Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.14, кандидат технических наук Данилов, Сергей Юрьевич

• Данилов, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данилов, Сергей Юрьевич

Введение.

Глава 1. Информационные основы лазерных технологий. Обзор литературы.

1.1. Современное состояние лазерных технологий. Основные задачи.

1.2. Методы и пути решения задачи сбора информации и управления лазерными технологическими процессами.

1.3. Лазерный монитор на основе оптического усилителя яркости.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Информационные составляющие изображения области лазерного воздействия на вещество и анализ информационных каналов.

2.1. Пространственное распределение яркости изображения.

2.2. Временное развитие картины неустойчивостей.

2.3. Анализ информационного канала лазерного монитора при регистрации изображения.

2.4. Компьютерная обработка изображения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Система обработки информации и управления лазерным технологическим процессом с использованием лазерного монитора.

3.1. Автоматизированный сбор информации при воздействии лазерного излучения на поверхность материала.

3.1.1. Измерение и контроль параметров лазерного усилителя в реальном масштабе времени.

3.1.2. Измерение температурной зависимости поверхности нагретого тела по интенсивности отраженного излучения.

3.1.3. Измерение частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением в веществе.

3.2. Управление процессом лазерной обработки поверхности материала.

3.2.1. Система автоматизации процесса лазерной обработки.

3.2.2. Алгоритм работы системы автоматизации.

3.2.3. Контроль пространственного положения объекта.

3.3. Оптические схемы визуального контроля.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Диагностика в реальном времени динамических процессов при лазерной обработке поверхности материала. Экспериментальные результаты.

4.1. Характеристики лазерного монитора при визуализации обрабатываемой поверхности.

4.2. Оптические схемы визуального контроля.

4.3. Измерение температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности отраженного излучения.

4.4. Измерение частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности вещества.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости»

В настоящее время лазерные технологии получили значительное развитие и представляют достаточно распространенный в промышленности процесс обработки материалов. Это поверхностная обработка материалов, термоупрочнение, сварка, резка, фотохимические процессы, разделение изотопов и т.д. [37-44, 65, 66, 68, 70, 86]. Лазерные установки и технологические линии в настоящее время применяются во многих отраслях производства [36, 64, 67, 71, 72, 75, 77]. По экономическим показателям они успешно конкурируют с традиционными средствами обработки материалов.

Но если на начальном этапе преимущественное развитие получили лазерные технологии, основанные только на неуправляемом тепловом действии лазерного излучения, то в последнее время все большее внимание уделяется возможности избирательного воздействия лазерного излучения на те или иные процессы при обработке материала [46]. Это связано с тем, что большой объем информации, содержащийся в энергетических, спектральных, пространственно-временных характеристиках лазерного излучения, открывает возможности лазерного управления процессами в веществе, включая саму область лазерного воздействия. Анализ и обработка этой информации непосредственно в ходе технологического процесса позволит контролировать свойства обрабатываемого материала и направлять его в нужном направлении.

Для диагностики процессов, индуцированных лазерным излучением, требуются высокоточные, бесконтактные и малоинерционные методы наблюдения и регистрации. Разработанные на сегодняшний момент методы контроля не позволяют в полной мере оценить всю картину взаимодействия лазерного излучения с веществом, в частности, процессы, происходящие на поверхности вещества, их пространственные и временные характеристики. Основная проблема визуального контроля при больших плотностях 5 мощности лазерного излучения — наличие плазменного факела над обрабатываемой поверхностью, экранирующего область воздействия. Для решения этих задач представляют значительный интерес системы регистрации с так называемым лазерным монитором (лазерный усилитель яркости изображения поверхности, ССБ-камера, компьютер), который позволяет получать изображения обрабатываемой поверхности сквозь излучение экранирующей плазмы в реальном времени [26-32, 100].

Таким образом, создание системы диагностики, обработки информации и управления лазерным технологическим процессом в реальном времени на основе лазерного монитора является актуальной проблемой и соответствует современным потребностям производства на базе новейших достижений науки и техники.

Цели работы является разработка новых методов получения и обработки информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помощью оптического усилителя яркости, их реализация и апробация в условиях эксплуатации на практике. Исходя из цели, задачи исследования сводятся к следующим:

1. Изучение информационных составляющих изображения поверхности, полученного при помощи лазерного монитора, в процессе воздействия на нее излучения технологического лазера.

2. Разработка методики получения и обработки информации для управления лазерными технологическими процессами с учетом пространственных и временных изменений, происходящих на поверхности вещества при воздействии лазерного излучения.

3. Создание системы контроля и управления лазерными технологическими процессами в реальном времени на основе визуализации области воздействия.

4. Разработка алгоритмов обработки информации в процессе управления лазерными технологическими процессами. 6

5. Создание необходимого программного обеспечения для использования результатов исследования на практике.

Методы исследования. В работе использовались оригинальные методы обработки информации (включая оптическую обработку информации), математического моделирования, а также достижения микропроцессорной техники и устройств, современные методы автоматизированных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в разработке новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов, а также диагностики в реальном времени состояния поверхности материалов при воздействии лазерного излучения и сводится к следующим результатам:

1. Разработка новых методов получения и обработки информации с помощью лазерного монитора при проведении лазерных технологических процессов.

2. Разработка новых диагностических систем реального времени на основе оптического усилителя яркости с компьютерной обработкой информации для управления лазерными технологическими процессами.

3. Создание устройств для контроля параметров лазерного усилителя и исследования пространственно-временных характеристик оптического изображения обрабатываемой поверхности материала.

4. Разработка алгоритма формирования изображения в лазерном усилителе яркости, с учетом дифракционных и нелинейных искажений.

Практическая ценность работы заключается в том, что включенные в диссертационную работу результаты получены автором при проведении следующих НИР: "Разработка методического обеспечения технологических экспериментов по лазерной обработке материалов"; "Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных

7 ; изделий в интересах промышленных предприятий региона"; "Разработка методов визуального контроля технологических процессов (сварка, резка и т.д.) при помощи монитора на основе лазера на парах меди"; "Высокоточный лазерный диагностико-технологический комплекс с управлением на основе систем искусственного интеллекта для обработки сложных объемных изделий и контроля качества обрабатываемой поверхности в реальном масштабе времени"; "Лазерно-индуцированные процессы и неустойчивости металлов и в слоистых структурах и их диагностика при помощи лазерного усилителя яркости"; "Лазерные термохимические процессы на поверхности материалов и в слоистых структурах устройств оптоэлектроники"; "Разработка автоматизированного комплекса для визуализации, контроля и управления при помощи лазерного монитора лазерными технологическими процессами при обработке изделий оптоэлектроники"; "Физика лазеров и лазерные системы, новые применения в науке, технике и технологии"; "Новые физические принципы оптической диагностики вещества в реальном масштабе времени на базе разработки методов повышения эффективности излучения СОг - лазера и использования лазерного монитора"; "Стохастические процессы и неустойчивости при воздействии мощных лазерных пучков на вещество и их визуализация при помощи лазерного монитора"; "Математическое и физическое моделирование высокотемпературных гидродинамических неустойчивостей" (прил. П.2). Перечень результатов имеющих практическую ценность:

1. Разработана и создана установка для визуализации процессов лазерной обработки поверхности материала в реальном времени (лазерный монитор).

2. Предложены устройства для контроля параметров лазерного усилителя непосредственно в процессе воздействия на вещество, которые позволяет путем контроля параметров лазерного излучения увеличивать точность и достоверность информации получаемой во время технологического процесса. 8

3. Реализована разработанная методика измерения температурной зависимости поверхности обрабатываемого объекта по интенсивности оптического излучения, отраженного от нее, которая позволяет получать информацию о развитии процессов в металлах при лазерном воздействии.

4. Созданы устройства для измерения частотных характеристик процессов, индуцированных лазерным излучением на поверхности материала, которые дают информацию о природе возникающих неустойчивостей.

5. Разработана и создана система управления для автоматизации процесса обработки поверхности материала, особенностью которой является визуальный контроль обрабатываемой поверхности.

6. Внедрено программное обеспечение, которое позволяет управлять процессом лазерной обработки поверхности материала с выполнением следующих функций: формирование задания, управление внешними устройствами, первичная обработка и сохранение полученной в ходе работы информации, а также управление микропроцессором, входящим в состав установки.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают повышение надежности и точности производимых измерений, гибкость к вносимым изменениям, осуществление контроля при управлении технологическими процессами, а также реализацию простого интерфейса общения при сохранении широкого спектра решаемых задач.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты были получены автором в рамках следующих проектов и программ федерального и регионального назначения: по линии Минобразования РФ — Межвузовская научно техническая программа "Лазеры и лазерные технологии", "Оптотехнология", Университеты России -Фундаментальные исследования, Федеральная целевая программа "Интеграция"; по линии Миннауки РФ — в рамках единой региональной научно-технической программы Миннауки РФ и Администрации 9

Владимирской области "Создание автоматизированных лазерных комплексов". Новые теоретические и практические результаты диссертационной работы нашли применение в учебном процессе при подготовке студентов специальностей прикладная математика, лазерная техника и технология и др. и внедрены на ряде предприятий (прил. П.2).

На защиту выносится следующая совокупность новых научных результатов и научно-обоснованных технических решений в рамках рассматриваемой проблемы:

1. Система получения и обработки информации на основе оптического усилителя яркости в лазерных технологических процессах.

2. Оригинальные устройства для диагностики, контроля и управления процессом лазерной обработки материала.

3. Методы оценки информационных составляющих изображения области лазерного воздействия на вещество в пространстве и во времени с использованием компьютерной обработки визуальной информации и пространственно-временных распределений яркости изображения.

4. Результаты экспериментальных исследований и практического применения разработанной системы при решении конкретных задач обработки информации в лазерных технологических процессах.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 12 международных научных и научно-технических конференциях.

Публикации. По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 14 работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, имеющего 120 наименований, в том числе 14 работ автора. В работе приведено 44 рисунка. Общий объем диссертации 186 е., в том числе 2 с. содержания, 117 с. основного текста, 11с. списка литературы, 55 с. приложения.

Заключение диссертации по теме «Системы обработки информации и управления», Данилов, Сергей Юрьевич

Выводы:

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С.Ю. при выполнении им диссертационной работы "Обработка информации в лазерных технологических процессах при их диагностике в реальном времени с помошью оптического усилителя яркости".

Настоящий акт подтверждает, что программное обеспечение, разработанное и изготовленное Даниловым С.Ю. для системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора внедрено в разработки, выполняемые МЛЦ МГУ.

Практическое использование разработанного программного обеспечения системы позволило увеличить объем информации при исследованиях лазерно-икдуиированных процессов на поверхности вещества, проводимых в МЛЦ МГУ.

Зам. директора МЛЦ МГУ доиент

183

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.4!> •■'>'") 11|-1тур,:.1 м'">'■'^ояской обл , ул Святоозерскэя, 1. ИПЛИТ РАН. Тел '>09645) .' '■■'■! Факс '?-25-32 Р-тяИ (чггигггЗЯаалг тс»! т.-ф «¡и К" I НИ f Д Р к H и я на n-Mi.i > >м1!ьк>к-рнон обработки информации, |щ (рабоI.iiiiioii Г.Ю, Даниловым при кип«»/тении им 'шссертационной работы и про m,i отменной uni обработки информации» и(».:|\■ц-миоп с помощью лазерного монитора

I lac поящий акт h.vi i исрждасп, чи» разработанная С.Ю. Даниловым система ■)М11ыогорной оирабомчм информации полученной с помощью лазерного монитора, ядрена в разработки . :«r.it(tняомые ИПЛИТ, и позволяет производить детальное зучение (и i/iai не гике и и динамике) процессов на поверхности материала при нерпой обработке.

Практическое применение компьютерной обработки позволило увеличить 5ъем обрабатываемой информации получаемой в исследованиях процессов на эперхност иещеетна при мощном кмерпом воздействии.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ системы сбора и обработки информации на основе лазерного монитора, разработанной Даниловым С.Ю. при выполнении им диссертационной работы.

Настоящий акт подтверждает, что разработанная и изготовленная Даниловым С.Ю. система сбора и обработки информации , состоящая из лазерного усилителя на основе лазера на парах меди , проецирующей оптической системы. ССО-камеры и компьютера, позволит осуществлять наблюдение за поверхностью вещества во время лазерного воздействия на него с разрешением не хуже 2 мкм и частотой регистрации не менее 25 Гц через плазменный факел.

Использование данной системы в лазерной технике позволит осуществлять контроль и управление ходом лазерной обработки материала. Практическое применение разработанной системы позволит количественно и качественно повысить информативность при исследованиях лазерно-индуцированных процессов на поверхности вещества, производимых на предприятии.

Главный металлург ФГУП ВПО " Точмаш "

Сл рижак А. Г.

185