta Biomater, 4(5), pp. 1536— 1544.

52.Heinl P, Müller L, Körner C, Singer RF, and Müller FA, 2008, "Cellular Ti-6Al-4 V Structures With Interconnected Macro Porosity for Bone Implants Fabricated by Selective Electron Beam Melting," Acta Biomater, 4(5), pp. 1536— 1544.

53.Ma M, Wang Z, Gao M, and Zeng X, 2015, "Layer Thickness Dependence of Performance in High-Power Selective Laser Melting of 1Cr18Ni9Ti Stainless Steel," J. Mater. Process. Technol, 215(1), pp. 142-150.

54.Zhang B, Dembinski L, and Coddet C, 2013, "The Study of the Laser Parameters and Environment Variables Effect on Mechanical Properties of High Compact Parts Elaborated by Selective Laser Melting 316L Powder," Mater. Sci. Eng. A, 584, pp. 21-31.

55.Sufiiarov VS, Popovich AA, Borisov EV, Polozov IA, Masaylo DV, and Orlov AV, 2017, "The Effect of Layer Thickness at Selective Laser Melting," Procedia Eng, 174, pp. 126-134.

56.Savalani MM, and Pizarro JM, 2016, "Effect of Preheat and Layer Thickness on Selective Laser Melting (SLM) of Magnesium," Rapid Prototyp.J, 22(1), pp. 115-122.

57.Dingal S, Pradhan TR, Sundar JKS, Choudhury AR, and Roy SK, 2008, "The Application of Taguchi's Method in the Experimental Investigation of the Laser Sintering Process," Int. J. Adv. Manuf. Technol, 38(9-10), pp. 904-914.

58.McGlauflin M, and Moylan S, 2016, "Powder Bed Layer Geometry," ASPE/euspen Summer Topical Meeting. Advancing Precision in Additive Manufacturing, Raleigh, NC, June 27-30, pp. 108-113.

129

59.Riedlbauer D, Scharowsky T, Singer RF, Steinmann P, Korner C, and Mergheim J, 2017, "Macroscopic Simulation and Experimental Measurement of Melt Pool Characteristics in Selective Electron Beam Melting of Ti-6Al-4 V," Int. J. Adv. Manuf. Technol, 88(5-8), pp. 1309-1317.

60.Kempen K, Yasa E, Thijs L, Kruth JP, Humbeeck JV (2011) Microstructure and mechanical properties of selective laser melted 18Ni-300 steel. Physics Procedia, 12:255- 263. doi:10.1016/j.phpro.2011.03.033.

61.Delgado J, Ciurana J, and Rodriguez CA (2012) Influence of process parameters on part quality and mechanical properties for DMLS and SLM with iron-based materials. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 60:601-610. doi:10.1007/s00170-011-3643-5.

62.Song B, Dong S, Coddet P, Liao H, Coddet C (2014) Fabrication of NiCr alloy parts by selective laser melting: columnar microstructure and anisotropic mechanical behavior. Materials & Design 53:1-7. doi: 10.1016/j.matdes.2013.07.010.

63.Abele E, Stoffregen HA, Kniepkamp M, Lang S, and Hampe M (2015) Selective laser melting for manufacturing of thin-walled porous elements. Journal of Materials Processing Technology 215:114-22. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.07.017.

64.Gu H, Gong H, Pal D, Rafi K, Starr T, and Stucker B (2013) Influences of energy density on porosity and microstructure of selective laser melted 17-4PH stainless steel. Proceedings of Solid Freeform Fabrication Symposium, 474-489. 34 This publication is available free of charge from: https://doi.org/10.6028/NIST.AMS.100-19.

65.Dingal S, Pradhan TR, Sarin Sundar JK, Choudhury AR, Roy SK (2008) The application of Taguchi's method in the experimental investigation of the laser

sintering process. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 38:904-914. Doi: 10.1007/s00170-007-1154-1.

66.Qiu C, Adkins NJE, Attallah MM (2013) Microstructure and tensile properties of selectively laser-melted and of HIPed laser-melted Ti-6Al-4V. Materials Science and Engineering A578:230-239.

doi: 10.1016/j.msea.2013.04.099.

67.O'Neill W, Sutcliffe CJ, Morgan R, Landsborough A, Hon KKB, (1999) Investigation on multi layer direct metal laser sintering of 316L stainless steel powder beds. Annals of the CIRP, 48(1): 151-154.

68.Sun J, Yang Y, and Wang D (2013) Parametric optimization of selective laser melting for forming Ti6Al4V samples by Taguchi method. Optics & Laser Technology 49:118-124. doi: 10.1016/j.optlastec.2012.12.002.

69.Vandenbroucke B, Kruth JP (2007) Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts. Rapid Prototyping Journal 13:196-203. doi: 10.1108/13552540710776142.

70.E. Almqvist, History of Industrial Gases. Boston, MA: Springer US, 2003.

71. J. Trapp, A. M. Rubenchik, G. Guss, and M. J. Matthews, "In situ absorptivity measurements of metallic powders during laser powder-bed fusion additive manufacturing," Appl. Mater. Today, vol. 9, pp. 341-349, 2017.

72. A. Simchi, "Direct laser sintering of metal powders: Mechanism, kinetics and microstructural features," Mater. Sci. Eng. A, vol. 428, no. 1-2, pp. 148-158, 2006.

73.P. Fischer, V. Romano, H. P. Weber, N. P. Karapatis, E. Boillat, and R. Glardon, "Sintering of commercially pure titanium powder with a Nd:YAG laser source," Acta Mater., vol. 51, no. 6, pp. 1651-1662, 2003.

74.B. Dikshit and M. S. Bhatia, "Studies on Electron Beam Vapor Generation in PVD Processes," BARC Newsl., no. 314, pp. 10-19, 2010.

131

75.W. Pei, W. Zhengying, C. Zhen, L. Junfeng, Z. Shuzhe, and D. Jun, "Numerical simulation and parametric analysis of selective laser melting process of AlSilOMg powder," Appl. Phys. A, vol. 123, no. 8, p. 540, 2017.

76.Z. Li, M. Zeze, and K. Mukai, "Surface Tension and Wettability of Liquid Fe-16mass%Cr-S Alloy with Alumina," Mater. Trans. JIM, vol. 44, no. 10, pp. 2108-2113, 2003.

77.Z. Li, K. Mukai, M. Zeze, and K. Mills, "Determination of the surface tension of liquid stainless steel," J. Mater. Sci., vol. 0, pp. 2191-2195, 2005.

78.A. Masmoudi, R. Bolot, and C. Coddet, "Investigation of the laser-powder-atmosphere interaction zone during the selective laser melting process," J. Mater. Process. Technol., vol. 225, pp. 122-132, 2015.

79.P. Shcheglov, Study of Vapour-Plasma Plume during High Power Fiber Laser Beam Infl uence on Metals. 2012.

80.M. Aden, E. Beyer, and G. Herziger, "Laser-induced vaporisation of metal as a Riemann problem," J. Phys. DAppl. Phys., vol. 23, pp. 655-661, 1990. 42.

81.В.М.Буянкин.Синтез нейрорегуляторов для сложных технических установок с применением бинарных нечетких отношений. // Науко исследования града,№ 1 (3) январь-март 2013.

82.М. В. Бураков, А. П. Кирпичников.Нечеткий регулятор ПИД-типа для нелинейного объекта. //Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №4, с.242-244.

83.Husain Ahmed and Gagansingh, "Controlling of D.C. Motor using Fuzzy Logic Controller", Conference on Advances in Communication and Control Systems 2013 (CAC2S 2013).

84.Анализиоценкаэффективностиуправленияпозициейдвигателяпостоянно готокасиспользованием fuzzy logic controller(FLC) // The Way of Science International scientific journal, No 10(56), 2018,Vol.1, pp. 59.

132

85.Assilian. S. and Mamdani, E.H., An Experiment in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller. InternationalJournalofMan-MachineStudies, 7(1), 1-13, 1974.

86.Алави, С.Э. Контроллер нечеткой логики для проектирования нелинейной системы / S.E. Алави, Ю.Н. Петренко // Информационные технологии в промышленности Буклет Тезисы Пятая международная научно-техническая конференция ITI * 2008, Минск, 22-24 октября 2008.- С.214-215.

87.Хтин Линн у, Чжо Сое Вин. Анализ управления температурой полупроводниково лазера // Журнал «Естественные и технические науки». , No 12, 2018, с. 376.

88.Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB.-M: Горячая линия -Телеком, 2007.-288 с.

89.CVI Melles Griot, Fundamentals of Beam Positioning, (http://www.mellesgriot.eom/pdf/X 43 12-14.pdf).

90.Хтин Линн У, Зо Мьо Наин, Чжо Сое Вин, Е Тет Линн, Хейн Хтет Зо. Анализ особенностей управления зеркалом для формирования точных лазерных лучей //Жрунал «Инженерный Вестник Дона». , No 8, 2019, c.17.

91.Sun Zhongshan. Study of scanning motion compensation technology based on fast steering mirrors with high accuracy and a wide frequency range [D] .BeiJing : University of Chinese Academy of Sciences , 2016.

92.Yu Zhiliang *, Cui Ning, Chen Xinglin , Xu Chuanghuan, Cao Kairui, "Нда Control for Fast Steering Mirror based on the Incremental PI Controller," Proceeding of SPIE, Vol. 9521, page no. 95210G1-G5, 2015.

93.M. Masoomi, E. Alaa, N. Shamsaei and S. Thompson, " Modeling, simulation and experimental validation of heat transfer during selective laser melting," in Proceedings of the ASME 2015 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Houston, 2015.

94.Caiazzo, F.; Alfieri, V.; Argenio, P.; Sergi, V. Additive manufacturing by means of laser-aided directed metal deposition of 2024 aluminium powder: Investigation and optimization. Adv. Mech. Eng. 2017, 9, 1-12.

95.Yan, J., MAsoudi, N., Battiato, I, and Fadel, G, 2015, " Optimization of Process Parameters in Laser Engineered Net Shaping (LENS) Deposition of Multi-Materials," Proceedings of the ASME 2015 International Design Engineering technical Conference & Computer and Information in Engineering Conference (IDETC/CIE), Boston, Massachusetts, August 2015.

96.Xthh.HhhhY. Optimization of a parameter in laser heating process // vvvProceedings of the 3rd International Conference on Applied Research in Science, Technology and Knowledge (STKConf) March 15-18, 2019, - Berlin, ISBN: 978-609-8239-29-4. (Google scholar)

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Програмный модуль управления положением и скорости двигателя постоянного тока с использованием ПИД регулятора.

#include <Wire.h> #include <FastIO.h> #include <I2CIO.h> #include <LCD.h> #include <LiquidCrystal.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <LiquidCrystal_SR.h> #include <LiquidCrystal_SR2W.h> #include <LiquidCrystal_SR3W.h> #include <Keypad.h> #include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); // Set the LCD I2C address /////////////// Position control variables////////////////////////////////////////////// int SampleTime2=1000; // Sampling time Found in microseconds float Ref2=0; // reference

double error22, errorPass22=0,errorAnt22=0; // error

double U2; //Control signal

// Controller constants position

double Kp2=20;

double Ki2=0.000000003;

int long Kd2= 200000;

double degree;

double errorD2;

unsigned long timep22=0, ttime22=0, etime22=0;

/////////////// Speed control variables////////////////////////////////////////////// float Kp=0. 01 ,Ki=0.0025,Kd= 1;

int SampleTime=100; // Sampling time Found in milis float Ref=0; // reference

double error, errorPass=0,errorAnt=0; // error

double errorD;

double U; // Señal control

// Controller constants const int Clockwise=11; const int Counterclockwise=10; int sense=1;

///////////////7variable two-channel encoder////////////////////////////////////// double long count2=0; long count;

unsigned long timep=0, ttime=0, etime=0; unsigned long timep2=0, ttime2=0, etime2=0; boolean A,B; float rpm;

byte state, statep, indexx;

int QEM[16]= {0,-1,0,1,1,0,-1,0,0,1,0,-1,-1,0,1,0};

////////////keypad///////////////////////////////////////////////////// const byte Rows = 4; //4-row KeyPad const byte Cols = 4; //And 4 columns

byte Pins_Rows[] = {13, 12, 9, 8}; //Arduino pins to which we count the rows.

136

byte Pins_Cols[] = { 7, 6, 5, 4}; // Arduino pins to which we count the columns.

int selec=1, k=1; char pulsation;

String PIN_Key = ""; // Typed keys float velocity; // Data string typed through keyboard char string[6]; //To be able to convert to number char Keys [Rows][Cols] = {

{T72737A},

{'4,,,5,,,6,,,B'},

{,7,,,8,,,9,,,C'}, };

Keypad Keypadl = Keypad(makeKeymap(Keys), Pins_Rows, Pins_Cols, Rows,Cols);

void setup() {

Serial.begin(230400);

pinMode(2,INPUT);

pinMode(3,INPUT);

pinMode(Clockwise,OUTPUT);

pinMode(Counterclockwise,OUTPUT);

attachInterrupt(0,Achange,CHANGE);

attachInterrupt( 1 ,Bchange,CHANGE);

lcd.begin(16, 2);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Speed & Position");

lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("PID controller"); delay(2000);

lcd.clear();

}

void loop() {

key();

if(selec==1) {

control_velocity();

showVel_lcd(); }

Else {

control_position();

showPos_lcd(); }

}

void showVel_lcd() {

ttime2 = millis(); etime2 = ttime2 - timep2;

if(etime2 >= 500) {

lcd.clear();

lcd.print("RPM DES: ");

lcd.print(Ref); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("RPM ACT: "); lcd.print(rpm);

timep2=ttime2; }

}

void showPos_lcd() {

ttime2 = millis(); etime2 = ttime2 - timep2;

if(etime2 >= 500) {

lcd.clear();

lcd.print("POS DES:"); lcd.print(Ref2); //lcd.print("Degee"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("POS ACT:"); lcd.print(degree); //lcd.print((char)223);

timep2=ttime2; }

}

void key() {

pulsation = Keypad1.getKey();

switch (pulsation) {

case '.': // Decimal point

delay(30);

case '-':

delay(30);

case '0' ... '9': // digital, delay(30);

PIN_Key += pulsation; //We add them to the string break;

case 'E': // We will take it as enter delay(30);

PIN_Key.toCharArray( string,6); velocity = atof (string);

if(selec ==1) {

Ref= velocity; }

Else {

Ref2= velocity; }

if(Ref>=0) {

sense=1; }

Else

sense=0; }

PIN_Key = ""; break; case 'A' : delay(30);

//Ref=0; sense=1; break; case 'B': delay(30);

//Ref=0; sense=0; break; case 'C': delay(30); count=0;

Ref=0; error=0; errorPass=0; errorD=0; Ref2=0; error22=0; errorPass22=0; errorD2=0; selec= selec*(-1);

if(selec <0) {

analogWrite(Clockwise,0);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

Else

analogWrite(Clockwise,0);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

break; }

}

void Achange() {

A = digitalRead(2); B= digitalRead(3);

if ((A == HIGH)&&(B == HIGH))state = 0; if ((A == HIGH)&&(B == LOW))state = 1; if ((A == LOW)&&(B == LOW))state = 2; if ((A == LOW)&&(B == HIGH))state = 3; indexx = 4*state + statep; if ((count >=3072) || (count <= -3072)) count =0; count = count + QEM[indexx]; count2 = count2 + QEM[indexx];

statep = state; }

void Bchange() {

A = digitalRead(2); B= digitalRead(3);

if ((A == HIGH)&&(B == HIGH))state = 0; if ((A == HIGH)&&(B == LOW))state = 1;

142

if ((A == LOW)&&(B == LOW))state = 2; if ((A == LOW)&&(B == HIGH))state = 3; indexx = 4*state + statep; if ((count >= 3072) || (count <= -3072)) count =0; count = count + QEM[indexx]; count2 = count2 + QEM[indexx];

statep = state; }

void control_velocity() {

ttime = millis(); etime = ttime - timep;

if(etime >= SampleTime)

{

rpm = (count2/3072)*600;

error = abs(Ref) - abs(rpm); // error (Closed loop) - Feedback

errorPass=error*SampleTime + errorPass; errorD =(error-errorAnt)/SampleTime; // derivative calculation float P=Kp*error; // proportional calculation

float I=Ki*errorPass; // Integral calculation

float D=Kd*errorD; U= P + I + D; // Control signal + offset voltage

if (U < 0) // saturation limits of the control signal {

U=0;

}

if (U > 255) // saturation limits of the control signal

143

U=255;

}

Serial.println(U);

if(sense == 1) {

analogWrite(Clockwise,U);

analogWrite(Counterclockwise,0); }

if(sense == 0) {

analogWrite(Counterclockwise,U);

analogWrite(Clockwise,0); }

timep=ttime; errorAnt = error;

count2=0; }

}

void control_position() {

ttime22 = micros(); etime22 = ttime22 - timep22;

if(etime22 >= SampleTime2) {

degree = count*0.1171875;

error22 = Ref2 - degree; // Control signal + offset voltage errorPass22=error22*SampleTime2 + errorPass22; errorD2 =(error22-errorAnt22)/SampleTime2; // derivative calculation float P2=Kp2*error22; // proportional calculation

float I2=Ki2*errorPass22; // Integral calculation

float D2=Kd2 * errorD2;

U2= P2 + I2 + D2; // Control signal + offset voltage

timep22= ttime22; errorAnt22 = error22;

}

if (U2 <= -255) // saturation limits of the control signal {

U2=-255;

}

if (U2 > 255) // saturation limits of the control signal {

U2=255;

}

Serial.println(U); Serial.println("rpm"); Serial.println(rpm); int returns =0;

if (U2>=0) {

analogWrite(Clockwise,U2);

digitalWrite(Counterclockwise,LOW); }

if (U2<0) {

returns =abs(U2);

analogWrite(Counterclockwise,returns);

digitalWrite(Clockwise,LOW); }

}

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Программа для физического моделирования интегрированной системы учета и контроля энергоносителей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе 1Ьциенаэдного исследовательского

уЙМ вере и I е га « VIИЭТ». // профессор ■¿О/ Игнатова И Г.

АКТ ' >

внедрения результатов диссертационной работы Хтин Лини У на тему «Методы, алгоритмы и системы управления процессами лазерного сплавления металлических порошковых смесей», представленноП на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.(К> «Автоматизация и управление

Результаты кандидатской диссертации Хтпн Лини У. направленной на разветне методов и алгоритмов управления процессом лазерного сплавления металлических порошковых смесей н системах автоматического управления и контроля, а именно:

• методы н алгоритмы контроля и управления параметрами лазерной обработки с использованием современных аппаратно-программных средств обработки сигналов:

- метод сравнения параметров управления позицией злектродвигапелей подач порошка с использованием ПИЛ регулятор и регулятора нечеткой логики:

- структурная схема настройки управления оптической системой для формирования точных отклонений лазерных лучей;

- метол синхронного управления двигателями с использованием перекрестных связей в системах доставки порошка:

- структурная и функциональная схемы системы управления установкой лазерного сплавления металлических порошковых смесей.

используются в учебном процессе «Института МПСУ» 11ационального исследовательскою университета "МИ'ЗТ" в лекционных и практических заиятияч по дисциплине: «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов» ,1

технологическими процессами и производствами (в приборостроении)».

От Института МПСУ д.т.н.. профессор

А. В. Щагин